強風化千枚巖填筑路基采用水泥改良技術的探討

李向峰

（甘肅新路交通工程有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

隨著交通建設的發展，很多高速公路穿越偏僻的山區。山高谷深的區域，缺乏土地資源，同時需要建設大量的橋梁與隧道，還要經常進行深路塹的開挖以及邊坡削坡工程的建設。這些項目的施工，由于缺少必要的路基填料，再加上交通不便，運輸難度大，從而導致施工進度慢且施工成本高［1］。山區風化的千枚巖數量眾多，如果能夠就地取材，將大量的千枚巖用于路基填料，不僅能夠減少對土地的破壞，還能夠降低施工成本，加快工程進度。但千枚巖強度低，遇水強度達不到要求，屬于低級變質軟巖，用來填筑路基后的穩定性達不到公路建設的標準［2］。因此，在高速公路的路基填筑過程中，需要對達不到填筑標準的千枚巖進行技術改良，更好地利用千枚巖進行路基填筑，保證公路修建質量和安全。

1 千枚巖的物理特性及分類

作為高速公路的路面結構基礎，路基要具有一定的強度與穩定性，才能保證高速公路的正常運行。不同區域、不同環境下的千枚巖外部形態、物理力學性質都存在不同。利用千枚巖填筑路基，首先就要了解自然環境下，千枚巖的具體狀態和長期穩定性。千枚巖的物理性質主要是通過含水率、顆粒密度、塊體密度、吸水性、孔隙率等進行表征；力學性質則主要是用單軸抗壓強度、劈裂強度、抗剪強度、點荷載強度等指標進行表征［3］。某高速公路沿線3種強風化千枚巖的基本物理性能指標如表1所示。

表1 某高速公路沿線3種千枚巖的物理性能指標

風化程度不同的千枚巖，其物理力學性質也不一樣，為了更好地確定千枚巖的風化程度，以此判斷其能否用作路基填料，首先要對千枚巖進行分類。目前對千枚巖的分類主要是按照風化程度進行區分。以往常根據外觀形態及組成分類，如巖石顏色、破碎程度、礦物成分等等，這種分類依據屬于定性評價方法，往往無法直觀反映千枚巖的物理力學性能，不能精確反映其適用性，因此在項目工程中應用較少。隨著室內試驗和現場試驗技術的發展，越來越多的定量指標進入到了千枚巖的風化程度評價中，比如孔隙率、飽和單軸抗壓強度、點荷載強度指數、耐崩解性指數、軟化系數等等［4］。這些性能均可以通過室內模擬或者現場試驗得到解決。因此，目前千枚巖的風化程度劃分采用定性評價和定量評價相結合的方法綜合確定。本文對風化千枚巖的分類，主要結合《工程巖體分級標準》分為三類，即弱風化千枚巖、中風化千枚巖和強風化千枚巖，具體劃分標準如表2所示。

表2 千枚巖風化程度分類標準

2 強風化千枚巖填筑路基質量控制困難的原因

強風化千枚巖本身的特性，使其用作路基填料并不適合，因為強風化千枚巖填筑路基質量控制困難。另外，受相關技術發展滯后的影響，目前的路基填料研究主要以細粒土為主體，壓實特性與質量控制的相關技術規范也是基于此。這兩大原因，導致目前強風化千枚巖作為路基填料的質量控制存在困難，甚至被認為是公路施工領域的一大障礙。

2.1 強風化千枚巖的物理力學性質差異

強風化千枚巖只是一類千枚巖的統稱，這部分千枚巖由于成分、飽和單軸抗壓強度、點荷載強度、耐崩解性系數、軟化系數等指標均存在差異，因此不能單一地認定某一強風化千枚巖能否用作路基填料。強風化千枚巖的礦物成分包括黏土礦物等多種成分，巖芯多呈砂礫狀，遇水軟化，裂隙極為發育，難以滿足路基填筑的要求。因此，要對千枚巖進行分類，針對不同的千枚巖，提出相應的改良技術。

2.2 以往的室內重型擊實方法不符合現代施工要求

最近20年來，我國公路施工技術飛速發展，路基現場施工的機械設備也不斷更新換代。以用于現場壓實質量控制的壓路機來說，目前使用的20t以上可調頻調幅振動壓路機，提高了壓實效率和質量。但目前使用的路基壓實標準還是建立在10～15t振動壓路機的基礎上，這會影響到現場壓實質量控制。因此，要基于路基現場振碾特性來不斷改進千枚巖振動試驗的技術［5］。

2.3 強風化千枚巖的CBR值并不具有全面的指導意義

CBR(California Bearing Ratio）值是確定路基填料承載能力的重要指標，在一定的壓實度下，能夠對路基土、細粒土、粒料、穩定土的強度進行表征。但是，對強風化千枚巖的利用，不應僅僅因為CBR值過低，就拋棄其作為路基填料的可能。CBR要求與路基壓實度緊密聯系，強風化千枚巖在壓實度提高的情況下，有可能滿足路基填筑的要求。因此，如何采用合適的壓實方法和壓實機械，這對于做好千枚巖路基填筑現場的質量控制十分重要，是亟待解決的重要問題。

