黑龍江寒區頁巖路基病害形成機理分析

蘇楠，張振亞，王銳，張宏鍇，邵美鈞，劉宏慶，敖彬

（1.東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.東北林業大學工程技術學院，黑龍江 哈爾濱 150040；3.東北林業大學林學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

頁巖是一種由黏土脫水膠結而成的黏土巖，由黏土物質硬化形成的微小顆粒極易分裂成為明顯的巖層[1]。其成分復雜，由許多碎屑礦物(如石英、長石、云母等)、自生礦物(如鐵、錳的氧化物與氨氧化物等)以及黏土礦物(如高嶺石、蒙脫石、水云母、拜來石等)組成。具有明顯的頁狀或薄片狀層理，被硬物擊打后易成碎片，是由黏土物質經壓實、脫水、重結晶后形成的。頁巖極容易被風化，風化后呈松土狀，溫度與水是導致頁巖產生風化作用的兩個關鍵因素，物理風化和化學風化則是頁巖的主要風化類型[2]。頁巖具有膨脹性、極易風化、遇水軟化、強度衰減較大、分布不均、成分不均、性質不均等特點[3]，在我國分布主要集中在云南、貴州、廣西等西部地區。隨著中俄貿易往來頻繁，黑龍江省交通設施建設蓬勃發展，公路建設逐漸開始途經含頁巖分布區域，若將其棄之不用，不僅將大幅增加工程成本，還不利于對環境的保護。因而在路基建設中如途經頁巖路段，應盡可能采用頁巖作為筑路材料。本文結合黑龍江省省道前進至胡吉吐莫公路前進至通北段改擴建項目所途經的頁巖路段，對頁巖作為公路工程路基填筑材料時容易產生的病害及形成機理進行分析總結，旨在為黑龍江省寒區頁巖路段公路工程建設與養護提供參考，助力實現2030年“碳達峰”的目標。

1 頁巖基本物理力學性質

在黑龍江省道前進至胡吉吐莫公路前進至通北段改擴建項目途經頁巖區域進行頁巖取樣，所取頁巖抗壓強度為26MPa＜30MPa，故屬于軟巖，主要物理指標包括比重、顆粒分析、液塑限、最佳含水率、最大干密度和承載比等。依據規范《公路土工試驗規程》（JTG 3430-2020）[4]，通過比重瓶法（T0112-1993）、顆粒分析（T0015-1993 篩分法、T0116-2007 密度計法）、液塑限聯合測定法（T0118-2007）、擊實試驗（T0131-2019）與承載比試驗（T0134-2019）的方法分別對頁巖進行相應試驗，土樣的相應測定參數見表1、顆粒分析見圖1。

表1 頁巖基本物理性質參數

圖1 顆粒分析

從表1 可以看出，頁巖的塑性指數小于26、液限小于50%、加州承載比CBR 為6.8，通過《公路路基設計規范》（JTG D30-2015）[5]對路基填料的要求可知，該頁巖適用于二級公路路基填料。

2 崩解病害形成機理

崩解是指巖石與水相互作用時會失去黏結力，水化過程中削弱巖石內部的結構連結，使其變成一種完全喪失強度的松散物質。頁巖具有復雜的崩解性[6]，未完全崩解穩定的頁巖填料在其失水狀態下會容易收縮開裂，而遇水后極易吸水膨脹發生崩解。當其用于公路建設時，長久裸露于空氣之中，在雨水和晝夜溫差的共同作用下致使強度降低直至泥化和崩解，使公路路堤強度降低而引起路堤的沉降變形。因此頁巖路堤在填筑施工前，要注意使炭質頁巖填料完全崩解。中壓縮性土是頁巖崩解后的產物，在邊坡開挖后，新的巖體在自然環境中長期暴露會造成巖體破碎并降低頁巖強度，導致新開挖的邊坡較易失穩。頁巖的崩解性對道路沿線的交通將造成較大的安全隱患，易造成交通事故與人員傷亡，給國民帶來經濟損失及生命安全威脅。當頁巖作為路基填料時，為了保證填筑效果，應先進行預崩解。

