水分對于風化千枚巖填筑試槽路基回彈模量的影響＊

毛雪松 孟慶猛 樊宇朔 鄭小忠

（長安大學特殊地區公路工程教育部重點實驗室1） 西安 710064）

（中國山東國際經濟技術合作公司2） 濟南 250000）

0 引 言

風化千枚巖分布的區域，巖體抗風化能力、抗水性及抗變形能力均較差，且遇水、風化作用后強度急劇降低，這些工程性質決定了千枚巖作為路基填料的特殊性.風化千枚巖屬于劣質軟巖，為解決路堤填料缺乏，棄方占地的問題，以達到節省投資、保護環境的目的，風化千枚巖分布地區常用風化千枚巖作為路基填料［1］.鄭達等［2］以金沙江上游泥盆系中統中段的絹云母千枚巖與硅質板狀千枚巖為研究對象，揭示了千枚巖微觀破裂形式、破裂機理與其礦物組成之間的聯系.但漢成等［3］通過對千枚狀板巖進行了室內CBR 值試驗，從顆粒組成、礦物成分以及泡水時間、最大顆粒粒徑和擊實次數幾方面研究了其對填料CBR 值的影響.毛雪松等［4-5］研究了水泥改良強風化千枚巖填料的力學性能，并在十天高速安康東段試驗路現場進行了浸水前后的承載板試驗，分析了路基的濕化變形特性.劉新喜等［6］進行了強風化軟巖壓實特性試驗研究，分析了該類材料填筑路基的可行性.通過上述分析可知，對千枚巖的研究主要集中在CBR 值的影響因素以及千枚巖作為路基填料的路用性能的研究，而水分對于千枚巖填料路基回彈模量影響的研究研究甚少.本文采取1m×1m×1.2m 的一維路基模型，進行室內試槽路基模型試驗，并結合磨片電鏡實驗分析了水分對風化千枚巖回彈模量的影響，為相關工程提供了理論參考.

1 試槽路基模型濕化變形室內試驗

1.1 填料的工程性質

1.1.1 液限和塑限

對千枚巖填料的液限塑限進行測試.試驗前將填料用粉碎機碾碎，過0.5mm 篩，加水拌勻裝入容器，并置入保濕箱，濕潤時間不少于24h.測得液限WL為19.9%，塑限WP為16.0%，塑性指數IP為3.9.

由文獻［7］可知，千枚巖全風化體中的細粒土（粒徑＜0.5mm）為低液限粉土.由千枚巖磨片電鏡實驗結果可以看出：該巖石主要由云母和石英組成，其中白云母和黑云母占50%左右，石英占42%左右.這種土塑性指數小、粘粒含量少、強度和水穩定性差，保水性差，易于下滲，土體板結性較差，僅靠壓路機的振動很難達到壓實要求，在路基填筑中屬劣質填料.

1.1.2 風化千枚巖填料的級配

將千枚巖進行破碎，使其最大粒徑不大于60mm，然后進行篩分試驗，級配曲線如圖1所示.該填料的不均勻系數為18.7，曲率系數為0.58，小于5mm 的粗顆粒約占30%以上，屬于級配不良.

圖1 填料的初始級配曲線

1.2 試槽路基模型填筑方案

路基一維模型的規格為長1 m，寬1 m，高1.2m.試槽路基分12層填筑，每層厚10cm，下面5層按照下路堤標準填筑，上面7層按照上路堤標準填筑.在奇數層填完后，埋設水分傳感器，每層5根，共埋設6層，布設見圖2.試槽路基試驗箱見圖3.

圖2 水分傳感器布置平、立面示意圖

圖3 試槽路基試驗箱示意圖

1.3 路基濕化變形及含水率測試系統

試槽路基濕化變形測試系統（見圖4）主要由地下水和地表水補給裝置、試槽、加載裝置、水分測試和采集系統4部分組成，圖5為加載裝置.

圖4 試槽路基濕化變形測試系統示意圖

圖5 加載裝置

1.4 路基濕化變形補水方案

為了模擬地表水和地下水對路基回彈模量的影響，分別從路基的頂部和底部進行補水.在試槽路基模型底部設置20cm 厚的碎石層，碎石的粒徑在5.8cm 左右.碎石層填筑在方形鋼槽內，鋼槽一側留有方孔，用來補水.用碎石層水位的上升來模擬地下水上升.

在試槽頂部進行噴頭噴水進行地表水補給，補給體積通過連接噴頭的上部容器刻度進行控制.

在本試驗中模擬地下水和地表水輪流補給模型路基，每次補水5L，每隔24h進行一次水分采集，并進行承載板測試.補水方案見表1～2.

水分監測系統由SOILMOISTURE EQUIPMENT CORP生產的tree system 水分測試儀和水分傳感器組成.監測通道60路，測試精度1%，最小采集周期1min.

表1 地下水補給測試方案

表2 地表水補給測試方案

2 試驗結果分析

2.1 地下水上升對試槽路基回彈模量的影響

地下水的上升是路基內部含水率增高的主要形式之一，通過碎石層對試槽路基進行地下水補給，測試地下水對路基變形和回彈模量.

1）試槽路基含水率的變化 在本模型中，地下水對試槽路基內部含水率的影響隨路基高度的增高不斷減小，試槽路基底部埋設水分傳感器的第一層和第二層最接近地下水，通過這2層（即地下水位以上10cm），以及第三層（即地下水位以上30cm）以上水分的變化可以分析路基內部含水率隨時間的變化情況.

