毛雪松, 朱鳳杰，黃 喆，王莉云，陳燕琴

(長安大學(xué) 公路學(xué)院 ，陜西 西安 710064)

改良千枚巖填料的CBR值影響因素分析

毛雪松, 朱鳳杰，黃 喆，王莉云，陳燕琴

(長安大學(xué) 公路學(xué)院 ，陜西 西安 710064)

選用十堰至天水高速公路安康東段的千枚巖為原材料，進行了一系列的實驗。千枚巖屬于軟巖的一種，強度低、穩(wěn)定性差且易崩解，不宜直接作為高等級公路路基填料，需要對其進行改性后填筑路基。同時基于CBR測試結(jié)果，結(jié)合方差分析理論分析了不同水泥摻量與不同粗粒料級配對千枚巖填料CBR的影響。結(jié)果表明：水泥摻量與粗粒料級配對千枚巖CBR值影響都比較顯著；但在考慮到經(jīng)濟和工程特性要求時，通過分析選擇水泥摻量為3%與粗粒料含量為55%級配組合為最佳組合。

道路工程；千枚巖；水泥改良；級配；方差分析理論；CBR

0 引 言

“十天”高速公路安康東段沿線分布著大量的強風(fēng)化千枚巖，強風(fēng)化千枚巖具有強度低、穩(wěn)定性差、易破碎等性質(zhì)，屬于軟巖的一種，在路基填料中屬于劣質(zhì)材料，故不宜作為高速公路路基填料。沿線棄方的堆放和填方的選材成為一項突出矛盾。若將其作為路基的填料，不僅可以解決這個矛盾，同時也會保護環(huán)境、降低造價。因此需要對千枚巖進行改性處理。國內(nèi)外學(xué)者針對軟巖的研究，多集中在填料的工程性能、可行性、改良前后強度變化以及浸水特性上。羅小杰[1]通過抗壓試驗，分析了千枚巖物理力學(xué)特性；I.A.SADISUN等[2]進行無側(cè)限膨脹試驗，分析了黏土類軟巖的膨脹特性；毛雪松等[3]對水泥改良前后的千枚巖填筑路基遇水后濕化變形進行了研究；趙磊等[4]對蘭渝鐵路清水隧道沿線千枚巖填料改良后的工程特性進行了研究，并建立有限元數(shù)值模型；蘇永華等[5]利用多重分形理論分析了軟巖發(fā)生膨脹崩解的力學(xué)機理。從上述分析中可知，對水泥劑量和級配對千枚巖填料CBR值影響的研究比較少。通過室內(nèi)試驗和方差理論分析對不同水泥摻量和不同粗粒料級配水平組合下千枚巖填料CBR特性的影響效果展開研究和分析，以確定能滿足力學(xué)特性和經(jīng)濟要求的水泥改良千枚巖填料的水泥摻量和級配水平組合。

1 千枚巖填料的物理力學(xué)性質(zhì)

1.1 千枚巖的礦物組成

選用“十天”高速公路安康東段沿線的千枚巖作為實驗原材料。利用X射線衍射儀(圖1)做X射線衍射試驗并利用電子掃描顯微鏡(圖2)做磨片電鏡試驗，可知千枚巖原巖中主要礦物成分為絹云母和雛晶黑云母，同時還含有一些長石礦物(圖3、圖4)。

圖2 電子掃描顯微鏡Fig.2 Electron scanning microscopy

圖3 X射線衍射試驗圖譜Fig.3 X - ray diffraction test pattern

圖4 千枚巖的磨片電鏡Fig.4 Abrasive disc phyllite electronic microscope

1.2 千枚巖原巖的單軸抗壓強度試驗

把采集到的千枚巖試樣，按照GB/T50266-99《工程巖體試驗方法標準》[6]的規(guī)定，制成形狀規(guī)則的四方體，并分為未飽水和飽水兩組，分別做單軸抗壓強度試驗，所得結(jié)果如表1。

表1 單軸抗壓強度試驗結(jié)果

從表1中數(shù)據(jù)可知，千枚巖原巖的單軸抗壓強度范圍為12～30 MPa。規(guī)范中定義軟巖是指單軸抗壓強度小于30 MPa的巖石，同時，從表1中計算的結(jié)果可知千枚巖的軟化系數(shù)均小于0.52，低于規(guī)范規(guī)定的軟化系數(shù)的最小值0.75。故可以判定，風(fēng)化后的千枚巖是一種水穩(wěn)性差、抗壓強度低且易碎的軟巖。因此當(dāng)作為路基填筑材料時，在水和荷載共同反復(fù)作用下極容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