將選取的頁巖巖塊放置到托盤中，對頁巖進行干濕循環預崩解。具體試驗方法參考張宏鍇等[7]研究方案，即室內進行烘干（105°烘箱中8h 以上至恒重）→冷卻至室溫→浸水（24h）→烘干（105°烘箱中8h 以上至恒重）為完成一次干濕循環，每完成一次崩解依據《公路土工試驗規程》（JTG 3430-2020）規范中的T0015-1993 篩分法進行顆粒篩分試驗，首先對試樣進行篩分，采用從小到大 依 次 為 0.075mm、0.250mm、0.500mm、1.000mm、2.000mm、5.000mm、10.000mm、20.000mm、40.000mm 的規格的標準篩，記錄每次試樣顆粒級配情況，并與上一次的實測結果進行對比，直至篩分結果基本穩定為止，此時的狀態判定為崩解完成，如圖2 所示。針對沿線區域頁巖進行崩解的試驗結果表明，頁巖崩解時變化主要集中在前3 個周期，崩解在7 次干濕循環后，基本崩解完成，此時可得到較為合適當作路基填筑材料的頁巖。

圖2 室內崩解試驗

3 凍融病害形成機理

土中水凍結變成冰，體積增大9%，當土中水體積膨脹足以引起土顆粒之間相對位移時就形成土的體積膨脹，稱為土的凍脹[8]。由于頁巖自身含親水礦物，在大氣降水等外界因素影響下遇水后極易吸收，在黑龍江省受寒區復雜凍融的氣候環境下，頁巖作為路基填筑材料，夏季在大氣降水及周圍環境的影響下，如沒有做好有效的路基隔水與排水等相應措施，雨水滲入到親水性較好的頁巖路基中，將影響其工程性質。進入冬季，大氣溫度降低，浸入到頁巖路基填料的自由水開始凍結，在水凍結成冰的過程中伴隨著土體膨脹，而隨著溫度的進一步降低，在土中毛細孔隙的影響下，未凍結的自由水會不斷向已凍結的區域遷移集聚，凍脹現象逐步增大。地基土或路基土會因凍脹而產生凍脹力，在凍脹力大于上覆路基荷載作用時，地基或路基將會產生隆起變形。在這種反復凍融循環的作用下，土中孔隙逐漸增大，土體強度逐漸降低，導致路基穩定性變差，路基容易出現隆起或坑槽病害，進而會反射到路面結構層，路面易形成橫向裂縫、縱向裂縫及波浪等病害，影響正常的道路使用，甚至危及駕駛員的人身安全。

土體破壞主要是由于其抗剪強度小于其在外力作用下的局部受力，導致土體的一部分對另外一部分產生相對滑動，使土體的整體性遭到嚴重破壞。土的抗剪強度通常由束縛水膜的分子和膠結物所產生的黏聚力c 及土顆粒之間的內摩擦角φ 來評價，用于估算地基承載力和確定地基穩定性。為了探究凍融循環次數對頁巖力學性質的影響，需以抗剪強度摩擦角φ和黏聚力c為研究參數，在最大干密度及最佳含水率的條件下，按土的體積-質量的關系制備試樣，試樣高20.0mm，直徑61.8mm。試驗時取過2.0mm 篩的篩下碾碎風干土做試驗。由壓力機靜壓成型后，調節低溫試驗箱溫度至黑龍江省北安冬季平均氣溫-15℃并將試件放入，進行凍結時間24h、融化24h 為一次的凍融循環，凍融循環次數參考楊愛武等[9]的研究方案，采用選取0、1、3、5、7、9、11、13 作為凍融循環次數，并分別對試件進行不同凍融循環次數的直接剪切試驗。采用應變控制式直剪儀，在剪切速度為0.8mm/min 的條件下進行抗剪強度試驗。試驗結果見表2，圖3為不同凍融次數與黏聚力的關系曲線，不同凍融次數與內摩擦角的關系曲線如圖4所示。

