干濕循環作用下水泥改良粉砂巖土路基填料路用性能研究

陳文　韋建飛　黎兆端　徐婧　寧國梁

作者簡介：陳 文（1991—），助理工程師，主要從事公路工程項目管理工作。

摘要：為了解廣西寧明地區公路路基填料干濕循環后的不良工程特性，文章采用水泥對路基填料進行改良，研究改良填料在干濕循環后的工程特性，并根據擊實試驗得到的最佳含水率對改良填料試樣進行崩解性、無側限抗壓強度、承載比、三軸試驗研究。結果表明：水泥作為一種改良劑，能夠減小路基填料崩解性，提高承載比、無側限抗壓強度、三軸試驗峰值應力與彈性模量;而干濕循環作用則與之相反，干濕循環作用前3次劣化作用最為顯著，隨著循環次數繼續增加，其劣化作用逐漸減弱;不同摻量的水泥均能極大地提高填料抵抗干濕循環產生劣化作用的能力;水泥摻量越大，路基填料工程特性越好，但考慮到經濟因素，以摻比5%為最優。

關鍵詞：路基工程;水泥改良;粉砂巖;干濕循環;填料性能

中國分類號：U416.1+1A150526

0 引言

寧明地區公路沿線多山地，出露地層巖性主要以侏羅系粉砂巖為主，巖層較破碎，節理裂隙發育，巖石為風化程度不一、強度較低的軟巖，巖體抗水性較弱。考慮到山區道路修建過程中常需要進行路塹修建，易產生大量挖方，加之山區道路狹窄險峻，運出挖方成為一大難題，且路基填料的運進也不方便。為解決路基填料與挖方運輸難題，也為了保護環境、節約資源與成本，公路路基采用粉砂巖挖方為填料進行填筑。但將壓碎后的巖土用作填料會產生路基不均勻沉降、承載力不足等問題，而且寧明地區氣候終年高溫多雨，易使路基填料處于周期性失水-吸水過程中，進一步加劇了不良工程地質問題的產生。因此有必要對巖土填料進行改良，并進一步研究其在干濕循環作用下的力學特性。

近年來，越來越多的山區公路開工建設，出現了很多采用改良巖土填筑路基的案例，眾多學者對此進行了相關研究。毛雪松等[1][2]研究了浸水后風化千枚巖填筑路基的穩定性，并用水泥改良強風化千枚巖路基填料，隨著水泥摻量的增加，填筑路基力學性能逐漸改善，且均能夠滿足高速公路路基填筑要求。祝艷波等[3]分別用水泥、石灰、粉煤灰對泥巖路基土進行改良，并對改良后的路基土進行了一系列土工試驗，發現水泥、石灰、粉煤灰對路基土改良效果逐漸降低。馮卡等[4]建立了基于液性指數的無側限抗壓強度預測模型，能夠預測不同水泥摻量下路基土的無側限抗壓強度，為實際工程中水泥用量提供參考依據。蔣應軍等[5]對水泥改良后的黃土路基進行干濕循環試驗，并研究干濕循環后改良黃土的抗壓強度，發現干濕循環作用降低了抗壓強度，但在循環15次后趨于穩定。趙明華等[6]基于大型模擬試驗路堤及實體工程試驗路段，研究了紅砂巖作為路用材料的路堤填筑技術，為紅砂巖地區高速公路路堤填筑提供了可靠的技術保證。綜上所述，已有研究主要對改良后的路基填料進行力學性能測試，較少考慮干濕循環作用的影響，因此亟待開展干濕循環作用下改良路基填料的力學特性研究。

本文選取廣西寧明地區公路粉砂巖路基填料為研究對象，采用不同水泥摻量（3%、5%、7%）來進行改良，并對改良后的路基填料進行不同循環次數（0、1、3、5、10）的干濕循環，再將干濕循環作用后的改良路基填料進行崩解試驗、無側限抗壓強度試驗、承載比試驗、三軸試驗，研究干濕循環作用下改良路基填料工程力學特性。