1.3 千枚巖填料物理指標測定

按照JTG E40—2007《公路土工試驗規(guī)程》[7]測得千枚巖填料中的液限、塑限和塑性指數(shù)的平均值分別為16.1%，17%和3.8%。通過相關(guān)規(guī)定以及塑性土分類的劃定可知，強風(fēng)化體千枚巖填料是屬于一種低液限粉土，在路基填料中屬于劣質(zhì)填料。

1.4 千枚巖填料的崩解特性

崩解性又稱為濕化性，指的是黏性土之間由于土顆粒之間的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)而產(chǎn)生的強度在受到水的入侵后而發(fā)生消弱或者喪失，導(dǎo)致土體崩解的特性。

將千枚巖填料制作成體型不一的試樣，放置烘箱內(nèi)烘至恒重，接著放入干燥的容器中稱重。再將試樣放入盆中加水至淹沒試樣0.5 cm以上，浸水1 d后烘干，稱重，這一過程稱為一次循環(huán)。

崩解率和干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如表2。

表2 風(fēng)化千枚巖不同干濕循環(huán)次數(shù)的崩解率

擬合曲線為

Idn=1.7n-8.78

R2=0.997 9

(1)

式中：Idn為耐崩解性系數(shù)，%；n為干濕循環(huán)次數(shù)。

由圖5可知，當(dāng)循環(huán)的次數(shù)越多時，風(fēng)化千枚巖試樣的崩解率越大；當(dāng)循環(huán)次數(shù)達到一定時，將會出現(xiàn)類似于泥土的粉末。通過對實驗結(jié)果分析、總結(jié)，說明千枚巖填料抗風(fēng)化性能和水穩(wěn)性都比較差，強度低，崩解度較高。

圖5 風(fēng)化千枚巖崩解率隨干濕循環(huán)變化的試驗擬合曲線Fig.5 Weathered phyllite disintegration rate changes withthe wet-dry cycle test fitting curve

2 試驗方案設(shè)計

由第1節(jié)可知，千枚巖填料強度較差。為提高千枚巖填料的力學(xué)性能，采用水泥改良路基，因此水泥摻量與千枚巖填料級配是影響其強度的關(guān)鍵因素。在最佳含水率的條件下選用表3中的3個不同的粗粒料級配組合，同時每個組合中水泥摻量選為3%，4%，5%，6%，這樣級配組合和水泥摻量水平的個數(shù)分別為3和4。通過CBR試驗和兩因素方差分析相結(jié)合的方法，研究水泥摻量和粒料級配以及二者的交互作用對水泥改良千枚巖填料CBR值變化的影響。因此對不同的級配和水泥在最佳含水率的條件下配制試件，每3個試件為一組，各進行3次實驗，共計36次實驗。

表3 千枚巖填料各級配組合的粒徑組成

3 試驗結(jié)果分析

通過室內(nèi)試驗得到的結(jié)果如表4和圖6。

表4 CBR試驗結(jié)果

3.1 不同水泥摻量對CBR值的影響分析

從圖6(a)和圖6(b)中可以看出，當(dāng)粗粒料含量一定時，增大水泥摻量時，改良千枚巖填料的CBR值也會隨之增大，改良后得到的CBR最大值約為230%，增加了近5倍左右。說明水泥摻量改良千枚巖CBR值有一定的效果。

3.2 不同粗粒料含量對CBR值的影響分析

從圖6(a)和圖6(b)中可以得出，當(dāng)水泥含量一定時，隨著粗粒料含量的增加，千枚巖CBR值先增大后減小，其中粗粒料為55%的組合相對于粗粒料為65%和粗粒料為45%的組合，其CBR值具有最大值，這是因為55%的千枚巖級配性能更好些，水泥與粗粒料之間的反應(yīng)更加充分，而65%的，由于粗集料過多，導(dǎo)致細集料較少，從而導(dǎo)致大部分的水泥都附著在粗粒料表面，使得反應(yīng)不夠充分，導(dǎo)致強度下降，因而沒有55%對千枚巖CBR值影響大。

3.3 不同級配和不同水泥劑量對CBR值的影響可重復(fù)兩因素方差分析

方差分析是指在方差相等的條件下,對多個服從正態(tài)分布的總體，驗證它們的均值是否相等的一種統(tǒng)計方法,且作F檢驗,判斷因素的作用是否影響顯著。筆者旨在研究水泥劑量和粗粒料含量對千枚巖CBR值的影響，故假定水泥劑量和粗粒料含量的方差各自相等，且服從正態(tài)分布。設(shè)因素a和b分別為級配因素，水泥摻量因素，分別有3個和4個不同的水平，在每個不同的水平組合條件下，每組分別進行3次獨立重復(fù)試驗。因此可用“可重復(fù)兩因素方差分析”對水泥摻量和級配對水泥改良千枚巖填料CBR值影響進行方差分析，所得分析結(jié)果如表5。

