炭質(zhì)頁巖填料路用性能及路基填筑技術(shù)探究

高朝

甘肅省公路交通建設(shè)集團(tuán)有限公司 甘肅 蘭州 730030

近些年來，炭質(zhì)頁巖填料在路基填筑施工中的應(yīng)用越來越多，但是鮮有施工技術(shù)人員或者科研人員對炭質(zhì)頁巖填料的路用性能和填筑施工技術(shù)開展應(yīng)用分析和研究。故而，深度梳理總結(jié)炭質(zhì)頁巖填料的路用性能，從而為炭質(zhì)頁巖填料的路基填筑施工提供一些技術(shù)參考，這對于保障炭質(zhì)頁巖填料路基施工的質(zhì)量和安全而言具有一定的積極意義。

1 炭質(zhì)頁巖填料的路用性能技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)目前市政公路和高速公路的一些技術(shù)規(guī)程來看，要使得炭質(zhì)頁巖填料路基的施工質(zhì)量符合有關(guān)技術(shù)規(guī)程的標(biāo)準(zhǔn)要求。就需要從粒度不均勻系數(shù)和粒度曲率系數(shù)、室內(nèi)承載比（CBR）、壓縮指標(biāo)、抗剪強度等角度對其進(jìn)行路用性能施工技術(shù)指標(biāo)確定[1]。

1.1 粒度不均勻系數(shù)和粒度曲率系數(shù)的確定

由于路用填料普遍是由各種形狀不一、大小不等的巖土質(zhì)顆粒組成，而且這些顆粒的組成特征將會對整個填料的工程特性產(chǎn)生重要影響[2]。在行業(yè)內(nèi)，對于路用填料顆粒的級配情況，一般用粒度不均勻系數(shù)和粒度曲率系數(shù)來表示。粒度不均勻系數(shù)的計算式如式1所示，粒度曲率系數(shù)的計算式如式2所示。

在式1和式2中，Cu表示炭質(zhì)頁巖填料的粒度不均勻系數(shù)，該系數(shù)在此次探究中是用來反應(yīng)炭質(zhì)頁巖填料顆粒的不均勻程度，通常情況下當(dāng)Cu＜5時可認(rèn)為炭質(zhì)頁巖填料級配不良、當(dāng)Cu＞10時可認(rèn)為炭質(zhì)頁巖填料級配良好；Cs表示炭質(zhì)頁巖填料的粒度曲率系數(shù)，該系數(shù)在此次探究中是用來反應(yīng)炭質(zhì)頁巖填料的顆粒連續(xù)級配情況，通常情況下當(dāng)Cs＜1.0時可認(rèn)為炭質(zhì)頁巖填料顆粒連續(xù)級配不良，當(dāng)1.0≤Cs≤3.0時可認(rèn)為炭質(zhì)頁巖填料顆粒連續(xù)級配良好。d10表示炭質(zhì)頁巖填料中相當(dāng)于累計百分含量為10%的粒徑，且該種類型粒徑常被稱為“有效粒徑”；d30表示炭質(zhì)頁巖填料中相當(dāng)于累計百分含量為30%的粒徑；d60表示炭質(zhì)頁巖填料中相當(dāng)于累計百分含量為60%的粒徑，且該種類型粒徑常被稱為“限制粒徑”。

需要特別值得注意的是，一般在道路工程填筑施工中，對于路基填料，通常將Cu＞5且1.0≤Cs≤3.0作為填料顆粒均勻程度和顆粒連續(xù)級配的控制標(biāo)準(zhǔn)[3]。因此本次探究也將以Cu＞5且1.0≤Cs≤3.0作為炭質(zhì)頁巖填料顆粒均勻程度和顆粒連續(xù)級配的施工技術(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 室內(nèi)承載比（CBR）的確定

