公路路基泥質軟巖填料的力學特性研究

李宏俊 潘少紅 楊建橋

摘 要：結合公路路基對泥質軟巖填料的實際應用需求，考察了泥質軟巖填料的擊實、承載比、直剪和固化性能。結果表明，當P5分別為50%、70%和90%時，泥質軟巖填料的最佳含水率分別為9.86%、9.20%和8.74%，對應的最大干密度分別為1.984g/cm3、2.144g/cm3和2.177g/cm3，擊實后P5為50%、70%和90%的試件的不均勻系數分別增加至26.26、22.11和21.32，級配明顯改善;壓實度分別為93%、94%和96%的試件的承載比平均值分別為12.1%、18.2%和25.3%;在相同的垂直壓力下，壓實度更大的泥質軟巖填料試件的剪切強度會更大。當軸向應力分別為200kPa、400kPa和800kPa時，浸水后泥質軟巖填料試件的濕化變形率分別為1.96%、2.67%和3.00%;浸水后泥質軟巖填料試件的濕化變形率會隨著軸向壓力增加而增大，但是壓實度為93%時浸水后泥質軟巖填料試件的濕化變形率整體不高。

關鍵詞：公路路基;泥質軟巖填料;承載比;直剪;固化

中圖分類號：U416.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1001-5922（2021）07-0058-05

Study on Mechanical Characteristics of Soft Rock Filling in Highway Subgrade

Li Hongjun， Pan Shaohong， Yang Jianqiao

（Yunnan Land and Resources Vocational College， Kunming 652501， China）

Abstract：The coMPaction， load bearing ratio， direct shear and curing properties of the argillite soft rock fillers were investigated according to the practical application requirements of the highway subgrade for argillaceous soft rock filler. The results show that when P5 is 50%， 70% and 90%， the optimal moisture content of the argillaceous soft rock filler is 9.86%， 9.20% and 8.74%， and the corresponding maximum dry density is 1.984g/cm3， 2.144g/cm3 and 2.177g/cm3， respectively. After coMPaction， the non-uniformity coefficient of the specimens with P5 being 50%， 70% and 90% increases to 26.26， 22.11 and 21.32， and the grading is significantly improved. The average load bearing ratios of the specimens with the coMPaction density of 93%， 94% and 96% were 12.1%， 18.2% and 25.3%， respectively. Under the same vertical pressure， the shear strength of argillaceous soft rock packing specimens with higher coMPacted density will be greater. When the axial stress was 200kPa， 400kPa and 800kPa respectively， the wet deformation rates of muddy soft rock packing specimens after immersion were 1.96%， 2.67% and 3.00% respectively. The wet deformation rate of muddy soft rock packing specimen increases with the increase of axial pressure， but the wet deformation rate of the argillaceous soft rock filler specimen after immersion in water is not high overall when the coMPaction density is 93%.

Key words：highway roadbed; argillaceous soft rock filler; bearing ratio; direct shear; solidification

泥質軟巖在我國西南和西北地區有廣泛分布，在公路建設極大推廣的應用背景下，如何將泥質軟巖作為填料使用來解決目前填料匱乏的現狀[1]，不僅可以降低公路路基建設成本，還可以減少對耕地等資源的占用，是非常值得研究的課題[2-3]。雖然將泥質軟巖應用在公路路基中具有較好的社會效益、經濟效益和環境效益，但是實際應用過程中由于泥質軟巖的強度較低以及風化程度較高等缺陷，容易在完工后造成路基沉降以及開裂等現象[4-7]，因此，需要對泥質軟巖的力學特性進行研究，包括擊實特性、剪切強度和壓縮固結特性等，結果將有助于泥質軟巖在公路路基工程中的廣泛應用，并具有重要的現實意義。

1 材料與方法

試驗用泥質軟巖為某公路施工現場取得的路基填料（松散碎石土及松軟粘性土及強風化巖層組成），主要礦物組成為（質量分數，%）：60.73SiO2、20.12Al2O3、7.10Fe2O3、5.38CaO、1.98K2O、2.33MgO、0.54TiO2、0.12Na2O，余量為其它。