由表4可知，由級配因素和水泥摻量因素及其交互作用計算得到的F值大于F的臨界值，故根據(jù)方差分析理論知，其F檢驗顯著，表明級配和水泥摻量的變化及其交互作用對CBR值的增加影響為顯著。因此需要對a，b兩因素不同水平及交互作用的平均測定結(jié)果進行多重比較。其結(jié)果如表6～表8。

圖6 水泥摻量和粗粒料含量變化對CBR值的影響Fig.6 Influence of cement and coarse aggregate contentvariation on CBR value

差異源平方和SS自由度dfe均方差MSF值F臨界值(Fcrit)a因素3685．521842．7569．552283．402826b因素5432．7531810．91768．350773．008787a×b620．56103．41673．9033322．508189內(nèi)部誤差635．8672426．49446總變異10374．623510374．62

表6 級配因素水平多重比較

表7 水泥摻量因素水平多重比較

表8 級配和水泥摻量交互作用多重比較

表6～表8中a1，a2，a3分別代表粗粒料含量為45%，55%，65%；b1，b2，b3，b4分別代表水泥摻量為3%，4%，5%，6%；a1b1代表粗粒料含量為45%水泥摻量為3%的組合；aibj(i=1,2,3;j=1,2,3,4)可以按照a1b1類推?！?+”表明影響極顯著，“+”表明影響顯著，“》”代表兩個水平平均數(shù)相差很大。

由表6可得：a2》a3》a1。說明在不同級配對水泥改良千枚巖填料CBR值增大的影響中，影響最差的是粗粒料含量為45%的，其次是65%的，最好的則為55%的。同時也證明了，當(dāng)水泥含量一定時，隨著粗粒料含量的增加水泥改良千枚巖填料CBR值是先增大后減小的變化規(guī)律。

從表7中可以得到：b4》b3》b2》b1。說明當(dāng)水泥摻量為6%時，水泥摻量水平對CBR值增大影響是最大，其次為5%的水泥摻量水平，隨后為4%與3%的水泥摻量水平，這也說明了改良千枚巖填料的CBR值是隨著水泥摻量的增加而增加的。

對表8進行分析可得，a2b4>a3b4>a2b3>a2b2>a3b3>a1b4>a2b1(a3b2)>a1b3>a1b2>a1b1(a3b1)。可以分析出當(dāng)粗粒料含量和水泥摻量分別為55%和6%時的交互作用，對改良填料CBR值增大的影響效應(yīng)最為顯著，次之是為65%和6%的搭配組合，再次之是55%與5%的搭配組合，最后為45%與4%以及65%與3%的搭配組合。

通過上述分析可知，當(dāng)考慮到需要滿足經(jīng)濟性和工程性要求時，在水泥劑量為3%時，相比于粗粒料含量為45%和65%，粗粒料含量為55%對CBR值增大的影響是最大的，因此是最滿足工程和經(jīng)濟要求的最佳水泥摻量和級配組合。

4 結(jié) 語

通過對千枚巖原巖實驗分析可知，該類巖石的礦物成分以絹云母和雛晶黑云母為主，有少量的長石礦物，且耐水性差，易崩解，在路基填料中屬于劣質(zhì)材料。

通過試驗及可重復(fù)兩因素方差分析可知：水泥摻量和粗顆粒含量對千枚巖CBR都有著顯著的影響。隨著水泥摻量和粗顆粒含量的增大，CBR值與其呈正相關(guān)的關(guān)系，有非線性曲線變化趨勢。在考慮到經(jīng)濟和工程特性要求時，通過分析，選擇水泥摻量為3%，粗粒料含量為55%級配組合為最佳組合。

[1] 羅小杰.千枚巖的工程性能[J].人民長江,1994，25(12)：48-52. LUO Xiaojie. Engineering properties of phyllite[J].YangtzeRiver, 1994, 25(12): 48-52.

[2] SADISUN I A, SHIMADA H, ICHINOSE M, et al. An experimental study of swelling strain in some argillaceous rocks by means of an improved unconfined swelling test[C]//ISRMRegionalSymposiumonRockEngineeringProblemsandApproachesinUndergroundConstruction，2002：227-234.