表2 不同凍融循環次數的c和φ值

圖3 不同凍融次數與黏聚力c的關系曲線

圖4 不同凍融次數與內摩擦角φ的關系曲線

從圖3和圖4中可以看出，在凍融循環次數增加的過程中，土的抗剪強度指標黏聚力c與內摩擦角φ逐漸降低，在前3 次凍融循環影響下黏聚力c 與內摩擦角φ 下降斜率明顯大于后者，黏聚力降低了80.5kPa，內摩擦角降低了5.2°；從第7 次凍融循環開始斜率明顯趨緩，黏聚力降低了21.9kPa，內摩擦角降低了3°。說明頁巖作為路基填料在前5 次凍融循環下黏聚力c 與內摩擦角φ 下降較為明顯，并在第6 次凍融循環之后下降趨于平緩。

綜上可知，凍融對路基和邊坡的穩定性將會產生直接影響，導致路基承載力降低或路基開裂，進而反射到基層和面層，導致路面開裂，不僅嚴重影響道路的服務水平以及車輛運行的平穩性與安全性，還會導致路基邊坡滑塌等工程危害，隨時有可能損害沿線公路、橋涵等設施。對于黑龍江省該頁巖區修筑的公路，在凍融循環前5 年內需著重注意路基病害的防治。

4 邊坡滑塌形成機理

邊坡滑塌是由于暴露在自然環境中的路基坡面受到雨水的滲入及坡腳受到雨水或地下徑流長期的浸泡，特別是頁巖自身含親水礦物，導致在外界自由水的影響下，組成邊坡的巖土體物理力學性質會發生變化，導致邊坡土體失穩，進而形成邊坡滑塌等地質災害。這不僅影響道路通行，嚴重者會給駕駛人員的人身安全及生命帶來極大的安全隱患。頁巖邊坡滑塌主要是因為頁巖是一種容易風化崩解、強度較低且具有一定膨脹性的軟巖，在公路工程建設動工之前，巖體往往都表現較為完整，力學性能較好。而在工程建設過程中，工程機械的開挖破壞了原有頁巖穩定的自然狀態，并且部分巖體長時間裸露在大氣自然環境中，隨著頁巖不斷地受到雨水和日照的影響，形成干濕循環，導致其結構和力學性質共同發生變化，在巖體內局部出現疏散現象，對邊坡的穩定性產生影響，進而導致邊坡的滑塌。

5 地基沉降形成機理

地基沉降是指地基土層在附加應力作用下壓密而引起的地基表面下沉。當頁巖作為建筑物的地基時，很容易產生比較大的不均勻沉降，會使建筑物發生傾斜、開裂以至于不能正常使用。頁巖發生地基沉降變形的根本原因是因為其壓縮模量小[10]。地基沉降變形另一原因是由于頁巖填料自身的壓縮變形，頁巖作為填料時，在外荷載的作用下其顆粒發生位移。由于地基具有一定的承載力，地基沉降在路堤填筑初期時表現形式為類似彈性變形，但頁巖填料隨著路堤的逐漸填筑，其干密度較大并且自重大，這便使得地基土很快就進入了強化階段，地基土體結構有可能被路堤的自重破壞，土顆粒在路堤重力作用下重排形成新的結構，而發生沉降變形。路基填筑后極易形成不均勻沉降，從而導致路基剪切、滑動破壞等現象，造成路基失穩及震陷，影響公路工程路基強度以及穩定性。

6 結論

隨著中俄貿易往來頻繁，黑龍江省交通設施建設蓬勃發展，在公路建設過程中將不可避免地途經富含頁巖分布的區域，由于頁巖自身性質的原因決定了其當作路基填料必定將會有很多不足的地方。可如果棄之不用的話，不僅會導致其占用大量土地，浪費寶貴的土地資源，同時還會對環境造成污染，更會增加公路建設成本。而且過多頁巖的棄渣，在暴雨季節還會引發滑坡、泥石流等地質災害，威脅人民的人身安全。本文結合黑龍江省省道前進至胡吉吐莫公路頁巖分布路段，針對頁巖作為建設材料在公路工程中會發生的病害形成機理進行分析，充分掌握頁巖的特性及其危害，為公路工程修建提出的防治措施提供依據，大大提升黑龍江公路建設的經濟環保性，在節約土地資源、節約投資成本同時對可持續發展做出貢獻。