改良千枚巖填料壓縮特性試驗分析

張 揚

(莆田市生態水系建設投資管理有限公司,福建 莆田 351106)

擁有湄洲灣、平海灣及興化灣的莆田持續進行港口基礎設施建設，拓展其港口經濟腹地[1]；在山區河流修建港口、道路等涉水工程時，用陸側開挖料填筑涉水側空間的措施來增加使用面積[2]。莆田某港口出露地層以千枚巖、凝灰巖及粉砂質片巖為主，巖體節理裂隙發育、易風化，水穩定性及強度均較低。若受山區地形狹長、優質填料短缺等限制，考慮部分采用軟巖開挖料作為涉水側的填方料。千枚巖等屬工程軟巖，其破碎料因不滿足填筑標準而被棄用或限制使用；為降低港口填筑源料、解決挖填土料平衡問題，需對陸側千枚巖開挖料進行改良，查明其壓縮特性，并提出改良后土體填筑控制標準。

軟巖破碎料工程性質及改良技術成為山區港口工程建設的研究重點。日本依據室內試驗成果提出使用沉積軟巖作為港區填筑料，但因水體及碾壓荷載控制不當引發顆粒破碎，致使土體產生粉化效應，導致港口營運期間出現大量不均勻沉降問題[3]，這給予發展填料改良技術重要參考與警示。陳樂求等[4]探究泥巖破碎顆粒作為港口填料時提出水泥、石灰及粉煤灰3種外摻劑，認為外摻5%水泥填料力學性質最優；田雯菁等[5]在評價泥質粉砂巖填筑適用性時提出外摻20%粗砂方式進行改良，并指出填料顆粒破碎主要發生在運輸及施工碾壓過程；毛雪松等[6]認為千枚巖填料強度及水穩定性不足，建議控制粗粒含量的同時采用外摻水泥進行改良；對比改良前后不同浸水量下千枚巖填筑料承載能力衰減規律，認為累積變形與浸水量及其時間密切相關，土體施工期間應嚴格控制含水率，營運期間做好防水及排水設計[7]。從填料改良技術及工程適用性角度，考慮級配外摻硬巖骨料及水泥等方式均可作為改善軟巖破碎料力學性質措施。

當前研究大多側重于填料改良技術及浸水時效性，較少關注改良填料在施工碾壓過程加卸荷壓縮特性，而此特性卻是控制填筑質量與評價土料強度變形的重要性質?；谒喔牧技夹g，控制初始含水率及干密度，采用側限壓縮固結儀探討不同前期荷載加卸載作用時改良千枚巖填料壓縮特性，為山區港口陸側填料填筑施工質量控制提供參考。

1 試驗材料及方案

試驗所用千枚巖填料土取自莆田某港口陸域開挖區域，為弱風化狀；其母巖單軸抗壓強度天然狀態16.8 MPa、飽和狀態6.2 MPa，軟化系數為0.37，水理性質差；X射線衍射試驗表明，原巖主要礦物成分為云母56%、石英40%，其軟化性質與不同含水狀態下云母游離狀態密切相關，富水時云母容易剝離，使得母巖強度降低程度顯著。室內試驗測定千枚巖顆粒相對密度為2.73，天然含水率為5.3%；保持小于2 mm細粒含量不變，對大于20 mm超粒徑顆粒用2～20 mm顆粒依據等量替換法作縮尺處理，縮尺前后級配見圖1；縮尺前后土體不均勻系數均大于15，曲率系數均介于1～3，為級配連續且均勻土；縮尺后土料最佳含水率為8.8%，最大干密度2.22 g/cm3。小于0.5 mm細粒組塑液限控制土體持水性質，測定其液限19.9%、塑限17.0%、塑性指數3.8，屬低液限粉土型；因此，試驗土體為含粉土礫。

圖1 縮尺前后土料級配曲線

改良所用水泥為P.C42.5復合硅酸鹽水泥，主要成分及其含量為SiO223%、CaO 65%及Al2O36%，初凝時間160 min，終凝時間230 min。依文獻[8]按質量5%水泥作為改良外摻劑，與之適宜最佳含水率為8.3%，試樣初始壓實度M為60%(即為施工攤鋪狀態，空隙比為1.05)。試驗儀器為三聯側限高壓杠桿固結儀，采用百分表記錄軸向變形；試樣尺寸為直徑79.8 mm、高20 mm圓柱體，軸向荷載以砝碼配合杠桿方式施加。各級荷載以加載或卸載24 h后的讀數作為穩定值[9]。