[3] 毛雪松，鄭小忠，馬骉，等.風(fēng)化千枚巖填筑路基濕化變形現(xiàn)場試驗分析[J].巖土力學(xué)，2011，32(8)：2300-2306. MAO Xuesong，ZHENG Xiaozhong，MA Biao, et al. Weathered phyllite filling roadbed of wetting deformation field test analysis[J].RockandSoilMechanics, 2011, 32(8): 2300-2306.

[4] 趙磊，梁國慶，張延杰，等.千枚巖棄渣用作路基填料的水穩(wěn)定性試驗研究[J].鐵道建筑，2011(8)：86-88. ZHAO Lei，LIANG Guoqing,ZHANG Yanjie, et al.Phyllite aban-

don slag used as subgrade filling water stability tests[J].RailwayEngineering, 2011(8): 86-88.

[5] 蘇永華, 趙明華, 劉曉明. 軟巖膨脹崩解試驗及分形機理[J]. 巖土力學(xué)，2005，26(5)：728-732. SU Yonghua, ZHAO Minghua, LIU Xiaoming. Soft rock swelling disintegration test and fractal mechanism[J].RockandSoilMechanics, 2005, 26(5): 728-732.

[6] 原中華人民共和國電力工業(yè)部.工程巖體試驗方法標準：GB/T 50266-99[S].北京：中國標準出版社，1999. The Original Electric Power Industry Ministry of the People’s Republic of China.TheStandardoftheEngineeringRockMassTestMethod： GB/T 50266-99[S].Beijing:China Standard Press, 1999.

[7] 交通部公路科學(xué)研究院.公路土工試驗規(guī)程：JTG E40-2007[S].北京：人民交通出版社，2007. Ministry of Communications Highway Science Research Institute.TestMethodofSoilsforHighwayEngineering： JTG E40—2007[S]. Beijing: China Communications Press, 2007.

[8] 蓋鈞鎰.試驗統(tǒng)計方法[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2000. GAI Junyi.StatisticalMethodsforExperiment[M]. Bejing：China Agriculture Press, 2000.

[9] 遲廣成，肖剛，陳英麗，等.X 射線粉晶衍射儀在千枚巖鑒定與分類中的應(yīng)用[J].地質(zhì)與資源，2013，22(5)：409-414. CHI Guangcheng, XIAO Gang, CHEN Yingli, et al. X-ray powder diffraction in the application of phyllite identification and classification[J].GeologyandResources， 2013, 22(5): 409-414.

[10] 張延杰，王旭，尹亞雄，等.水泥改良千枚巖棄渣用作鐵路路基填料的試驗研究[J].鐵道學(xué)報，2014，36(6)：81-86. ZHANG Yanjie, Wang Xu, Yin Yaxiong, et al. Cement modified phyllite abandon slag as railway subgrade filling experiment research[J].JournalofRailway, 2014, 36(6): 81-86.

[11] 冉隆飛，劉洋.全風(fēng)化花崗巖改良土路基現(xiàn)場填筑施工工藝試驗研究[J].高速鐵路技術(shù)，2014，5(2)：69-73. RAN Longfei, LIU Yang. Improved soil weathered granite subgrade filling construction technology test research on site[J].HighSpeedRailwayTechnology, 2014, 5(2): 69-73.

(責(zé)任編輯 朱漢容)

Analysis of the Influences on CBR Value of Improved Phyllite as a Fill

MAO Xuesong, ZHU Fengjie,HUANG Zhe,WANG Liyun，CHEN Yanqin

(School of Highway,Chang’an University,Xi’an 710064,Shaanxi,P.R.China)

The phyllite as a the raw material was taken from the eastern Ankang section of Shiyan-Tianshui highway and used in series experiments. The results show that phyllite is a type of weak rock of low strength, poor stability and vulnerable to disintegration and thus cannot be directly used as fill of subgrade of high-level highway. Phyllite can only be used in subgrade as fill after it is modified. Based on the CBR test results, cement addition and coarse particle grading influenced a lot on CBR value of phyllite. But considering the constraints of economy and engineering properties , through analysis, the mix of cement addition of 3% and coarse particle content of 55% is the optimum combination.

highway engineering;phyllite; cement modified;gradation;variance analysis theory;CBR

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.02.08

2015-09-30；

2015-12-13

國家自然科學(xué)基金項目(51378072)

毛雪松(1976—)，女，吉林春暉人，教授，博士，主要從事路基穩(wěn)定性方面的教學(xué)與研究工作。E-mail：xuesongxian@yahoo.com.cn。

U416.1

A

1674-0696(2017)02- 043- 06