巖土的室內(nèi)承載比（CBR值），指的是標(biāo)準(zhǔn)試件在貫入量為2.5mm時所對應(yīng)的施加荷載與試驗巖土料在相同貫入量時所對應(yīng)的施加荷載之間的比值，CBR值通常以百分率（%）的形式進(jìn)行表示[4]。對于任意一種路基填料，其CBR值都可以用來表示其被用于填筑路基后，對應(yīng)填料局部路基的水穩(wěn)定性和抗剪強度[5]。是非常重要的、能夠保障填料路基在經(jīng)受水的長期浸泡作用下路基結(jié)構(gòu)仍然不受破壞的施工技術(shù)指標(biāo)。故而對于炭質(zhì)頁巖填料而言，其是否能夠用于路基填筑，需要進(jìn)行CBR值的試驗確定。目前，我國現(xiàn)行的最新《路基填筑規(guī)范》要求，各類路基填筑料的CBR值，需要滿足如表1所示的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 各類路基填筑料的CBR值技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求

當(dāng)使用炭質(zhì)頁巖作為路基填料時，其CBR值需要根據(jù)路基填筑的類別，以及道路的設(shè)計等級，按照表1的CBR最小值需求對其進(jìn)行控制。

在我國的西北甘肅地區(qū)，有部分一級公路的填筑上路床，便是使用的炭質(zhì)頁巖作為填筑料。研究者選擇了三段炭質(zhì)頁巖填料上路床進(jìn)行CBR值試驗測定，發(fā)現(xiàn)當(dāng)填料壓實度為93%時，其CBR值為7.6；當(dāng)填料壓實度為94%時，其CBR值為7.8；當(dāng)填料壓實度為95%時，其CBR值為8.1；當(dāng)填料壓實度為96%時，其CBR值為8.5。由此可以判斷，炭質(zhì)頁巖的CBR值將隨著填料壓實度的增長而增長。在開展炭質(zhì)頁巖填料路基施工時，需要根據(jù)公路的修筑等級，以控制填料壓實度的方式控制其CBR值。

1.3 壓縮指標(biāo)的確定

填料材料的壓縮定律，是保障填料路基施工質(zhì)量的基本定律之一，其計算式如式3所示。

在式3中，a表示是路基填料的壓縮系數(shù)，其單位為MPa-1；e1表示路基填料的設(shè)計承載力，其單位為MPa；P1表示路基填料在受到設(shè)計承載力作用境況下的孔隙比；e2表示路基填料的極限承載力，其單位為MPa；P2表示路基填料在達(dá)到自身極限承載力作用境況下的孔隙比[6]。

根據(jù)式3可以看出，路基填料的壓縮系數(shù)與路基填料自身的承載能力緊密相關(guān)。在行業(yè)內(nèi)，普遍認(rèn)為當(dāng)壓縮系數(shù)a＜0.1MPa-1時，對應(yīng)填料的壓縮性為低壓縮性；當(dāng)0.1MPa-1≤壓縮系數(shù)a＜0.5MPa-1時，對應(yīng)填料的壓縮性為中壓縮性；當(dāng)壓縮系數(shù)a≥0.5MPa-1時，對應(yīng)填料的壓縮性為高壓縮性。

研究者在此，同樣是以我國西北甘肅地區(qū)的部分公路炭質(zhì)頁巖填料上路床為試驗對象，經(jīng)試驗測得的壓縮指標(biāo)如表2所示。

表2 我國西北地區(qū)部分公路的炭質(zhì)頁巖填料上路床壓縮指標(biāo)

