程晓飞 白玉祥 姜大勇 王跃虎

摘要 在广泛分布千枚岩的山岭重丘地区修筑高速公路会面临土地资源匮乏、填料运进困难、弃土占用农田等问题，为节约投资，同时达到生态环保的要求，通常会选用隧道千枚岩弃渣作路堤填料。基于强风化千枚岩原料的矿物分析、液塑限、颗粒分析及CBR试验结果判定其为不良劣质填料，认为千枚岩弃渣无法直接用于填筑施工，需掺入适量水泥以改善其压实特性与力学性能。文章通过比对试验，分析了不同掺量对填料压实特性与CBR的改良效果，论证改良填料用于路堤填筑的可行性。研究表明：改良填料的最大干密度随水泥剂量的增加而增大，最佳含水率逐渐减小;3%、4%掺量的水泥改良效果不佳，5%的水泥掺量条件下改良填料可满足路堤填筑要求。

关键词 路基填料;千枚岩弃渣;水泥改良;CBR

中图分类号 U416.1 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）02-0165-04

0 引言

随着高速公路通车里程及平原微丘地区高速覆盖率的不断刷新，新建高速公路已逐步转向山岭重丘地区，而山岭重丘地区地形地貌极为复杂，大面积的土地高低参差，纵横起伏，在此地形条件下修筑高速公路，桥隧结合是最为理想、可行的方式。以宁石高速为例，项目位处秦巴腹地，山势陡峻，全线桥隧比高达87.24%，伴随着隧道洞挖与路堑削坡，大量弃渣隨之产生，因弃渣多为强风化千枚岩，千枚岩属典型变质软岩，节理裂隙较发育，水理性质较差，遇水、风化后强度急剧降低[1]，无法纵向利用实现移挖作填用于路基填筑，又因沿线土地资源匮乏，可用填料紧缺，弃渣场选址与征地极为困难，加之山区道路崎岖，填料运进困难且成本较高，因此，如何利用千枚岩弃渣用于路基填筑，实现就地取材、物尽其用成为亟须解决的工程难题。

相较于常规路基填料，风化千枚岩极易受干湿交替与工程扰动影响发生软化、崩解，其颗粒尺寸受制于碾压遍数、风化程度、湿度状态等因素，致使填筑碾压前后的级配变动较大。其次，在行车荷载及地下水迁移的不断影响下，路基强度与稳定性也无法得到保证[2]。基于风化千枚岩较差的工程特性与路用性能，诸多学者探讨了风化千枚岩作为路基填料的可行性，罗强[3]等基于点荷载试验，运用换算后的饱和单轴抗压强度区分风化千枚岩的软化程度，通过物理、水理及力学性质试验，探讨了软质千枚岩用于填料的可行性，得到了铁路路基各层位千枚岩填料的指标建议值。雷永智[4]等基于X射线衍射仪法半定量分析千枚岩粉晶X衍射物相，得到了矿物组成及含量分布，而后通过CBR、回弹模量、泡水膨胀量等参数论证了千枚岩用于路基填筑的适用性。上述研究虽探讨了千枚岩用于路基填筑的可行性，但因不同区位的变质千枚岩性能差异较大，其结论并不具有普适性，为此，学者们尝试掺入水泥改善其力学性能、抗水性，使其达到路基各层位的质量标准。毛雪松[5]等以十天高速安康东段千枚岩填料为研究对象，基于室内试验结果及规范要求，判定风化千枚岩原岩无法满足填筑要求，并依据CBR值提出了不同水泥掺量的千枚岩改良方案。李健[6]以不同掺量的水泥、石灰为改良材料，探讨了不同水泥、石灰掺量对千枚岩填料压实特性的改良效果，同时论证了相同掺量下水泥与石灰改良的优劣性，并得出了水泥与石灰的最佳掺量。

综上，就风化千枚岩填料而言，现有研究成果已论证水泥可作为优质改良材料，一者水泥自身的水化反应可产生胶结能力极强的水化产物，可相互搭接于千枚岩孔隙中，改善其压实特性和力学性能，再者掺入水泥后的改良填料具有较好的弹塑性特征，提高了路基整体的稳定性[7]。因此，该文以宁石高速四分部K38+450处千枚岩弃渣为研究对象，通过室内试验确定风化千枚岩原岩的物理力学性质，利用水泥改良不达填筑要求的千枚岩弃渣，通过比对试验，探讨改良技术及改良方案的最优解。