1 試驗方案

1.1 試樣及物理特性

試驗土樣取自廣西寧明地區公路沿線粉砂巖。根據現場地質勘察可知，填料為侏羅紀那蕩群粉砂巖，巖性為灰色、淺黃色、紫灰色，粉砂狀結構，質地較軟。采用X射線衍射儀（XRD）對粉砂巖進行礦物成分分析，測得該粉砂巖主要成分為72.12%的石英（Q）、12.58%的長石（P）、7.25%云母（M）、2.93%方解石（C）、5.12%高嶺石（K）（如圖1所示）。

根據《公路土工試驗規程》[7]對填料進行土工試驗，得到巖土顆粒級配曲線（如圖2所示）。由圖2可知，d10、d30、d60對應的粒徑分別為0.025 mm、0.2 mm、0.8 mm，由式（1）、式（2）計算可得填料不均勻系數Cc為2、曲率系數Cu為32，滿足路基填料不均勻系數Cu≥5、曲率系數Cc=1～3的要求，屬于級配良好的土。采用P[KG-1.5mm]·O 32.5普通硅酸鹽水泥對填料進行改良，水泥摻量分別為3%、5%、7%（質量比）。將原狀填料及改良填料進行擊實試驗，分別得到最佳含水率與最大干密度（見表1）。擊實曲線如圖3所示。

1.2 試驗過程

按照擊實試驗得到的最佳含水率和最大干密度對原狀填料和水泥摻量分別為3%、5%、7%的改良填料進行試樣制備，記錄質量為m0。為模擬填料真實吸水-失水過程，采用自然浸水飽和與風干的方法對制備的試樣進行循環次數為0（未進行干濕循環試驗）、1、3、5、10次的干濕循環試驗：（1）將制備好的試樣浸沒于25 ℃水中進行自然飽和48 h;（2）將完成步驟（1）的試樣放置在陰涼通風處進行風干，每隔1 h進行一次質量稱取，直至質量在m0±5 g時停止風干;（3）記完成步驟（1）、步驟（2）過程為1次干濕循環試驗。對完成干濕循環后的試樣進行崩解性試驗、無側限抗壓強度試驗、承載比試驗、三軸試驗。

2 結果與分析

2.1 崩解性試驗

將完成不同干濕循環作用次數的填料置于耐崩解試驗儀中進行崩解性試驗，崩解率如圖4所示（原狀填料崩解性極強，各干濕循環次數下均完全崩解，考慮到比例原因，未在圖中畫出）。隨著干濕循環次數增加，各水泥摻量改良填料崩解率均增加，且前3次干濕循環時崩解速率較快。同一干濕循環次數下，改良填料水泥摻量越大，崩解率越小，耐崩解性越好。相較于原狀填料完全崩解的現象，各水泥摻量改良填料崩解率均極小，最大值為0.46%。原因在于水泥是一種水硬性無機膠凝材料，能夠使得改良填料形成堅固、緊密的結構，有效地提高了改良填料的耐崩解性，滿足路基填筑要求。

2.2 無側限抗壓強度試驗

根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》[8]要求，取標準養護條件下7 d后的改良填料進行無側限抗壓強度試驗。不同干濕循環次數下各水泥摻量改良填料無側限抗壓強度變化曲線如圖5所示。隨著干濕循環次數的增加，各水泥摻量改良填料無側限抗壓強度均減小，且前3次干濕循環時衰減速率較快。同一干濕循環次數下，改良填料無側限抗壓強度隨水泥摻量增加而增大，但增長率逐漸放緩，且3%、5%、7%水泥摻量改良填料無側限抗壓強度分別為原狀土無側限抗壓強度的4.85、6.82、7.12倍，表明水泥作為一種改良劑有效地提高了路基填料的無側限抗壓強度，滿足路基填筑要求。

