毛雪松, 朱鳳杰,黃 喆,王莉云,陳燕琴
(長(zhǎng)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(zhǎng)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(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)。千枚巖屬于軟巖的一種,強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差且易崩解,不宜直接作為高等級(jí)公路路基填料,需要對(duì)其進(jìn)行改性后填筑路基。同時(shí)基于CBR測(cè)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(jí)配對(duì)千枚巖填料CBR的影響。結(jié)果表明:水泥摻量與粗粒料級(jí)配對(duì)千枚巖CBR值影響都比較顯著;但在考慮到經(jīng)濟(jì)和工程特性要求時(shí),通過(guò)分析選擇水泥摻量為3%與粗粒料含量為55%級(jí)配組合為最佳組合。
道路工程;千枚巖;水泥改良;級(jí)配;方差分析理論;CBR
“十天”高速公路安康東段沿線分布著大量的強(qiáng)風(fēng)化千枚巖,強(qiáng)風(fēng)化千枚巖具有強(qiáng)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(xiàng)突出矛盾。若將其作為路基的填料,不僅可以解決這個(gè)矛盾,同時(shí)也會(huì)保護(hù)環(huán)境、降低造價(jià)。因此需要對(duì)千枚巖進(jìn)行改性處理。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)軟巖的研究,多集中在填料的工程性能、可行性、改良前后強(qiáng)度變化以及浸水特性上。羅小杰[1]通過(guò)抗壓試驗(yàn),分析了千枚巖物理力學(xué)特性;I.A.SADISUN等[2]進(jìn)行無(wú)側(cè)限膨脹試驗(yàn),分析了黏土類軟巖的膨脹特性;毛雪松等[3]對(duì)水泥改良前后的千枚巖填筑路基遇水后濕化變形進(jìn)行了研究;趙磊等[4]對(duì)蘭渝鐵路清水隧道沿線千枚巖填料改良后的工程特性進(jìn)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(jī)理。從上述分析中可知,對(duì)水泥劑量和級(jí)配對(duì)千枚巖填料CBR值影響的研究比較少。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和方差理論分析對(duì)不同水泥摻量和不同粗粒料級(jí)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(jì)要求的水泥改良千枚巖填料的水泥摻量和級(jí)配水平組合。
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(shí)驗(yàn)原材料。利用X射線衍射儀(圖1)做X射線衍射試驗(yàn)并利用電子掃描顯微鏡(圖2)做磨片電鏡試驗(yàn),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(shí)還含有一些長(zhǎng)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(yàn)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(qiáng)度試驗(yàn)
把采集到的千枚巖試樣,按照GB/T50266-99《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[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(qiáng)度試驗(yàn),所得結(jié)果如表1。
表1 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果
從表1中數(shù)據(jù)可知,千枚巖原巖的單軸抗壓強(qiáng)度范圍為12~30 MPa。規(guī)范中定義軟巖是指單軸抗壓強(qiáng)度小于30 MPa的巖石,同時(shí),從表1中計(jì)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(qiáng)度低且易碎的軟巖。因此當(dāng)作為路基填筑材料時(shí),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(biāo)測(cè)定
按照J(rèn)TG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[7]測(cè)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(guò)相關(guān)規(guī)定以及塑性土分類的劃定可知,強(qiáng)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(qiáng)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(méi)試樣0.5 cm以上,浸水1 d后烘干,稱重,這一過(guò)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(shí),風(fēng)化千枚巖試樣的崩解率越大;當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定時(shí),將會(huì)出現(xiàn)類似于泥土的粉末。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析、總結(jié),說(shuō)明千枚巖填料抗風(fēng)化性能和水穩(wěn)性都比較差,強(qiáng)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(yàn)擬合曲線Fig.5 Weathered phyllite disintegration rate changes withthe wet-dry cycle test fitting curve
由第1節(jié)可知,千枚巖填料強(qiáng)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(jí)配是影響其強(qiáng)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(gè)不同的粗粒料級(jí)配組合,同時(shí)每個(gè)組合中水泥摻量選為3%,4%,5%,6%,這樣級(jí)配組合和水泥摻量水平的個(gè)數(shù)分別為3和4。通過(guò)CBR試驗(yàn)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(jí)配以及二者的交互作用對(duì)水泥改良千枚巖填料CBR值變化的影響。因此對(duì)不同的級(jí)配和水泥在最佳含水率的條件下配制試件,每3個(gè)試件為一組,各進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn),共計(jì)36次實(shí)驗(yàn)。
表3 千枚巖填料各級(jí)配組合的粒徑組成
通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)得到的結(jié)果如表4和圖6。
表4 CBR試驗(yàn)結(jié)果
3.1 不同水泥摻量對(duì)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(shí),增大水泥摻量時(shí),改良千枚巖填料的CBR值也會(huì)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(shuō)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(duì)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(shí),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(duì)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?yàn)?5%的千枚巖級(jí)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(guò)多,導(dǎo)致細(xì)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(qiáng)度下降,因而沒(méi)有55%對(duì)千枚巖CBR值影響大。
3.3 不同級(jí)配和不同水泥劑量對(duì)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(duì)多個(gè)服從正態(tài)分布的總體,驗(yàn)證它們的均值是否相等的一種統(tǒng)計(jì)方法,且作F檢驗(yàn),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(duì)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(jí)配因素,水泥摻量因素,分別有3個(gè)和4個(gè)不同的水平,在每個(gè)不同的水平組合條件下,每組分別進(jìn)行3次獨(dú)立重復(fù)試驗(yàn)。因此可用“可重復(fù)兩因素方差分析”對(duì)水泥摻量和級(jí)配對(duì)水泥改良千枚巖填料CBR值影響進(jìn)行方差分析,所得分析結(jié)果如表5。
由表4可知,由級(jí)配因素和水泥摻量因素及其交互作用計(jì)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(yàn)顯著,表明級(jí)配和水泥摻量的變化及其交互作用對(duì)CBR值的增加影響為顯著。因此需要對(duì)a,b兩因素不同水平及交互作用的平均測(cè)定結(jié)果進(jìn)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(duì)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(jí)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(jí)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(gè)水平平均數(shù)相差很大。
由表6可得:a2》a3》a1。說(shuō)明在不同級(jí)配對(duì)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(shí)也證明了,當(dāng)水泥含量一定時(shí),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(shuō)明當(dāng)水泥摻量為6%時(shí),水泥摻量水平對(duì)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(shuō)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(duì)表8進(jìn)行分析可得,a2b4>a3b4>a2b3>a2b2>a3b3>a1b4>a2b1(a3b2)>a1b3>a1b2>a1b1(a3b1)??梢苑治龀霎?dāng)粗粒料含量和水泥摻量分別為55%和6%時(shí)的交互作用,對(duì)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(guò)上述分析可知,當(dāng)考慮到需要滿足經(jīng)濟(jì)性和工程性要求時(shí),在水泥劑量為3%時(shí),相比于粗粒料含量為45%和65%,粗粒料含量為55%對(duì)CBR值增大的影響是最大的,因此是最滿足工程和經(jīng)濟(jì)要求的最佳水泥摻量和級(jí)配組合。
通過(guò)對(duì)千枚巖原巖實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(guò)試驗(yàn)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(duì)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(shì)。在考慮到經(jīng)濟(jì)和工程特性要求時(shí),通過(guò)分析,選擇水泥摻量為3%,粗粒料含量為55%級(jí)配組合為最佳組合。
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(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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)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