水分对于风化千枚岩填筑试槽路基回弹模量的影响＊

毛雪松 孟庆猛 樊宇朔 郑小忠

（长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室1） 西安 710064）

（中国山东国际经济技术合作公司2） 济南 250000）

0 引 言

风化千枚岩分布的区域，岩体抗风化能力、抗水性及抗变形能力均较差，且遇水、风化作用后强度急剧降低，这些工程性质决定了千枚岩作为路基填料的特殊性.风化千枚岩属于劣质软岩，为解决路堤填料缺乏，弃方占地的问题，以达到节省投资、保护环境的目的，风化千枚岩分布地区常用风化千枚岩作为路基填料［1］.郑达等［2］以金沙江上游泥盆系中统中段的绢云母千枚岩与硅质板状千枚岩为研究对象，揭示了千枚岩微观破裂形式、破裂机理与其矿物组成之间的联系.但汉成等［3］通过对千枚状板岩进行了室内CBR 值试验，从颗粒组成、矿物成分以及泡水时间、最大颗粒粒径和击实次数几方面研究了其对填料CBR 值的影响.毛雪松等［4-5］研究了水泥改良强风化千枚岩填料的力学性能，并在十天高速安康东段试验路现场进行了浸水前后的承载板试验，分析了路基的湿化变形特性.刘新喜等［6］进行了强风化软岩压实特性试验研究，分析了该类材料填筑路基的可行性.通过上述分析可知，对千枚岩的研究主要集中在CBR 值的影响因素以及千枚岩作为路基填料的路用性能的研究，而水分对于千枚岩填料路基回弹模量影响的研究研究甚少.本文采取1m×1m×1.2m 的一维路基模型，进行室内试槽路基模型试验，并结合磨片电镜实验分析了水分对风化千枚岩回弹模量的影响，为相关工程提供了理论参考.

1 试槽路基模型湿化变形室内试验

1.1 填料的工程性质

1.1.1 液限和塑限

对千枚岩填料的液限塑限进行测试.试验前将填料用粉碎机碾碎，过0.5mm 筛，加水拌匀装入容器，并置入保湿箱，湿润时间不少于24h.测得液限WL为19.9%，塑限WP为16.0%，塑性指数IP为3.9.

由文献［7］可知，千枚岩全风化体中的细粒土（粒径＜0.5mm）为低液限粉土.由千枚岩磨片电镜实验结果可以看出：该岩石主要由云母和石英组成，其中白云母和黑云母占50%左右，石英占42%左右.这种土塑性指数小、粘粒含量少、强度和水稳定性差，保水性差，易于下渗，土体板结性较差，仅靠压路机的振动很难达到压实要求，在路基填筑中属劣质填料.

1.1.2 风化千枚岩填料的级配

将千枚岩进行破碎，使其最大粒径不大于60mm，然后进行筛分试验，级配曲线如图1所示.该填料的不均匀系数为18.7，曲率系数为0.58，小于5mm 的粗颗粒约占30%以上，属于级配不良.

图1 填料的初始级配曲线

1.2 试槽路基模型填筑方案

路基一维模型的规格为长1 m，宽1 m，高1.2m.试槽路基分12层填筑，每层厚10cm，下面5层按照下路堤标准填筑，上面7层按照上路堤标准填筑.在奇数层填完后，埋设水分传感器，每层5根，共埋设6层，布设见图2.试槽路基试验箱见图3.

图2 水分传感器布置平、立面示意图

图3 试槽路基试验箱示意图

1.3 路基湿化变形及含水率测试系统

试槽路基湿化变形测试系统（见图4）主要由地下水和地表水补给装置、试槽、加载装置、水分测试和采集系统4部分组成，图5为加载装置.

图4 试槽路基湿化变形测试系统示意图

图5 加载装置

1.4 路基湿化变形补水方案

为了模拟地表水和地下水对路基回弹模量的影响，分别从路基的顶部和底部进行补水.在试槽路基模型底部设置20cm 厚的碎石层，碎石的粒径在5.8cm 左右.碎石层填筑在方形钢槽内，钢槽一侧留有方孔，用来补水.用碎石层水位的上升来模拟地下水上升.

在试槽顶部进行喷头喷水进行地表水补给，补给体积通过连接喷头的上部容器刻度进行控制.

在本试验中模拟地下水和地表水轮流补给模型路基，每次补水5L，每隔24h进行一次水分采集，并进行承载板测试.补水方案见表1～2.

水分监测系统由SOILMOISTURE EQUIPMENT CORP生产的tree system 水分测试仪和水分传感器组成.监测通道60路，测试精度1%，最小采集周期1min.

表1 地下水补给测试方案

表2 地表水补给测试方案

2 试验结果分析

2.1 地下水上升对试槽路基回弹模量的影响

地下水的上升是路基内部含水率增高的主要形式之一，通过碎石层对试槽路基进行地下水补给，测试地下水对路基变形和回弹模量.

1）试槽路基含水率的变化 在本模型中，地下水对试槽路基内部含水率的影响随路基高度的增高不断减小，试槽路基底部埋设水分传感器的第一层和第二层最接近地下水，通过这2层（即地下水位以上10cm），以及第三层（即地下水位以上30cm）以上水分的变化可以分析路基内部含水率随时间的变化情况.