2.3 承載比試驗

根據《公路路基設計規范》[9]可知二級公路CBR≥6%，不同干濕循環次數下各水泥摻量改良填料承載比貫入試驗曲線如圖6所示。隨著水泥摻量的增加，同一貫入量值對應的單位壓力逐漸增大，以干濕循環次數n=3為例，貫入量為5 mm時，水泥摻量為0、3%、5%、7%對應的單位壓力分別為709.92 kPa、8 865.53 kPa、18 558.41 kPa、24 375.03 kPa，對應的CBR值分別為5.76%、84.43%、176.75%、232.14%，不同水泥摻比試樣分別為原狀填料單位壓力的12.48、26.14、34.34倍。由此可知原狀填料不滿足CBR值要求，但水泥能夠有效提高填料CBR值。隨著干濕循環次數增加，各水泥摻量改良填料同一貫入量值對應的單位壓力逐漸減小，且前3次干濕循環時衰減速率較快，以水泥摻量5%、貫入量5 mm為例，不同循環次數后（n=1、3、5、10）的單位壓力衰減率分別為10.8%、3.1%、1.1%、1.0%，表明干濕循環的劣化作用逐漸減弱。前3次干濕循環后，各水泥摻量改良填料貫入量為5 mm時對應的單位壓力衰減率分別為45.2%、25.3%、13.6%、7.8%。由此可知水泥作為一種改良劑有效地提高了試樣抗干濕循環劣化作用，滿足路基填筑要求。

[XCmh6.EPS;%48%48;P][TS（][HT9.SS][JZ]（a）0%水泥摻量[TS）][JY]

[XCmh7.EPS;%48%48;P][TS（][HT9.SS][JZ]（b）3%水泥摻量[TS）]

[XCmh8.EPS;%48%48;P][TS（][HT9.SS][JZ]（c）5%水泥摻量[TS）][JY]

[XCmh9.EPS;%48%48;P][TS（][HT9.SS][JZ]（d）7%水泥摻量[TS）]

[JZ][HT9.H]圖6 改良填料單位壓力與貫入量關系變化曲線圖

2.4 三軸試驗

不同水泥摻量下改良填料三軸試驗應力-應變曲線如圖7～10所示，可知應力-應變曲線可分為5個階段[10]。

（1）壓縮階段：改良填料試樣內部初始裂紋在荷載作用開始時閉合，應力隨著應變增加緩慢增大，應力-應變曲線呈現出下凹型。

（2）彈性階段：隨著荷載進一步增大，改良填料試樣內部初始裂紋閉合完畢，試樣巖土顆粒作為骨架開始承受荷載，巖土顆粒間開始相對錯動并產生新裂紋，應力隨著應變增加線性增長，應力-應變曲線呈現出直線型。

（3）彈塑性階段：荷載作用下產生的裂紋逐漸增大并和初始裂紋融合、貫通，再擴展延伸至試樣表面，應力隨著應變增加緩慢增長，應力-應變曲線呈現出上凸型。

（4）破壞階段：達到峰值強度后，試樣沿裂紋貫通面破壞，應力隨著應變增加急劇下降，應力-應變曲線呈現出直線型。

（5）殘余強度階段：試樣完全破壞后，其承載能力由破壞面之間的摩擦力提供，應力隨著應變增加保持不變，應力-應變曲線呈現出平直線型。

由圖7可知，原狀填料應力-應變曲線壓密階段和破壞階段不明顯，原因在于試驗巖土顆粒較為松散，在荷載作用下較早地出現相對錯動，且塑性變形較大。在圍壓相同的條件下，試樣峰值應力隨著干濕循環次數增加逐漸減小，但衰減率逐漸放緩，且前3次衰減最為顯著。以圍壓25 kPa為例，不同循環次數后（n=1、3、5、10）的峰值應力衰減率分別為31.88%、8.37%、3.94%、4.30%，表明干濕循環的劣化作用逐漸減弱。在干濕循環次數相同的條件下，試樣峰值應力隨著圍壓增加逐漸增大。以循環次數n=3為例，不同圍壓下（σ3=25、50、100 kPa）的峰值應力分別為690.02 kPa、992.27 kPa、1 201.98 kPa，表明增加圍壓能夠有效提高試樣峰值應力。殘余強度變化規律和峰值應力一致。