設定軸向碾壓荷載P為50、100、200、400 kPa。單向加載方式：0→50→100→200→400 kPa。循環加荷等級為100、50、25、12.5 kPa(最大卸荷量為100 kPa)；加卸載方式及過程見圖2，詳細試驗方案見表1。

表1 試驗方案

圖2 試驗循環加荷方式

2 試驗結果分析

2.1 碾壓荷載影響

碾壓荷載P表征后續荷載所承受施工階段最大碾壓荷載，不同P作用時土體變形也不同；整理單向加載作用下試驗數據，得到土體總應變ε及壓實度M隨碾壓荷載P變化曲線，見圖3。從圖3可知，土體ε及M均隨P增大而增加，P<200 kPa時兩曲線增幅均大于P>200 kPa。當P從0增加至50 kPa時試樣壓實度從初始60%增至73.2%，P繼續增至200 kPa時，壓實度增加了5.6%；隨后增至400 kPa時，壓實度增加了2.9%，增幅降低。這表明改良千枚巖填料在第一遍壓實時應合理選用某一碾壓應力設備，可選用碾壓應力為200 kPa。

圖3 ε及M隨Q變化曲線

2.2 循環加載孔隙比分析

從土體三相結構可知，孔隙比e更便于工程后續沉降計算分析。因此，將不同應力狀態下試驗所測變形轉換為e進行后續分析。圖4為不同循環次數下e隨軸向荷載P變化曲線。

a)Pmax=50 kPa

從圖4可知，P相同時第1次加載曲線斜率較大，e減小趨勢也最為顯著；之后加載曲線傾斜程度隨加卸荷循環次數增加逐漸降低，e隨加卸荷循環次數增多而逐漸趨于穩定；此時荷載作用土體內部摩擦、機械咬合等粒間作用已達平衡，受力骨架形成。卸荷曲線均呈下凹形態，這說明加卸載引起塑性變形，且彈性變形恢復存在滯后性。當P為50 kPa時，外部荷載克服土樣內部顆粒摩擦阻力作用不顯著，但加卸荷作用下土樣密實程度整體較低，不同加卸荷循環次數下試樣孔隙仍存在減小趨勢；當P為100 kPa時，外部荷載稍大于顆粒摩擦與咬合作用，導致不同加卸荷循環次數下試樣孔隙變化規律不趨一致，加荷與卸荷曲線非線性明顯；當P為200、400 kPa時，外部荷載顯著大于顆粒間阻力，加荷過程最大程度促使顆粒間擠密，土骨架在加卸荷循環過程能快速形成并達到穩定，則回彈曲線近乎成直線狀。

圖4分析表明，不同P條件下土樣壓縮均主要發生在第1次加卸荷過程，且隨P增加而顯著增大；第2～5次加卸荷作用孔隙比較小，說明在P相同時多次重復加卸載對土體塑性變形影響不顯著。水泥改良千枚巖填料在松鋪后選擇壓實方法時應優先選擇噸位稍大機械以一定時速靜壓，此方式能促使填料受力骨架快速形成；隨后多次壓實以增強土料受力顆粒骨架剛度。此現象還揭示了外摻水泥改良千枚巖填料在松鋪土層碾壓過程易被壓實，且其密實程度受第一遍壓實效果影響顯著；若不改變壓實機械，采用同一噸位及碾壓模式機械進行多次壓實時其密實程度增幅較小。

2.3 壓縮指標分析

模量是材料抵抗外部荷載引起變形能力的度量，其量化方式與應力狀態及應力路徑相關。工程應用中依據壓縮系數η、壓縮模量Es等指標將土體分為高、中等及低壓縮性土，中等及低壓縮性土以η為0.1 MPa-1或Es為20 MPa為界限。根據試驗加載方式，第1次加卸載屬松鋪狀態，壓縮指標差異性大，不能反映其壓實后土體力學特性，因而η及Es均按第2～5次加荷段計算。卸載過程為多次逐級卸荷，回彈模量Er取大(或取小)均不能反映土體卸荷回彈變形，需分析選擇能表征土體工程特性的區段進行量化；經對比分析，取第2～5次各級卸荷段回彈模量Er均值作為不同P下土體Er。數據整理結果見圖6。

a)η/MPa-1

在圖6a中，P為50～100 kPa時土體η均大于0.1 MPa-1，數值上前者大于后者；這說明土體在小于100 kPa荷載下經5遍壓實作用后仍屬中等壓縮性，但100 kPa荷載作用后壓縮指數顯著低于50 kPa；P為200 kPa時經2～5次作用，試樣η在0.1 MPa-1附近，填料從中等壓縮性逐漸過渡至低壓縮性；P為400 kPa時土體η顯著小于0.1 MPa-1，屬低壓縮性土，此時加荷次數影響不顯著。