采用TDJ-III型多功能電動擊實儀對泥質軟巖進行擊實試驗，共設計了3組試件，分別為P5（粒徑大于或等于5mm的含量）為50%、70%和90%，分別測試不同試件的干密度-含水率曲線[8];根據JTG-D30-2015《公路路基設計規范》對承載力的要求，設計了承載比為93%、94%和96%的3組試件進行承載比試驗（試件持續浸泡96h后開始貫入）[9]，設備為MTS-810型液壓伺服萬能拉伸試驗機，泥巖承載力基本容許值為400kPa;采用如圖1所示的直剪儀裝置進行泥質軟巖填料試件的剪切強度測試，根據JTG/D30-2015《公路路基設計規范》設計壓實度分別為93%、94%和96%的平行試件，以0.5mm/min的加載速率進行剪切試驗，并記錄剪切過程中的剪應力等，并由此計算得到剪切強度[10];采用1000kN的微機控制式固結儀對泥質軟巖填料進行壓縮固結試驗，加載載荷從0至800MPa，加載過程中記錄泥質軟巖填料試件的壓力和壓縮變形量等數據。

2 試驗結果與分析

2.1 擊實試驗

圖2為泥質軟巖填料的干密度與含水率的關系曲線。可見，在3種不同的P5條件下，泥質軟巖填料的干密度都會隨著含水率增加而先升高后降低，在中間某一含水率時取得干密度最大值。通過優化分析可知，當P5分別為50%、70%和90%時，泥質軟巖填料的最佳含水率分別為9.86%、9.20%和8.74%，對應的最大干密度分別為1.984g/cm3、2.144g/cm3和2.177g/cm3。

圖3為泥質軟巖填料擊實前后的級配曲線。當P5為50%時，擊實前后小于某粒徑的質量百分數都呈現逐漸增加的趨勢，但是在相同顆粒粒徑下，擊實后小于某粒徑的質量百分數要高于擊實后的試件;當P5為70%時，擊實前后小于某粒徑的質量百分數也呈現逐漸增加的趨勢，在相同顆粒粒徑下，擊實后小于某粒徑的質量百分數同樣高于擊實后的試件;增加P5為90%時，擊實前后小于某粒徑的質量百分數也呈現逐漸增加的趨勢，在相同顆粒粒徑下，擊實后小于某粒徑的質量百分數高于擊實后的試件。對分分析可知，不同P5條件下，擊實前后小于某粒徑的質量百分數隨著顆粒粒徑的變化趨勢基本相同。

表1為實前后泥質軟巖的級配參數統計結果，其中，Cu和CC分別為不均勻系數和曲率系數。對比分析可知，當P5分別為50%、70%和90%時，擊實后的P5分別減小為30%、45%和54%，且擊實后的不均勻系數都相較擊實前有明顯增大。從不均勻系數測試結果可知，在灑水和擊實作用下，3組不同P5試件的大粒徑顆粒含量都有不同程度降低，擊實后P5為50%、70%和90%的試件的不均勻系數分別增加至26.26、22.11和21.32，級配明顯改善。

2.2 承載比

對壓實度分別為93%、94%和96%的試件進行平均膨脹量測試，結果表明，壓實度分別為93%、94%和96%的試件的平均膨脹量分別為1.40%、1.14%和0.85%，即泥質軟巖填料的浸水膨脹量會隨著壓實度增加而逐漸減小，究其原因，這主要是因為壓實度的增加會使得試件的干密度增大、孔隙比減小所致[11]。

圖4為泥質軟巖填料的貫入量-壓力曲線。對比分析可知，在不同壓實度下，泥質軟巖填料的貫入量都會隨著單位壓力的增加而逐漸增加，但是開始加壓時的曲線會較為平緩，而加載末端曲線的斜率會增大。根據泥質軟巖填料的貫入量-壓力曲線可以得到不同壓實度下3組試件的承載比平均值，壓實度分別為93%、94%和96%的試件的承載比平均值分別為12.1%、18.2%和25.3%，由此可見，泥質軟巖填料的承載比會隨著壓實度增加而增大。