在充分补充地下水后，引起的路基内部水分变化见图6.由图6可见，地下水位以上10cm 处的路基土体含水率在每次补水后都有升高趋势，且很快达到稳定状态；地下水位以上10cm 处路基含水率达到10%左右后趋于稳定，含水率不再升高；地下水位以上30cm 处，在地下水补充充足时，含水率变化不大，略有升高.其原因是地下水上升主要是靠细粒料的毛细作用，而风化千枚岩含粗颗粒较多，且孔隙率较大，因此地下水对风化千枚岩路基上部含水率的影响较小.

图6 补充地下水引起的路基内部水分变化

2）试槽路基湿化变形 受路基底部补水的影响，试槽路基在承载板试验过程中，发生的湿化变形变化见图7.在每次补水后的第一次承载板测试发生的湿化变形最大，然后趋于平稳；在每次补水后路基的湿化变形都会有所增长，随着地下水的补给的不断饱和路基湿化变形也随时间逐渐趋于稳定.

图7 补充地下水后试槽路基湿化变形

试槽路基的湿化变形主要是由于路基底部第一层和第二层发生变化引起的，其原因仍是因为地下水上升主要是靠细粒料的毛细作用，而风化千枚岩含粗颗粒较多，且孔隙率较大.因此上层路基填料的性质受地下水的影响也比较小，湿化变形也不明显.

2.2 补充地下水后对试槽路基承载能力变化的影响

由试槽路基承载板试验结果见图8.由图8可见，随着地下水的补给路基的回弹模量呈现不断增大的趋势.分析其原因，随着补水时间的推移和补水量的不断增加，千枚岩填料不断的崩解破碎，在进行承载板测试的时候导致路基不断趋于密实，再加上之前的承载板测试对路基有压实作用，之后测试的路基回弹模量呈增长趋势.第二次和第三次补水后路基的回弹模量都发生衰减，是由于补水使路基的含水率暂时增大，湿化变形量回弹，路基的压实度也随之降低，故导致回弹模量呈现衰减现象.

图8 补充地下水后路基回弹模量变化

在多次补充地下水后路基回弹模量总体呈增长趋势，其原因是试验条件对结果有一定的影响，承载板测试是在同一测试点上进行的，路基在不断被压实，多次历史应力的影响使地下水对路基的影响不降反升.每一次荷载作用都会使路基填料逐渐趋于密实，因而在下一次荷载板测试时，所产生的永久变形占回弹变形的比例较前一次有所降低.风化千枚岩填料的粗粒料所占比重比较大，因此路基的孔隙率较大，毛细水作用较弱，地下水上升的高度有限，因此地下水补给没有引起路基承载能力的衰减.

试槽路基距地表10cm 的第五层和30cm 处的第六层受地表水影响最大，通过这2层水分的变化可以分析地表水的下渗情况.

图9为补充地表水引起的路基内部水分变化.由图9可见，补充地表水后，水分下渗的速度很快，经过3次补水，路基顶面以下10cm 处路基含水率达到饱和状态；路基顶面以下30cm 处路基含水率在累计补充补充地表水量达到30L时，达到了饱和状态.

图9 补充地表水引起的路基内部水分变化

图10为补充地表水后试槽路基混化变形.由图10可见，随着承载板试验次数的增加，试槽路基的湿化变形累计增加，并且湿化变形随着补水速率的增快也相应加快，根据试槽路基的湿化变形特性，补水速率越快，由于路基的孔隙率比较大，水分渗入路基的深度就越大；当整个路基含水率达到饱和状态时，路基的湿化变形趋于稳定.

图10 补充地表水后试槽路基湿化变形

2.3 补充地表水后对试槽路基回弹模量变化的影响

图11为补充地表水后试槽路基的回弹模量变化曲线.由图11可见，路基回弹模量整体呈现衰减趋势.与初始回弹模量相比，最终回弹模量衰减了70%左右.其原因是地表水在重力作用下，由于风化千枚岩填筑的路基孔隙率比较大，下渗的深度大，影响范围比较深.风化千枚岩在遇水时发生崩解破碎，强度大幅度降低.随着补水次数的增加和时间的推移，强度整体不断衰减.随着地表水的不断补水，路基含水率也不断趋于饱和，使压实度降低，也导致了路基回弹模量的大幅度衰减.

图11 补充地表水后路基回弹模量变化

3 结束语

补充地下水时由于千枚岩填料路基的孔隙率比较大，水分上升高度较小，对路基上层的含水率影响较小，承载板测试的过程中对路基起到不断压实的作用，路基回弹模量出现增大趋势；补充地表水时由于路基孔隙大，同时在水的自重下水分下渗深度也大，导致回弹模量明显衰减.表明了地表水对路基的影响要比地下水更为明显.

［1］郑小忠.千枚岩风化土作为路基填料的室内试验研究［J］.中国水运，2011，11（2）：200-201.

［2］郑 达，巨能攀.岩岩石微观破裂机理与断裂特征研究［J］.工程地质学报2011，19（3）：317-322.

［3］但汉成，李 亮，胡 萍，等.枚状板岩CBR 特征及影响因素分析［J］.长江科学院院报，2013，26（8）：41-45.

［4］毛雪松，周雷刚，马 骉，等.强风化千枚岩填筑路基改良技术研究［J］.中国公路学报，2012，25（2）：20-26.

［5］毛雪松，郑小忠，马 骉，等.风化千枚岩填筑路基湿化变形现场试验分析［J］.岩土力学，2011，32（8）：2300-2306.

［6］刘新喜，夏元友，刘祖德，等.化软岩路基填筑适宜性研究［J］.岩土力学，2006，27（6）：903-907.

［7］交通部公路科学研究院.公路土工试验规程JTJE40-2007［S］.北京：人民交通出版社，2007.