魏 密，李雪芹，余承喜

(1.廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007；2.廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

炭質(zhì)泥巖于我國廣西及西南山區(qū)等地廣泛分布，其因富含炭質(zhì)常表現(xiàn)出易崩解、遇水易軟化膨脹、受載條件下承載力偏低等諸多不良特性[1]，高速公路等工程建設(shè)中多采用繞道避行或棄土換填等處理措施，施工成本大幅增加[2]。而隨著我國交通事業(yè)的迅猛發(fā)展和環(huán)保要求的不斷提高，直接取土或開山采石等方式獲取的天然優(yōu)質(zhì)填料已不能滿足路基填筑的緊迫需求，資源匱乏使得利用炭質(zhì)泥巖這一不良填料修筑路基勢(shì)在必行。隨之而來的是，施工及服役期內(nèi)炭質(zhì)泥巖的工程表現(xiàn)已被相關(guān)研究人員持續(xù)關(guān)注。

近年來，已有學(xué)者意識(shí)到炭質(zhì)泥巖的特殊性能并針對(duì)沉降變形及邊坡失穩(wěn)等常見問題進(jìn)行探索。鄧輝等[3]通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)炭質(zhì)泥巖填料的路用性能進(jìn)行考察，綜合考慮多項(xiàng)指標(biāo)后指出炭質(zhì)泥巖僅適用于93區(qū)及以下位置的路基填筑。馬慧君等[4]以廣西境內(nèi)的廢棄炭質(zhì)泥巖為研究對(duì)象，建立了四參數(shù)多元回歸模型對(duì)其沉降特性進(jìn)行預(yù)估分析，并借助實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的合理性。莫?jiǎng)P等[5]以實(shí)際工程為依托，借助數(shù)值計(jì)算軟件，分析了半正弦荷載下不同工況對(duì)應(yīng)的炭質(zhì)泥巖路堤動(dòng)力變形響應(yīng)。葉朝良等[6]進(jìn)行的系統(tǒng)性室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，炭質(zhì)泥巖因具有較強(qiáng)的親水能力而導(dǎo)致遇水軟化后沉降變形大幅增大，隨后提出路基施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格防控填料浸水軟化以避免工后及運(yùn)營期沉降過大而危害行車安全。班鷹[7]深入分析了實(shí)際工程中炭質(zhì)泥巖邊坡滑塌的本質(zhì)原因并提出了保障工程安全的施工要點(diǎn)。劉新喜等[8]基于蠕變本構(gòu)模型，討論了考慮炭質(zhì)泥巖的蠕變特性對(duì)其邊坡安全系數(shù)的影響。研究發(fā)現(xiàn)若考慮蠕變特性，邊坡位移量較不考慮蠕變特性有明顯增大而安全系數(shù)則降低約20%，可見在分析炭質(zhì)泥巖邊坡穩(wěn)定性時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其蠕變特性。

綜上所述，已有成果多關(guān)注于炭質(zhì)泥巖本身的多項(xiàng)特性與演化規(guī)律并為工程實(shí)際提供了大量有益參考，但關(guān)于化學(xué)處治炭質(zhì)泥巖路用性能的研究卻鮮見報(bào)導(dǎo)?；诖耍疚膶?duì)炭質(zhì)泥巖路基填料進(jìn)行石灰處治，通過室內(nèi)試驗(yàn)考察其崩解情況、CBR及抗壓強(qiáng)度等路用性能，以期為類似工程實(shí)踐提供參考依據(jù)。

1 天然炭質(zhì)泥巖工程性質(zhì)分析

1.1 基本物理性能

本文所用炭質(zhì)泥巖取自廣西壯族自治區(qū)，依照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2017)中所要求的測(cè)定方法，對(duì)其進(jìn)行室內(nèi)基本物理性能試驗(yàn)。顆粒分析結(jié)果如圖1所示，計(jì)算可知不均勻系數(shù)為Cu=3.7<5且曲率系數(shù)Cc=0.9<1，據(jù)此判定該炭質(zhì)泥巖具有不良級(jí)配，難以充分壓實(shí)。此外，擊實(shí)試驗(yàn)與界限含水率測(cè)定結(jié)果列于表1。

