炭质页岩填料路用性能与高填路堤稳定性研究

常 洲，张留俊，2，徐合清

(1.长安大学 公路学院， 陕西 西安 710064；2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司， 陕西 西安 710075)

1 概述

炭质页岩是指泥盆系中软弱灰岩、砂岩、泥岩和页岩互层等沉积类岩石构成的地质体，因沉积岩中富含碳而成灰黑色，在我国广西、云南、贵州等地区分布广泛。在我国高速公路向西部山区快速发展过程中，路堑和隧道开挖的炭质页岩如果弃之不用，不仅会占用大量土地,还会污染环境、增加建设成本，而且大量的炭质页岩弃渣在暴雨季节会引发泥石流和崩塌等自然灾害，因此将开挖的炭质页岩利用起来作为路基填料成为必然趋势。张静波[1]以贵州地区炭质页岩填料为对象，开展室内不同干湿循环条件下炭质页岩填料的CBR和回弹模量特征试验，表明炭质页岩的长期稳定CBR值满足下路堤填筑要求；曾玲[2-5]等对炭质页岩的崩解特性做了室内外试验，引入分形维数表征炭质页岩崩解过程中的颗粒变化情况，认为炭质页岩崩解稳定后颗粒变化亦趋于稳定，并采用三轴CT设备，对预崩解的炭质页岩进行应力-应变分析，从细观角度研究了炭质页岩变形破坏机理，认为炭质页岩细观损伤演化是非线性的累计增长过程，并针对炭质页岩损伤规律，结合非饱和抗剪强度理论，分析了降雨条件下炭质页岩作为路堤填料的稳定性。付宏渊[6-8]等结合饱和-非饱和渗流与稳定性分析基本理论，提出了降雨条件下多种因素变化情况下的路堤动态稳定性分析方法，并在降雨入渗与坡前水位升降情况下对炭质页岩路堤稳定性进行了验证，证明了动态计算方法的可行性。

现有文献表明，大多学者致力于研究炭质页岩的崩解特性与微观破坏机理，或对降雨入渗条件下炭质页岩路堤稳定性进行分析。炭质页岩作为路基填料与一般路基填料不同，其颗粒尺寸随碾压遍数、风化时长、内部含水率的变化而发生改变，施工前后级配变化较大。在我国修建高速公路过程中受建设周期的影响，开展具有不同粗粒料含量的炭质页岩填料路用性能研究、确定利于填筑的粒径范围，并考虑炭质页岩作为高路堤填料需采用的合理路堤结构形式，具有非常重要的工程意义。

通过分析炭质页岩基本物理性质和其耐崩解特性，结合不同粗粒料含量的击实试验、CBR试验，初步确定炭质页岩填料的路用性能可行性和利于填料填筑的粒径范围。引入分形维数分析采用不同压实方法后的炭质页岩填料的分数维，并与崩解稳定后的分形维数相对比，初步判断压实之后填料颗粒的水稳定性情况，建立炭质页岩填料作用于路堤填料的分数维指标；对炭质页岩用作高填路堤填料需采用的路堤结构形式进行稳定性评价，确定合理的路堤结构，以指导炭质页岩路堤施工。

2 工程概况

云南墨临高速公路地处云南省西南部，路线起于墨江县碧溪镇，止于临沧市临翔区，是云南省“9210”干线公路骨架网的组成部分。选取炭质页岩高填路堤地段位于镇沅县大柳树村附近，为亚热带季风区，受季风气候影响，降水量充沛，但年内分配不均，干湿季界线分明；地形地貌复杂，山高谷深，气候垂直变化突出，水平变化甚微，具有典型的“立体气候”特点。根据工程地质调绘与钻探揭露，路基基底的地层由上而下分别为粉土、粉质黏土、全分化页岩、强风化砂岩、强风化灰岩夹页岩。在路堤填筑时对粉土、粉质黏土进行夯实压密处理，达到设计和规范要求后，作为高填路堤的地基持力层。路基宽度25.5 m，路堤内部土体为炭质页岩，并采用碎石夹层与包边相结合的填筑方式，路堤边坡采用台阶式边坡，每8 m设置一级台阶，台阶宽度不小于2 m，边坡坡率1∶1.5～1∶2.0。

炭质页岩具有层状结构，岩体抗风化能力弱，强度和水理特性均较差，遇水风化后强度会急剧降低。对开挖地段炭质页岩崩解后试样进行室内相关土工试验测得其基本物理参数如下：自由膨胀率9%～15%，有机质含量 1.14%～1.16%，液限WL为25.5%～36%，塑限Wp为16.6%～21%，塑性指数Ip为7～15。