在充分補充地下水后，引起的路基內部水分變化見圖6.由圖6可見，地下水位以上10cm 處的路基土體含水率在每次補水后都有升高趨勢，且很快達到穩定狀態；地下水位以上10cm 處路基含水率達到10%左右后趨于穩定，含水率不再升高；地下水位以上30cm 處，在地下水補充充足時，含水率變化不大，略有升高.其原因是地下水上升主要是靠細粒料的毛細作用，而風化千枚巖含粗顆粒較多，且孔隙率較大，因此地下水對風化千枚巖路基上部含水率的影響較小.

圖6 補充地下水引起的路基內部水分變化

2）試槽路基濕化變形 受路基底部補水的影響，試槽路基在承載板試驗過程中，發生的濕化變形變化見圖7.在每次補水后的第一次承載板測試發生的濕化變形最大，然后趨于平穩；在每次補水后路基的濕化變形都會有所增長，隨著地下水的補給的不斷飽和路基濕化變形也隨時間逐漸趨于穩定.

圖7 補充地下水后試槽路基濕化變形

試槽路基的濕化變形主要是由于路基底部第一層和第二層發生變化引起的，其原因仍是因為地下水上升主要是靠細粒料的毛細作用，而風化千枚巖含粗顆粒較多，且孔隙率較大.因此上層路基填料的性質受地下水的影響也比較小，濕化變形也不明顯.

2.2 補充地下水后對試槽路基承載能力變化的影響

由試槽路基承載板試驗結果見圖8.由圖8可見，隨著地下水的補給路基的回彈模量呈現不斷增大的趨勢.分析其原因，隨著補水時間的推移和補水量的不斷增加，千枚巖填料不斷的崩解破碎，在進行承載板測試的時候導致路基不斷趨于密實，再加上之前的承載板測試對路基有壓實作用，之后測試的路基回彈模量呈增長趨勢.第二次和第三次補水后路基的回彈模量都發生衰減，是由于補水使路基的含水率暫時增大，濕化變形量回彈，路基的壓實度也隨之降低，故導致回彈模量呈現衰減現象.

圖8 補充地下水后路基回彈模量變化

在多次補充地下水后路基回彈模量總體呈增長趨勢，其原因是試驗條件對結果有一定的影響，承載板測試是在同一測試點上進行的，路基在不斷被壓實，多次歷史應力的影響使地下水對路基的影響不降反升.每一次荷載作用都會使路基填料逐漸趨于密實，因而在下一次荷載板測試時，所產生的永久變形占回彈變形的比例較前一次有所降低.風化千枚巖填料的粗粒料所占比重比較大，因此路基的孔隙率較大，毛細水作用較弱，地下水上升的高度有限，因此地下水補給沒有引起路基承載能力的衰減.

試槽路基距地表10cm 的第五層和30cm 處的第六層受地表水影響最大，通過這2層水分的變化可以分析地表水的下滲情況.

圖9為補充地表水引起的路基內部水分變化.由圖9可見，補充地表水后，水分下滲的速度很快，經過3次補水，路基頂面以下10cm 處路基含水率達到飽和狀態；路基頂面以下30cm 處路基含水率在累計補充補充地表水量達到30L時，達到了飽和狀態.

圖9 補充地表水引起的路基內部水分變化

圖10為補充地表水后試槽路基混化變形.由圖10可見，隨著承載板試驗次數的增加，試槽路基的濕化變形累計增加，并且濕化變形隨著補水速率的增快也相應加快，根據試槽路基的濕化變形特性，補水速率越快，由于路基的孔隙率比較大，水分滲入路基的深度就越大；當整個路基含水率達到飽和狀態時，路基的濕化變形趨于穩定.

圖10 補充地表水后試槽路基濕化變形

2.3 補充地表水后對試槽路基回彈模量變化的影響

圖11為補充地表水后試槽路基的回彈模量變化曲線.由圖11可見，路基回彈模量整體呈現衰減趨勢.與初始回彈模量相比，最終回彈模量衰減了70%左右.其原因是地表水在重力作用下，由于風化千枚巖填筑的路基孔隙率比較大，下滲的深度大，影響范圍比較深.風化千枚巖在遇水時發生崩解破碎，強度大幅度降低.隨著補水次數的增加和時間的推移，強度整體不斷衰減.隨著地表水的不斷補水，路基含水率也不斷趨于飽和，使壓實度降低，也導致了路基回彈模量的大幅度衰減.

圖11 補充地表水后路基回彈模量變化

3 結束語

補充地下水時由于千枚巖填料路基的孔隙率比較大，水分上升高度較小，對路基上層的含水率影響較小，承載板測試的過程中對路基起到不斷壓實的作用，路基回彈模量出現增大趨勢；補充地表水時由于路基孔隙大，同時在水的自重下水分下滲深度也大，導致回彈模量明顯衰減.表明了地表水對路基的影響要比地下水更為明顯.

［1］鄭小忠.千枚巖風化土作為路基填料的室內試驗研究［J］.中國水運，2011，11（2）：200-201.

［2］鄭 達，巨能攀.巖巖石微觀破裂機理與斷裂特征研究［J］.工程地質學報2011，19（3）：317-322.

［3］但漢成，李 亮，胡 萍，等.枚狀板巖CBR 特征及影響因素分析［J］.長江科學院院報，2013，26（8）：41-45.

［4］毛雪松，周雷剛，馬 骉，等.強風化千枚巖填筑路基改良技術研究［J］.中國公路學報，2012，25（2）：20-26.

［5］毛雪松，鄭小忠，馬 骉，等.風化千枚巖填筑路基濕化變形現場試驗分析［J］.巖土力學，2011，32（8）：2300-2306.

［6］劉新喜，夏元友，劉祖德，等.化軟巖路基填筑適宜性研究［J］.巖土力學，2006，27（6）：903-907.

［7］交通部公路科學研究院.公路土工試驗規程JTJE40-2007［S］.北京：人民交通出版社，2007.