通過表2的試驗結(jié)果可以看出，當(dāng)炭質(zhì)頁巖填料承受的荷載間隔為0～300KPa時，其壓縮系數(shù)值分別為0.15，0.14，0.13，符合0.1MPa-1≤壓縮系數(shù)a＜0.5MPa-1的判定標(biāo)準(zhǔn)，此時炭質(zhì)頁巖填料呈現(xiàn)中壓縮性，且壓縮模量也比較穩(wěn)定。當(dāng)炭質(zhì)頁巖填料承受的荷載間隔為300～400kPa時，其壓縮系數(shù)值分別為0.05，相較于荷載間隔為0～300kPa時壓縮系數(shù)而言，大幅縮小，且符合a＜0.1MPa-1時的判定標(biāo)準(zhǔn)，此時炭質(zhì)頁巖填料呈現(xiàn)低壓縮性，且壓縮模量出現(xiàn)大幅變化。由此可以得出判斷，炭質(zhì)頁巖填筑料，在一定的壓力荷載作用下，其壓縮指標(biāo)將呈現(xiàn)低壓縮性狀態(tài)，呈現(xiàn)低壓縮性狀態(tài)時可以作為比較穩(wěn)定的路基填筑料使用。

1.4 抗剪強度的確定

抗剪切強度，是炭質(zhì)頁巖作為路基填料，維護(hù)路基抵抗“失穩(wěn)”的重要性指標(biāo)[7]。但是對于包含炭質(zhì)頁巖在內(nèi)的各種填筑料而言，在進(jìn)行抗剪強度試驗時，實驗條件為“填筑料干樣不加水開展剪切”、“填筑料先水浸開展剪切至破壞”、“填筑料達(dá)到固結(jié)后水浸再剪切至破壞”，得到的抗剪切強度測定值如表3所示。

表3 我國西北地區(qū)部分公路的炭質(zhì)頁巖填料上路床壓縮指標(biāo)

通過表3的試驗統(tǒng)計結(jié)果可以看出，炭質(zhì)頁巖填料對于水浸十分敏感，受水浸的炭質(zhì)頁巖填筑料抗剪切強度較低。因此，在開展炭質(zhì)頁巖填料路基施工時，一要避免在冬雨季施工，二要在施工期間做好防雨防水浸措施，三要做好填料施工區(qū)域的地下水抽排和地表水疏導(dǎo)工作。

2 炭質(zhì)頁巖填料的路基填筑技術(shù)

在充分掌握了炭質(zhì)頁巖填料的路用性能技術(shù)指標(biāo)控制值之后，以具體的案例工程項目施工實踐，為我國西北甘肅地區(qū)的炭質(zhì)頁巖填料路基施工提供一點基于實踐應(yīng)用層面的參考借鑒。

2.1 案例工程項目概況

位于我國西北甘肅省內(nèi)的某一級公路建設(shè)項目，在項目的建設(shè)施工前期，透過詳細(xì)的地質(zhì)勘察，得出該公路項目某段建設(shè)區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造情況如表4所示。

表4 案例公路工程項目某建設(shè)區(qū)段地質(zhì)構(gòu)造情況

透過表4我們可以清楚地看出，案例項目某建設(shè)區(qū)段的地質(zhì)構(gòu)造是屬于嚴(yán)重的炭質(zhì)頁巖不良地段，且相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造層囊括強風(fēng)化炭質(zhì)頁巖、中風(fēng)化炭質(zhì)頁巖和微風(fēng)化炭質(zhì)頁巖。根據(jù)地勘的鉆探試驗數(shù)據(jù)來看，建設(shè)區(qū)域內(nèi)地坪標(biāo)高以下2m深度范圍內(nèi)，炭質(zhì)頁巖的密度較低（孔隙多），粘聚力不足，內(nèi)摩擦角偏小、泊松比偏大，抗剪切能力弱，施工期間存在較大的巖土“失穩(wěn)”安全隱患。地質(zhì)構(gòu)造層中，微風(fēng)化炭質(zhì)頁巖的物理力學(xué)指標(biāo)也不理想。因此針對該建設(shè)區(qū)域內(nèi)的炭質(zhì)頁巖填料路基施工，需要編制非常具有針對性的施工技術(shù)方案。