由圖6b可知，試樣Es與η變化規律存在相似，仍以P為200 kPa為界可將碾壓后填料劃分為中等壓縮性及低壓縮性土體；但不同加荷次數間Es隨P變化曲線近似呈平行分布，此現象說明在土體受荷骨架形成后，增加碾壓次數不能顯著改變顆粒間摩擦、鑲嵌及機械咬合等接觸形式，其壓縮模量趨于穩定。

從圖6c知，不同加卸荷次數下Er隨P變化曲線呈先減小后增大趨勢，并在200 kPa時達到極值，這表明200 kPa荷載作用時土體受荷骨架在克服顆粒間阻力從而達到間隙最小的效果顯著，粒間搭接、咬合等接觸緊湊，土體因顆粒間隙調整而產生塑性變形增大，致使顆粒間彈性變形小，宏觀體現為回彈模量顯著小于其余碾壓荷載。當P為50、100、200 kPa時Er分布較為集中，為400 kPa時相對分散，此現象說明當過大荷載作用時，經第1次作用可能引起土料局部顆粒破碎，細粒進一步填充間隙，增大密實性，土體受力骨架得到增強，后續荷載作用時引起彈性變形增大，Er自然增加。

3 討論

a)水泥改良壓實效應微觀特性分析。通常土體由孔隙氣、孔隙水及土骨架三相物質構成。與級配、母巖性質等[6-7]改良方式不同，土體顆粒在外摻水泥顆粒聚合作用下普遍以搭接、鑲嵌結構形成強度更大的受力骨架，局部水泥水化形成局部膠結物填充粒間空隙，進一步將土顆粒以橋接形式相連，增大了顆粒間摩擦阻力[9-10]；另外，水泥顆粒團聚作用使得小顆粒聚集成大顆粒，這一定程度上提高了小顆粒在形成受荷骨架作用，顆粒利用率增大[11-13]，其微元示意見圖7。在此微觀作用下，較小外部荷載引起土體內部顆粒出現摩擦滑移、翻轉鑲嵌及棱角磨碎等位置調整頻度降低[7]，宏觀體現為改良千枚巖填料壓實程度較低。當碾壓荷載增至一定量時(200 kPa)外荷載克服顆粒間阻力而引起顆粒位置調整頻度增大，加劇了顆粒骨架重構，顆粒間隙降低[14]；此過程中土體回彈變形小，回彈模量降低，變密實后可壓縮性降低(圖6)。

圖7 水泥改良填料微元示意

b)施工碾壓工藝選擇。外添水泥改變了顆粒表面摩擦特性及粒間空隙，引起改良后土料最佳含水率及最大干密度與室內試驗值存在偏差[6]，這易被實際碾壓施工所忽略，建議工程填筑過程以攤鋪后首次選擇合理噸位碾壓機械靜壓1遍后調整碾壓方式或更換機械噸位再次往復碾壓，如振動碾壓[15]。

4 結論

a)改良千枚巖填料加載曲線傾斜程度隨加卸荷循環次數增加逐漸降低，第1次最大；孔隙比隨加卸荷循環次數呈下凹形態。當碾壓荷載100 kPa時加荷與卸荷曲線非線性顯著，200、400 kPa時回彈曲線近乎成直線狀。

b)不同碾壓荷載下土體變形均主要存在于第1次加卸荷過程，隨碾壓荷載增加而顯著增大，多次重復加卸載對累積塑性變形影響不顯著。壓實度在200 kPa時增幅達到極值。

c)碾壓荷載50、100 kPa時土體經5遍壓實作用屬中等壓縮性，200 kPa時填料從中等壓縮性逐漸過渡至低壓縮性。不同加卸荷次數下回彈模量隨碾壓荷載變化曲線呈先減小后增大趨勢，200 kPa時取極值；這表明改良千枚巖填料在第1遍靜壓時宜選用碾壓應力為200 kPa，后續施工可適當提高碾壓應力。