3 強風化千枚巖填筑路基的改良技術分析

3.1 路基填料的物理力學性質

3.1.1 篩分試驗

對改良試驗路段的路基填料進行篩分試驗，路基松鋪后進行3次碾壓，每次均采用22t振動壓路機碾壓6遍，每次碾壓后，對路基填料取樣并進行篩分試驗。通過試驗數據發現，千枚巖在碾壓過程中會發生二次破碎，經過3次碾壓后，粒徑＜5mm的細粒含量由13.5%增加到38.6%，粒徑總體上變?。患壟渥兓^大，不均勻系數為18.8，曲率系數為0.74，屬于級配不良。

3.1.2 填料的CBR力學特性

如前文所述，在提高壓實條件下，才能更加準確地判斷千枚巖是否能達到路基填料的力學性能要求。因此，根據《公路土工試驗規程》（JTGE 40-2007）進行室內CBR測試，提高壓實條件，每層擊實次數30，50，98次，再來統計CBR值，具體如表3所示。

表3 填料的CBR測試結果

由表3可知，填料的CBR值均達不到《公路路基設計規范》（JTGE 40-2007）中對路基填料的要求。因此，需要應用水泥對強風化千枚巖進行改良，以促使改良后的路基填料能滿足物理力學的性能標準。

3.2 路基填料的改良試驗

3.2.1 改良填料的擊實試驗性能

在強風化千枚巖路基填料中摻入水泥進行改良，按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTGE 51-2009）進行擊實試驗，水泥選用亞泰鼎鹿牌P·O42.5，水泥摻量為2%、3%、4%、5%，試驗結果見表4。

表4 水泥改良千枚巖擊實試驗結果

由表4的數據可知，水泥摻量越高，改良千枚巖的最佳含水率增大，最大干密度也不斷增大，但相對于最佳含水量的增長幅度相比，最大干密度的增長幅度并不明顯，說明水泥摻量對于千枚巖的最佳含水率的作用機制更加明顯。

3.3.2 改良填料的力學強度

（1）無側限抗壓強度。無側限抗壓強度是反映水泥穩定土、石灰穩定土、改良土壤強度的關鍵指標之一，水泥摻量、壓實度以及養護齡期等都會影響這一指標的數值［6］。一般來說，在條件一致的情況下，改良填料的無側限抗壓強度會隨著水泥摻量的增大、壓實度的增大和養護齡期的延長呈現出遞增的趨勢。

（2）承載比。不同水泥摻量下對改良填料進行CBR值測試，根據實驗所得的數據，繪制CBR曲線。強風化千枚巖改良后的CBR值達到了《公路路基設計規范》（JTGD 30-2004）中巖石路基填料的標準要求。隨著水泥摻量比率增加，改良填料的CBR值也隨之增加，且水泥含量越高，改良填料的CBR值增幅也越大。摻加2%水泥的改良填料其CBR值為7.8%，水泥摻量提高為3%、4%、5%后，改良填料的CBR值分別提高35.8%，114.2%，150.1%。

3.3 現場試驗分析

3.3.1 試驗路段

在某高速公路項目中選擇連續4段、每段50m進行強風化千枚巖的水泥改良現場試驗。4個路段分別用摻加2%、3%、4%、5%的水泥改良后的路基進行填筑。

3.3.2 現場回彈模量測試

高速公路的平穩運行，除了滿足一定的承載強度，還要具有一定穩定性，路基回彈模量就是路基在交通荷載下抵抗變形能力的重要指標，能夠反映路基的穩定性。回彈模量的測試方式主要是按照《公路路基路面現場測試規程》（JTGE 60-2008）的要求，利用現場承載板來進行，通過施加不同荷載等級，來繪制荷載-變形曲線（p-l曲線），從而計算出回彈模量E0，計算公式如下：

式中：Eo——泊松比；

D——承載板直徑，取30 cm；

pi——第i級荷載下承載板的壓力；

li——第i級荷載pi時的回彈變形。

3.3.3 測試結果分析

利用現場承載板在不同水泥摻量的改良路段上進行測試，得到不同水泥摻量的改良填料路基p-l曲線，對路基的回彈模量進行計算，就可以繪制出水泥摻量與路基回彈模量的關系曲線，見圖2所示。

圖2 水泥摻量與路基回彈模量關系曲線

由圖2可以看出，路基回彈模量隨著水泥摻量的增加而增長。根據《公路瀝青路面設計規范》（JTGD 50-2006）可知，改良填料的路基回彈模量均滿足高速公路和一級公路的路基規范要求（回彈模量值≥30）。水泥摻量為2%時，路基回彈模量就已經超過了60MPa，水泥摻量越大，改良填料的回彈模量也越大。這說明水泥改良強風化千枚巖，能夠確保改良填料滿足填筑路基的要求。

4 結束語

應用千枚巖進行路基填筑，由于千枚巖的物理力學特征，導致其應用存在很大技術困難，必須通過水泥改良后才能進行應用。從水泥改良填料的擊實及力學性能試驗可以發現，改良技術具有適用性。改良后，千枚巖填料的最大干密度和最佳含水量均增大，無側限抗壓強度提升，承載比能夠滿足設計要求，且回彈模量隨著水泥劑量增加而增長，各項物理力學性能滿足路基填料規范要求，解決了千枚巖物理力學性質差，填筑后千枚巖路基穩定性得不到保證的困難，在項目施工過程中，需進一步加強研究與應用。