由下頁圖8～10可知，改良填料水泥摻量不改變應力-應變曲線形式。隨著水泥摻量的增加，試樣峰值應力逐漸增大。以圍壓50 kPa、干濕循環n=3為例，水泥摻量分別為3%、5%、7%時峰值應力較原狀填料分別提高174.20%、228.05%、254.16%，表明增加水泥摻量有效提高了試驗峰值強度。隨著干濕循環次數的增加，試樣峰值應力逐漸減小。以水泥摻量5%、圍壓50 kPa為例，不同循環次數后（n=1、3、5、10）的峰值應力衰減率分別為4.93%、3.18%、1.56%、1.63%，較原狀填料衰減率大幅度減小，表明干濕循環的劣化作用逐漸減弱，且水泥作為一種改良劑有效地提高了試樣抵抗干濕循環產生劣化作用的能力。隨著圍壓增加，試樣峰值應力逐漸增大。以水泥摻量5%、干濕循環n=3為例，不同圍壓下（σ3=25、50、100 kPa）的峰值應力分別為3 037.45 kPa、3 255.11 kPa、3 428.28 kPa，表明增加圍壓能夠有效提高試樣峰值應力。殘余強度變化規律和峰值應力一致。

不同水泥摻量改良填料彈性模量變化曲線如圖11所示。隨著干濕循環次數增加，改良填料彈性模量逐漸減小，前3次變化最為顯著，但整體衰減速率逐漸降低。以5%水泥摻量改良填料為例，圍壓分別為25、50、100 kPa時，干濕循環3次時彈性模量減小率分別為73.9%、83.3%、64.9%，表明干濕循環對改良填料的劣化作用前3次最為顯著，且隨著循環次數的增加呈現出逐漸減弱的趨勢。隨著水泥摻量的增加，改良填料彈性模量逐漸增加。以圍壓25 kPa為例，水泥摻量分別為3%、5%、7%時，初始彈性模量較原狀填料（0水泥摻量）分別提高了189.3%、293.5%、362.3%，表明水泥作為一種改良劑有效地提高了填料的彈性模量。隨著圍壓的增加，改良填料彈性模量逐漸增加。以干濕循環3次為例，水泥摻量分別為0、3%、5%、7%時，圍壓為100 kPa時彈性模量較25 kPa時分別提高了44.5%、11.3%、19.0%、6.7%，表明增加圍壓是提高填料彈性模量的一種有效方式，但效果不如摻入水泥有效。三軸試驗結果表明水泥改良填料能夠滿足路基填筑要求。

3 結語

（1）水泥與干濕循環是路基填料工程特性的重要影響因素。采用水泥作為改良劑對路基填料進行改良，并對改良填料進行干濕循環，再對干濕循環后改良填料進行崩解試驗、無側限抗壓強度試驗、承載比試驗、三軸試驗。試驗結果表明，水泥使得填料的崩解性得到了改善，無側限抗壓強度和承載比指標得到了大幅度提高，三軸試驗峰值應力與彈性模量增幅明顯，而干濕循環作用則與之相反。

（2）干濕循環對路基填料工程特性的劣化作用主要集中在前3次，隨著循環次數的繼續增加，其影響效果越來越弱。水泥改良填料能夠有效地降低干濕循環的劣化作用，不同水泥摻量的改良填料在經歷干濕循環作用后均能夠滿足現場填筑要求。路基填料水泥摻量越高，其工程特性越好，考慮到經濟因素，本文建議選取5%水泥摻量作為最佳摻比。

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