圖1 炭質(zhì)泥巖顆粒級(jí)配曲線圖

表1 基本物理性能測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

隨后，對(duì)炭質(zhì)泥巖試樣開展X射線分析以探究礦物成分對(duì)其路用性能的影響。由表2結(jié)果可知，該試樣中長石含量達(dá)16.21%，復(fù)雜環(huán)境條件及降雨入滲等因素共同作用導(dǎo)致長石變?yōu)槊擅撌扔H水物質(zhì)，比表面積增大且顆粒間結(jié)合水膜變厚，進(jìn)一步削弱了顆粒間的連接力，進(jìn)而易出現(xiàn)崩解現(xiàn)象。

表2 炭質(zhì)泥巖成分分析表

1.2 崩解與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

前期研究顯示，炭質(zhì)泥巖因崩解而強(qiáng)度衰減是導(dǎo)致其填筑的路基易發(fā)生病害的關(guān)鍵問題。為此，對(duì)炭質(zhì)泥巖試樣開展崩解試驗(yàn)以考察其崩解特性，試驗(yàn)方法參考已有文獻(xiàn)[9]，結(jié)果如圖2所示。分析可知，試樣質(zhì)量的崩解損失量隨干濕循環(huán)的增長而增大，直至經(jīng)歷6次循環(huán)后崩解趨于穩(wěn)定，造成的質(zhì)量損失率約為10.3%。

圖2 炭質(zhì)泥巖崩解試驗(yàn)結(jié)果曲線圖

從表3不難看出，炭質(zhì)泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度隨其濕度水平的增加而明顯降低。綜合圖2所示崩解性試驗(yàn)結(jié)果，可知當(dāng)所處環(huán)境的濕度較大時(shí)，炭質(zhì)泥巖會(huì)崩解裂化為粒徑更小的顆粒，導(dǎo)致強(qiáng)度驟減而引發(fā)路基災(zāi)變。

表3 炭質(zhì)泥巖單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)值表

1.3 CBR與膨脹率試驗(yàn)

CBR值可反映填料強(qiáng)度，故對(duì)本研究炭質(zhì)泥巖進(jìn)行CBR測(cè)試，同時(shí)，也關(guān)注其膨脹率，試驗(yàn)時(shí)試件壓實(shí)度選定為96%。數(shù)據(jù)顯示，該炭質(zhì)泥巖的膨脹率為0.91%，不及《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD30-2015)中以40%作為界限值的判斷依據(jù)。此外，CBR值為7.35%，不滿足高速公路和一級(jí)公路路基填料的CBR值不得低于8%的要求。顯然，此天然炭質(zhì)泥巖路基填料需改良處治以提高路用性能。

2 石灰處治炭質(zhì)泥巖路用性能

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

對(duì)不良填料進(jìn)行化學(xué)處治時(shí)，添加石灰的方法因取材容易而被廣泛采用。參考已有文獻(xiàn)關(guān)于改良土石灰摻量的相關(guān)說明[10]，分別對(duì)天然炭質(zhì)泥巖加入4%、6%、8%及10%的生石灰(含70%氧化鈣)。隨后，對(duì)石灰處治填料進(jìn)行重型擊實(shí)，試驗(yàn)結(jié)果匯總于表4。

