改良千枚岩填料的CBR值影响因素分析

毛雪松, 朱凤杰，黄 喆，王莉云，陈燕琴

(长安大学 公路学院 ，陕西 西安 710064)

改良千枚岩填料的CBR值影响因素分析

毛雪松, 朱凤杰，黄 喆，王莉云，陈燕琴

(长安大学 公路学院 ，陕西 西安 710064)

选用十堰至天水高速公路安康东段的千枚岩为原材料，进行了一系列的实验。千枚岩属于软岩的一种，强度低、稳定性差且易崩解，不宜直接作为高等级公路路基填料，需要对其进行改性后填筑路基。同时基于CBR测试结果，结合方差分析理论分析了不同水泥掺量与不同粗粒料级配对千枚岩填料CBR的影响。结果表明：水泥掺量与粗粒料级配对千枚岩CBR值影响都比较显著；但在考虑到经济和工程特性要求时，通过分析选择水泥掺量为3%与粗粒料含量为55%级配组合为最佳组合。

道路工程；千枚岩；水泥改良；级配；方差分析理论；CBR

0 引 言

“十天”高速公路安康东段沿线分布着大量的强风化千枚岩，强风化千枚岩具有强度低、稳定性差、易破碎等性质，属于软岩的一种，在路基填料中属于劣质材料，故不宜作为高速公路路基填料。沿线弃方的堆放和填方的选材成为一项突出矛盾。若将其作为路基的填料，不仅可以解决这个矛盾，同时也会保护环境、降低造价。因此需要对千枚岩进行改性处理。国内外学者针对软岩的研究，多集中在填料的工程性能、可行性、改良前后强度变化以及浸水特性上。罗小杰[1]通过抗压试验，分析了千枚岩物理力学特性；I.A.SADISUN等[2]进行无侧限膨胀试验，分析了黏土类软岩的膨胀特性；毛雪松等[3]对水泥改良前后的千枚岩填筑路基遇水后湿化变形进行了研究；赵磊等[4]对兰渝铁路清水隧道沿线千枚岩填料改良后的工程特性进行了研究，并建立有限元数值模型；苏永华等[5]利用多重分形理论分析了软岩发生膨胀崩解的力学机理。从上述分析中可知，对水泥剂量和级配对千枚岩填料CBR值影响的研究比较少。通过室内试验和方差理论分析对不同水泥掺量和不同粗粒料级配水平组合下千枚岩填料CBR特性的影响效果展开研究和分析，以确定能满足力学特性和经济要求的水泥改良千枚岩填料的水泥掺量和级配水平组合。

1 千枚岩填料的物理力学性质

1.1 千枚岩的矿物组成

选用“十天”高速公路安康东段沿线的千枚岩作为实验原材料。利用X射线衍射仪(图1)做X射线衍射试验并利用电子扫描显微镜(图2)做磨片电镜试验，可知千枚岩原岩中主要矿物成分为绢云母和雏晶黑云母，同时还含有一些长石矿物(图3、图4)。

图2 电子扫描显微镜Fig.2 Electron scanning microscopy

图3 X射线衍射试验图谱Fig.3 X - ray diffraction test pattern

图4 千枚岩的磨片电镜Fig.4 Abrasive disc phyllite electronic microscope

1.2 千枚岩原岩的单轴抗压强度试验

把采集到的千枚岩试样，按照GB/T50266-99《工程岩体试验方法标准》[6]的规定，制成形状规则的四方体，并分为未饱水和饱水两组，分别做单轴抗压强度试验，所得结果如表1。

表1 单轴抗压强度试验结果

从表1中数据可知，千枚岩原岩的单轴抗压强度范围为12～30 MPa。规范中定义软岩是指单轴抗压强度小于30 MPa的岩石，同时，从表1中计算的结果可知千枚岩的软化系数均小于0.52，低于规范规定的软化系数的最小值0.75。故可以判定，风化后的千枚岩是一种水稳性差、抗压强度低且易碎的软岩。因此当作为路基填筑材料时，在水和荷载共同反复作用下极容易发生失稳破坏。

1.3 千枚岩填料物理指标测定

按照JTG E40—2007《公路土工试验规程》[7]测得千枚岩填料中的液限、塑限和塑性指数的平均值分别为16.1%，17%和3.8%。通过相关规定以及塑性土分类的划定可知，强风化体千枚岩填料是属于一种低液限粉土，在路基填料中属于劣质填料。