2.2 案例項目施工技術(shù)方案

案例項目的施工技術(shù)人員認(rèn)為，炭質(zhì)頁巖建設(shè)區(qū)段的頁巖層深度足足有4m深，完全采用挖除換填的方法，才能保障路基的施工質(zhì)量和穩(wěn)定性。但是換填料如果全部選擇其他材料，則項目的施工成本將會大幅增加。因此決定充分利用原區(qū)域的炭質(zhì)頁巖層，將其挖除后，再與一些未風(fēng)化的炭質(zhì)頁巖混合均勻（依托監(jiān)測粒度系數(shù)進(jìn)行控制），通過夯實振動，控制填料的壓實度、承載比等，從而使得該區(qū)域的填料施工能夠在保安全、保質(zhì)量的境況下順利實施。具體的施工方案步驟如下：

（1）通過詳細(xì)的地質(zhì)勘測，確定建設(shè)區(qū)域內(nèi)炭質(zhì)頁巖的分布范圍，并根據(jù)分部范圍的外邊線，向外擴展3m，以保障區(qū)域內(nèi)原炭質(zhì)頁巖能夠被完全挖除；

（2）當(dāng)建設(shè)區(qū)域內(nèi)的原炭質(zhì)頁巖層被完全挖除后，借助測量儀器設(shè)備符合基底的標(biāo)高，并通過密實度試驗，檢測基底的壓實度是否符合設(shè)計要求，倘若不符合要求，邊使用碾壓機械來回碾壓，直到基底的壓實度達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為止，而后再對基底進(jìn)行人工清理；

（3）在開展基底測試和基底壓實度檢測期間，同步開展原炭質(zhì)頁巖層的破碎、填料混合工作，以粒度不均勻系數(shù)Cu＞5和1.0≤粒度曲率系數(shù)Cs≤3.0作為炭質(zhì)頁巖混合填料顆粒的連續(xù)級配控制標(biāo)準(zhǔn)；

（4）為了避免施工期間的地下水和地表水，對炭質(zhì)填料的抗剪強度造成不良影響，因此在填料開展攤鋪壓實前，便在填料區(qū)域四周分別設(shè)置地下水降水井和地表水排水溝，用以降低地下水位標(biāo)高和疏導(dǎo)地表水；

（5）在新的炭質(zhì)頁巖混合填料實現(xiàn)均勻混合后，將其運至填筑范圍內(nèi)分層攤鋪、分層夯實，每層攤鋪厚度控制在0.5m，每層的機械施加荷載間隔控制在0～300kPa，這樣才能有效表彰炭質(zhì)頁巖填料的壓縮指標(biāo)符合[0.1MPa-1，＜0.5MPa-1]的控制標(biāo)準(zhǔn)；

（6）根據(jù)表1所示的CBR最小值要求，在路基填料施工區(qū)域內(nèi)，每一層的攤鋪料完成碾壓夯實后，即進(jìn)行不同深度區(qū)域范圍的CBR壓實度檢測，檢測結(jié)果符合CBR最小值要求后，方可進(jìn)行下一道填料攤鋪和碾壓夯實作業(yè)。

案例項目的炭質(zhì)頁巖填筑施工區(qū)段，緊緊圍繞本文第1章節(jié)的有關(guān)性能技術(shù)指標(biāo)確定方式，制定涵蓋上述（1）～（6）項關(guān)鍵施工內(nèi)容的技術(shù)方案，最終取得了較好的施工效果。

3 結(jié)語

對于炭質(zhì)頁巖填料，在路基施工中的實踐應(yīng)用，掌握其路用性能指標(biāo)是進(jìn)行科學(xué)實踐的第一步。分別從粒度系數(shù)、承載比CBR值、壓縮指標(biāo)、抗剪切強度等角度梳理掌握炭質(zhì)頁巖填料的路用性能。而后以我國西北地區(qū)甘肅省內(nèi)的某公路項目部分建設(shè)區(qū)段路基填料施工為案例，開展地質(zhì)構(gòu)造指標(biāo)分析和施工技術(shù)方案分析，從而為我國的炭質(zhì)填料路基施工提供一點參考。