表4 石灰處治炭質(zhì)泥巖擊實(shí)結(jié)果表

觀察表4，發(fā)現(xiàn)石灰的加入提高了炭質(zhì)泥巖的最佳含水率，降低了炭質(zhì)泥巖最大干密度?？赡艿脑蚴巧抑泻械难趸}等礦質(zhì)與炭質(zhì)泥巖內(nèi)部的水發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氫氧化鈣等化合物，且反應(yīng)過程中持續(xù)放熱消減了泥巖水分，導(dǎo)致最佳含水率有所升高。同時(shí)，反應(yīng)過程中帶來的氫氧化鈣與炭質(zhì)泥巖中的石英等硅酸鹽物質(zhì)反應(yīng)生成硅酸鈣等膠體繼而與其他顆粒出現(xiàn)凝聚現(xiàn)象，使得炭質(zhì)泥巖密實(shí)效果降低，干密度出現(xiàn)衰減。

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)表4給出的各石灰摻量對(duì)應(yīng)的炭質(zhì)泥巖技術(shù)參數(shù)，制備最佳含水率和96%壓實(shí)度下的試件并按規(guī)范養(yǎng)護(hù)7 d，隨后測(cè)定無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 炭質(zhì)泥巖7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線圖

圖3表明，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨石灰摻量的增多而持續(xù)變大，且當(dāng)石灰摻量為8%時(shí)其值超過0.8 MPa。這是因?yàn)槭宜玫乃锊坏c石灰顆粒共同形成堅(jiān)硬骨架，還使炭質(zhì)泥巖顆粒穩(wěn)定成團(tuán)。對(duì)于高速公路而言，通常采取0.8 MPa作為路床填料的強(qiáng)度控制指標(biāo)[6]，因此，全面考慮上述試驗(yàn)結(jié)果以及經(jīng)濟(jì)成本，認(rèn)為8%可作為改良炭質(zhì)泥巖的最佳石灰摻量。

2.3 改良效果驗(yàn)證

采用體現(xiàn)路基抗變形性質(zhì)的指標(biāo)即回彈模量，以檢測(cè)石灰處治炭質(zhì)泥巖的實(shí)用效果。將添加8%石灰的炭質(zhì)泥巖按要求在路基現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)段。通過便攜式落錘彎沉儀測(cè)定路基頂面回彈模量，承載板直徑為30 cm。分析表5中現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，12個(gè)測(cè)點(diǎn)的回彈模量值最低為60.7 MPa，平均值為79.2 MPa。根據(jù)現(xiàn)行的2017版瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范要求，路基頂面回彈模量≥50 MPa，因此，摻入8%石灰的炭質(zhì)泥巖滿足路基填筑要求，路用性能較好。

表5 路基現(xiàn)場(chǎng)回彈模量實(shí)測(cè)結(jié)果表(MPa)

3 結(jié)語

本研究通過對(duì)炭質(zhì)泥巖的基本物理性能、崩解情況、抗壓強(qiáng)度及CBR等指標(biāo)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，得到如下關(guān)于其路用性能的主要結(jié)論：

(1)炭質(zhì)泥巖內(nèi)部因石英與長石含量較高，外界環(huán)境下長期風(fēng)化作用使得其逐漸產(chǎn)生蒙脫石等親水物質(zhì)并持續(xù)積累，導(dǎo)致干濕循環(huán)下炭質(zhì)泥巖發(fā)生崩解，且此過程帶來的崩解損失約為總質(zhì)量的10.3%。此外，炭質(zhì)泥巖的抗壓強(qiáng)度在干燥狀態(tài)下高于吸水狀態(tài)。

(2)對(duì)天然炭質(zhì)泥巖開展的CBR試驗(yàn)結(jié)果表明，其強(qiáng)度較低，不滿足現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定值?；诖耍鑼?duì)其穩(wěn)定性和強(qiáng)度給予高度重視。

(3)經(jīng)石灰處治后炭質(zhì)泥巖的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與最佳含水率有所提高，最大干密度出現(xiàn)降低。同時(shí)，以滿足強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)8%的石灰摻量可使路基現(xiàn)場(chǎng)的回彈模量實(shí)測(cè)值達(dá)到要求。進(jìn)而，從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，8%可作為炭質(zhì)泥巖改良時(shí)的最佳石灰用量。