1.4 千枚岩填料的崩解特性

崩解性又称为湿化性，指的是黏性土之间由于土颗粒之间的结构联结而产生的强度在受到水的入侵后而发生消弱或者丧失，导致土体崩解的特性。

将千枚岩填料制作成体型不一的试样，放置烘箱内烘至恒重，接着放入干燥的容器中称重。再将试样放入盆中加水至淹没试样0.5 cm以上，浸水1 d后烘干，称重，这一过程称为一次循环。

崩解率和干湿循环次数的关系如表2。

表2 风化千枚岩不同干湿循环次数的崩解率

拟合曲线为

Idn=1.7n-8.78

R2=0.997 9

(1)

式中：Idn为耐崩解性系数，%；n为干湿循环次数。

由图5可知，当循环的次数越多时，风化千枚岩试样的崩解率越大；当循环次数达到一定时，将会出现类似于泥土的粉末。通过对实验结果分析、总结，说明千枚岩填料抗风化性能和水稳性都比较差，强度低，崩解度较高。

图5 风化千枚岩崩解率随干湿循环变化的试验拟合曲线Fig.5 Weathered phyllite disintegration rate changes withthe wet-dry cycle test fitting curve

2 试验方案设计

由第1节可知，千枚岩填料强度较差。为提高千枚岩填料的力学性能，采用水泥改良路基，因此水泥掺量与千枚岩填料级配是影响其强度的关键因素。在最佳含水率的条件下选用表3中的3个不同的粗粒料级配组合，同时每个组合中水泥掺量选为3%，4%，5%，6%，这样级配组合和水泥掺量水平的个数分别为3和4。通过CBR试验和两因素方差分析相结合的方法，研究水泥掺量和粒料级配以及二者的交互作用对水泥改良千枚岩填料CBR值变化的影响。因此对不同的级配和水泥在最佳含水率的条件下配制试件，每3个试件为一组，各进行3次实验，共计36次实验。

表3 千枚岩填料各级配组合的粒径组成

3 试验结果分析

通过室内试验得到的结果如表4和图6。

表4 CBR试验结果

3.1 不同水泥掺量对CBR值的影响分析

从图6(a)和图6(b)中可以看出，当粗粒料含量一定时，增大水泥掺量时，改良千枚岩填料的CBR值也会随之增大，改良后得到的CBR最大值约为230%，增加了近5倍左右。说明水泥掺量改良千枚岩CBR值有一定的效果。

3.2 不同粗粒料含量对CBR值的影响分析

从图6(a)和图6(b)中可以得出，当水泥含量一定时，随着粗粒料含量的增加，千枚岩CBR值先增大后减小，其中粗粒料为55%的组合相对于粗粒料为65%和粗粒料为45%的组合，其CBR值具有最大值，这是因为55%的千枚岩级配性能更好些，水泥与粗粒料之间的反应更加充分，而65%的，由于粗集料过多，导致细集料较少，从而导致大部分的水泥都附着在粗粒料表面，使得反应不够充分，导致强度下降，因而没有55%对千枚岩CBR值影响大。

3.3 不同级配和不同水泥剂量对CBR值的影响可重复两因素方差分析

方差分析是指在方差相等的条件下,对多个服从正态分布的总体，验证它们的均值是否相等的一种统计方法,且作F检验,判断因素的作用是否影响显著。笔者旨在研究水泥剂量和粗粒料含量对千枚岩CBR值的影响，故假定水泥剂量和粗粒料含量的方差各自相等，且服从正态分布。设因素a和b分别为级配因素，水泥掺量因素，分别有3个和4个不同的水平，在每个不同的水平组合条件下，每组分别进行3次独立重复试验。因此可用“可重复两因素方差分析”对水泥掺量和级配对水泥改良千枚岩填料CBR值影响进行方差分析，所得分析结果如表5。

由表4可知，由级配因素和水泥掺量因素及其交互作用计算得到的F值大于F的临界值，故根据方差分析理论知，其F检验显著，表明级配和水泥掺量的变化及其交互作用对CBR值的增加影响为显著。因此需要对a，b两因素不同水平及交互作用的平均测定结果进行多重比较。其结果如表6～表8。