1 工程概况

宁石高速北依秦岭，南枕巴山，区内地形复杂，受地质构造与岩性控制，岭脊多为北西走向，山岭峻峭，沟底狭窄深邃，宽谷平坝较少，高低悬殊大。沿线穿行于扬子陆块、南秦岭造山带和位于其间的月河断裂、饶峰-麻柳坝-钟宝断裂构造结合带等构造单元，地质历史漫长，地层、构造组成复杂独特。

沿线出露的基岩包括绢云母石英片岩、大理岩、钙质片岩、花岗闪长岩、花岗斑岩、千枚岩等。其中，四分部标段内地层主要为志留系大贵坪组（S1d）与梅子娅组（S1-2m），岩性以云母石英片岩与强风化千枚岩为主，岩质较软弱，风化层较厚。填方路基位于K28+220.5～K39+900段内，共计7段，总填方量为32.2万m3，因沿线填料紧缺，运输便道路窄且有多处急弯，填料运进较为困难，设计要求采用标段内铜钱峡隧道洞渣作路堤填料。

2 强风化千枚岩填料工程性质

2.1 原岩矿物成分

矿物成分是决定千枚岩原岩力学性质的重要因素，该文选取宁石高速公路四分部K38+450处千枚岩弃渣及强风化碎屑物进行X射线行衍射试验，经矿物成分分析可知，该千枚岩弃渣中白云母含量约为49%，石英约占44%，白云母含量及所处状态对千枚岩性质影响较大，常态下白云母嵌于岩体，浸水后则处于游离态，易从岩体剥离，致使千枚岩风化后易崩解，若采用其作为路基填料，则路基在降雨及地下水迁移的影响下易发生松弛，路基稳定性及耐久性无法得到保证[8]。

2.2 液限和塑限

采用液塑限联合测定仪进行三组平行试验，其结果取平均值。经计算，填料的液限wl=19.7%，塑限wp=15.8%，即塑性指数Ip=3.9，依据《公路土工试验规程》（JTG 3430—2020）可知，强风化千枚岩中粒径小于0.5 mm的细粒土属低液限粉土ML。

低液限粉土中粘粒含量较低且塑性指数较小，与水胶结能力较差，保水性不强，土体易于渗水，仅依靠压路机振动压实很难达到压实要求，属不良劣质填料。

2.3 颗粒分析

选取宁石高速四分部隧道千枚岩弃渣进行筛分试验，因爆破开挖后的千枚岩渣块体积较大，无法直接进行筛分，为确保弃渣的最大粒径不大于60 mm，试验前先对样本进行碾压破碎处理，同时为避免筛分过程中细粒抱团或依附于粗粒表面，致使筛分结果不准确，对破碎后的渣块进行烘干处理，而后进行筛分，级配曲线如图1所示。

经计算，d60=57.1，d30=36.2，d10=13.9，不均匀系数和曲率系数分别为4.11、1.65，属级配不良。因级配不良的土体在外力条件下细小颗粒无法对空隙进行有效填充，细小颗粒持续受力使得土体进一步破碎，进一步说明了千枚岩弃渣无法直接作为路基填料。

2.4 风化千枚岩填料的CBR

加州承载比（CBR）可表征路基路面材料的强度与抗承载变形能力，《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）[9]限定了路堤路床填料的最小承载比，如表1所示，对风化千枚岩弃渣进行室内CBR测试，依据击实次数分为3组，试验结果见表2。

根据表2所示结果，击实次数为30次时填料的CBR值仅为2.17%，小于下路堤最小承载比要求，更无法满足规范限定的上路堤承载比要求，击实98次后CBR值才达3.25%，略高于最小承载比，需對其进行处置以提高CBR值。

3 水泥改良千枚岩填料性能分析

根据施工图设计要求，千枚岩等强度较低、易风化、遇水易崩解的变质岩不得直接作为路基填料，需进行改良，考虑到项目当地材料供应情况，选取西乡尧柏普通硅酸盐42.5的缓凝水泥。

3.1 水泥改良千枚岩填料加固原理

普通硅酸盐水泥的矿物组成主要包括C2S、C3S、C3A及C4AF，水泥掺拌风化千枚岩填料后，在水泥的水化作用下形成C3S2H3和C3AH6等胶结力较强的水化物，并裹附在千枚岩弃渣颗粒表面，形成早期骨架，其次，在水化产物与千枚岩的离子交换作用下，千枚岩细粒形成致密土团，因C2S、C3S的水化产生大量吸附活性较强的Ca（OH）2，使得部分土团粒结合起来形成稳定链条状结构，伴随着水化作用的持续，Ca（OH）2与空气中的CO2反应生成CaCO3，起到了粗粒化作用，使得改良填料具有足够强度，水泥水化的主要化学式如下所示：