2.3 直剪試驗

圖5 為泥質軟巖填料試件的剪切強度與垂直壓力的對應關系曲線，圖中分別列出了壓實度為93%、94%和96%時泥質軟巖填料試件的剪切強度與垂直壓力的線性擬合曲線。可見，壓實度為93%、94%和96%時泥質軟巖填料試件的剪切強度與垂直壓力都滿足線性關系，分別為y=0.47149x+84.125、y=0.5422x+85.6和y=0.7308x+100.4。在相同的垂直壓力下，壓實度更大的泥質軟巖填料試件的剪切強度會更大。

2.4 固結試驗

根據DL/T 5356―2006《水電水利工程粗粒土試驗規程》標準進行泥質軟巖填料固結試驗，壓縮固結試驗采用“單線法”進行，分別加載至200kPa、400kPa和800kPa，下一級荷載施加的條件為上一級加載過程中的變形量小于或者等于0.05mm/h;當壓縮固結試驗結束后繼續進行濕化變形試驗，即在最后一級荷載下保載1d，然后在水槽內注水對固化試件進行濕化，在最后一小時變形量小于或者等于0.05mm時停止濕化試驗[12]。表2中列出了泥質軟巖填料試件的壓縮性能，可見荷載與孔隙比、壓縮系數、壓縮模量、體積壓縮系數和壓縮指數的關系。

圖6為泥質軟巖填料的壓縮特性曲線，分別列出了孔隙率-壓力和孔隙比-log（壓力）曲線。從孔隙比-壓力曲線中可知，最大荷載為200kPa、400kPa和800kPa試件的孔隙比都隨著壓力增加而減小;從孔隙比-log（壓力）曲線中可知，最大荷載為200kPa、400kPa和800kPa試件的孔隙比都隨著壓力對數增加而減小。

圖7為浸水前后泥質軟巖填料的變形量與軸向應力的對應關系。可見，當軸向應力分別為200kPa、400kPa和800kPa時，浸水后泥質軟巖填料試件的變形量都高于浸水前試件，且隨著軸向應力增加，浸水前后泥質軟巖填料的變形量都呈現逐漸增加的趨勢。當軸向應力分別為200kPa、400kPa和800kPa時，浸水后泥質軟巖填料試件的濕化變形率分別為1.96%、2.67%和3.00%，可見，浸水后泥質軟巖填料試件的濕化變形率會隨著軸向壓力增加而增大，但是壓實度為93%時浸水后泥質軟巖填料試件的濕化變形率整體不高。

3 結語

（1）當P5分別為50%、70%和90%時，泥質軟巖填料的最佳含水率分別為9.86%、9.20%和8.74%，對應的最大干密度分別為1.984g/cm3、2.144g/cm3和2.177g/cm3。在灑水和擊實作用下，3組不同P5試件的大粒徑顆粒含量都有不同程度降低，擊實后P5為50%、70%和90%的試件的不均勻系數分別增加至26.26、22.11和21.32，級配明顯改善。

（2）壓實度分別為93%、94%和96%的試件的平均膨脹量分別為1.40%、1.14%和0.85%;壓實度分別為93%、94%和96%的試件的承載比平均值分別為12.1%、18.2%和25.3%。

（3）壓實度為93%、94%和96%時泥質軟巖填料試件的剪切強度與垂直壓力都滿足線性關系，分別為y=0.47149x+84.125、y=0.5422x+85.6和y=0.7308x+100.4。在相同的垂直壓力下，壓實度更大的泥質軟巖填料試件的剪切強度會更大。

（4）當軸向應力分別為200kPa、400kPa和800kPa時，浸水后泥質軟巖填料試件的濕化變形率分別為1.96%、2.67%和3.00%;浸水后泥質軟巖填料試件的濕化變形率會隨著軸向壓力增加而增大，但是壓實度為93%時浸水后泥質軟巖填料試件的濕化變形率整體不高。

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