图6 水泥掺量和粗粒料含量变化对CBR值的影响Fig.6 Influence of cement and coarse aggregate contentvariation on CBR value

差异源平方和SS自由度dfe均方差MSF值F临界值(Fcrit)a因素3685．521842．7569．552283．402826b因素5432．7531810．91768．350773．008787a×b620．56103．41673．9033322．508189内部误差635．8672426．49446总变异10374．623510374．62

表6 级配因素水平多重比较

表7 水泥掺量因素水平多重比较

表8 级配和水泥掺量交互作用多重比较

表6～表8中a1，a2，a3分别代表粗粒料含量为45%，55%，65%；b1，b2，b3，b4分别代表水泥掺量为3%，4%，5%，6%；a1b1代表粗粒料含量为45%水泥掺量为3%的组合；aibj(i=1,2,3;j=1,2,3,4)可以按照a1b1类推。“++”表明影响极显著，“+”表明影响显著，“》”代表两个水平平均数相差很大。

由表6可得：a2》a3》a1。说明在不同级配对水泥改良千枚岩填料CBR值增大的影响中，影响最差的是粗粒料含量为45%的，其次是65%的，最好的则为55%的。同时也证明了，当水泥含量一定时，随着粗粒料含量的增加水泥改良千枚岩填料CBR值是先增大后减小的变化规律。

从表7中可以得到：b4》b3》b2》b1。说明当水泥掺量为6%时，水泥掺量水平对CBR值增大影响是最大，其次为5%的水泥掺量水平，随后为4%与3%的水泥掺量水平，这也说明了改良千枚岩填料的CBR值是随着水泥掺量的增加而增加的。

对表8进行分析可得，a2b4>a3b4>a2b3>a2b2>a3b3>a1b4>a2b1(a3b2)>a1b3>a1b2>a1b1(a3b1)。可以分析出当粗粒料含量和水泥掺量分别为55%和6%时的交互作用，对改良填料CBR值增大的影响效应最为显著，次之是为65%和6%的搭配组合，再次之是55%与5%的搭配组合，最后为45%与4%以及65%与3%的搭配组合。

通过上述分析可知，当考虑到需要满足经济性和工程性要求时，在水泥剂量为3%时，相比于粗粒料含量为45%和65%，粗粒料含量为55%对CBR值增大的影响是最大的，因此是最满足工程和经济要求的最佳水泥掺量和级配组合。

4 结 语

通过对千枚岩原岩实验分析可知，该类岩石的矿物成分以绢云母和雏晶黑云母为主，有少量的长石矿物，且耐水性差，易崩解，在路基填料中属于劣质材料。

通过试验及可重复两因素方差分析可知：水泥掺量和粗颗粒含量对千枚岩CBR都有着显著的影响。随着水泥掺量和粗颗粒含量的增大，CBR值与其呈正相关的关系，有非线性曲线变化趋势。在考虑到经济和工程特性要求时，通过分析，选择水泥掺量为3%，粗粒料含量为55%级配组合为最佳组合。

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(责任编辑 朱汉容)

Analysis of the Influences on CBR Value of Improved Phyllite as a Fill

MAO Xuesong, ZHU Fengjie,HUANG Zhe,WANG Liyun，CHEN Yanqin

(School of Highway,Chang’an University,Xi’an 710064,Shaanxi,P.R.China)

The phyllite as a the raw material was taken from the eastern Ankang section of Shiyan-Tianshui highway and used in series experiments. The results show that phyllite is a type of weak rock of low strength, poor stability and vulnerable to disintegration and thus cannot be directly used as fill of subgrade of high-level highway. Phyllite can only be used in subgrade as fill after it is modified. Based on the CBR test results, cement addition and coarse particle grading influenced a lot on CBR value of phyllite. But considering the constraints of economy and engineering properties , through analysis, the mix of cement addition of 3% and coarse particle content of 55% is the optimum combination.

highway engineering;phyllite; cement modified;gradation;variance analysis theory;CBR

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.02.08

2015-09-30；

2015-12-13

国家自然科学基金项目(51378072)

毛雪松(1976—)，女，吉林春晖人，教授，博士，主要从事路基稳定性方面的教学与研究工作。E-mail：xuesongxian@yahoo.com.cn。

U416.1

A

1674-0696(2017)02- 043- 06