3.2 击实特性分析

击实试验可获取水泥改良千枚岩填料的最佳含水率与最大干密度，依据预设水泥掺量方案，该文选取3%、4%、5%的水泥掺量做对照试验，依据四分法取料，试样的初始含水率设置为7%，不同掺量下击实试验结果如表3所示。

由图2可知，最大干密度随水泥掺量增加呈线性增大，最佳含水率则呈线性减小趋势，其中，掺加3%与4%水泥后改良填料的最大干密度与最佳含水率的波动范围较小，当掺量由4%调整为5%时，最大干密度增大了0.156 g/cm3，最佳含水率减小了4.1%，上下浮动明显，由此可初步判断水泥掺量为5%时，改良效果较为显著。

3.3 CBR

依据击实试验测得的最佳含水率制作CBR试件，试件需养护7 d后浸水4个昼夜，而后进行测试，结果如表4所示。

依据表4可知不同水泥掺量下改良填料的CBR值与干密度的变化曲线图，如图3所示。

由图3可知，掺加水泥后改良填料的CBR均达到了规范要求的下路堤最小承载比要求，即CBR均不小于3%，可见经水泥改良后，千枚岩的力学性能有所提高，其中，掺量为3%时，CBR的浮动范围为3.4%～4.6%，相较于未改良填料，仅增大了约1.3%，无法用于填筑上路堤，改良效果不佳，当掺量为4%时，CBR的浮动范围为4.6%～7.3%，同规范限定的上路堤最小CBR差距过小，用于现场填筑时可能受填料粒度或水泥拌和不均匀影响，使得CBR不达最小要求的4%，导致路基强度不够，而掺量提升至5%时，CBR较3%掺量提高了6%，较4%掺量提高了约4%，且浮动下限为8.9%，满足规范要求的路堤填料CBR界限值。其次，图3中的拟合曲线可推导现场实测干密度对应的CBR值。

由图3可知，掺量为3%、4%时改良效果欠佳，若采用上述水泥掺量存在可能不满足规范要求的潜在风险，由此确定改良填料的水泥掺量为5%，且仅用于路堤填筑。

4 结论

（1）基于千枚岩原料的矿物分析、液塑限、颗粒分析及CBR试验可知，未经改良的千枚岩原料白云母含量较高，水稳性较差，且属低液限粉土，初始级配不良，CBR也无法满足规范限定的路堤填料要求。

（2）水泥用于改良千枚岩原料是行之有效的，掺入水泥的改良填料最大干密度随水泥剂量的增加而增大，最佳含水率则随之减小，其中，3%、4%水泥掺量的改良填料对干密度的增幅分别为0.162 g/cm3、0.167 g/cm3，密实程度提升不显著，水泥剂量增加至5%时，最大干密度的增幅为0.323 g/cm3，约为4%掺量的2倍。

（3）掺加水泥后改良填料的CBR值提升明显，由不满足规范要求的承载比下限提升至可满足路堤填筑要求，通过比对不同水泥掺量下改良填料的CBR曲线图，掺量为3%与4%时CBR增幅较小，改良效果欠佳，用于填筑路堤有不达规范要求的潜在风险，水泥掺量达5%时CBR可满足上、下路堤的填筑要求。

（4）千枚岩用作路堤填料时需掺拌水泥以改良其物理、力学性能，建议水泥掺量以5%为宜。

参考文献

[1]卢世杰，蒋应军，杜红军，等.千枚岩用于高速公路路基填料的适用性研究[J].路基工程，2017（4）：87-91.

[2]李忠泉.千枚岩在路基结构中的应用技术研究[D].西安：长安大学，2017.

[3]罗强，朱江江，詹学启，等.软质千枚岩工程特性及用于路基填筑的适用性[J].铁道工程学报，2019（7）：1-5+32.

[4]雷永智，王甲飞，王毅凯，等.千枚岩路基填料的压实与强度特性研究[J].公路，2019（12）：41-46.

[5]毛雪松，樊宇朔，孟庆猛.高速公路强风化千枚岩填筑路基施工方案研究[J].中外公路，2014（6）：1-4.

[6]李健.改良千枚岩填料路基沉降特性研究[D].西安：长安大学，2018.

[7]曹周阳.秦巴山区变质软岩路堤填料路用性能及振动压实工艺研究[D].西安：长安大学，2013.

[8]张延杰，王旭，尹亚雄，等.水泥改良千枚岩弃渣用作铁路路基填料的试验研究[J].铁道学报，2014（6）：81-86.

[9]公路路基设计规范：JTG D30-2015[S].北京：人民交通出版社，2015.