3 炭质页岩路用性能

3.1 炭质页岩崩解特性

炭质页岩初期的一个重要特性是其崩解的持续性，遇水崩解后炭质页岩抗压强度逐渐降低，结构迅速破坏，最终风化崩解成为颗粒堆积物甚至泥质结构。取炭质页岩典型岩块放置于室外，对岩块在降雨、日晒循环状态下的崩解情况进行跟踪观察，炭质页岩室外崩解情况如图1所示。在自然条件下，岩块在短时间内出现由裂缝到产生大量块状剥落物的崩解过程，表明炭质页岩自然条件下崩解速率较快。

图1 炭质页岩室外崩解情况

为全面了解炭质页岩崩解特性，进行炭质页岩室内浸水烘干崩解试验。取云南墨临在建高速公路挖方炭质页岩试样进行室内崩解试验，试验过程如下：现场挑选挖方路段炭质页岩新鲜岩块1 kg左右，在试验室内进行浸水烘干循环试验(泡水时间不少于12 h)，模拟实际情况中的干湿循环条件。每次干湿循环得到的崩解物采用20、10、5、2、0.5 mm筛对试样进行颗粒分析。试验共进行10个干湿循环周期，由试验得到的颗粒级配变化曲线如图2所示。

图2 炭质页岩颗粒含量随干湿循环次数的变化曲线

试验结果表明，干湿循环对炭质页岩影响很大，干湿循环初期，>20 mm颗粒急剧减少，粒径为5～10 mm的颗粒随循环次数增加到峰值后迅速减小，而粒径为2～5 mm颗粒随循环次数的增加而逐渐增加，最终趋于稳定，而在整个试验过程中<2 mm颗粒含量增加较少。根据崩解试验结果，崩解过程中崩解物颗粒由大到小变化时，炭质页岩的崩解性逐渐减弱，在一定时间内可以完全崩解为松散堆积物，完全崩解后的炭质页岩颗粒组成稳定，这一试验结果为具有崩解性的炭质页岩用作路基填料提供了可能性。

3.2 炭质页岩填料击实特性

为研究炭质页岩填料的击实特性并分析炭质页岩填料粒径利用范围和压实效果，对不同粗粒料含量的炭质页岩进行室内击实试验，得到不同级配情况下填料的最佳含水率和最大干密度，为炭质页岩用作路基填料的设计和施工提供理论依据。试验规定土类填料粒径<5 mm、粒径>5 mm试样作为石类填料，最大粒径小于40 mm。依据《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)对含石率分别为10%、30%、50%、70%、85%的混合料进行击实试验，并对试验散点图进行曲线拟合，得到含石率-最大干密度-最佳含水率的关系曲线，如图3、图4所示。

图3 最大干密度与含石率的关系曲线

图4 最优含水率与含石率的关系曲线

结果分析：炭质页岩填料的压实特性与粗粒料含量密切相关。最大干密度、最佳含水率随着填料含石率的变化而发生改变，最佳含水率随含石率增大呈现减小的趋势，当粗粒料含量小于50%时，填料最大干密度由细粒料控制，粗粒料含量的增加对最大干密度影响较小，随着粗颗粒增加，混合料的结构形式由密实-悬浮结构逐渐转变为骨架-密实结构，粗细颗粒之间接触充分，孔隙填充好，干密度变大，含石率在70%左右时，最大干密度达到最大，当粗粒料含量继续增大时，混合料最终进入骨架-孔隙结构，孔隙填充差，最大干密度反而变小。

3.3 炭质页岩填料CBR值

炭质页岩填料的CBR值测试采用30击、50击和98击3种击数成型试件，分3层击实，浸水4昼夜，测得不同含石率下炭质页岩填料的CBR值，图5给出了不同含石率的炭质页岩试样CBR试验结果，图6、图7分别给出了CBR试验过程中试样膨胀率、吸水率与炭质页岩填料含石率的关系曲线。

图5 CBR值与含石率的关系曲线

图6 膨胀率与含石率的关系曲线

图7 吸水率与含石率的关系曲线

试验结果表明，炭质页岩填料CBR值随含石率的增大呈较好的正相关关系，且不同含石率的炭质页岩填料浸水4 d后，CBR值均满足规范中的相关规定，能满足作为路堤填料的要求。炭质页岩填料膨胀率与吸水率都较小，随着填料含石率增大均呈现负相关关系，且当含石率超过70%时，填料膨胀率有趋于稳定的趋势。

4 炭质页岩填料合理压实方式

4.1 炭质页岩填料的分形特征

填料的工程性质与其颗粒级配密切相关，刘晓明[9]、赵明华[10]、周翠英[11]等学者在研究红砂软岩作为路堤填料的适用性时，引入分形理论作为颗粒级配变化指标，指出采用简单动作破碎得到的软岩填料具有分形特征。根据不同压实方法压实前后炭质页岩填料的颗粒变化特征，引入分形粒子的颗粒质量-粒径关系见式(1)：

(1)

式中：M(r

将式(1)两侧同时取对数，并绘制log[M(r

为研究炭质页岩填料的分形特征，根据室内击实试验，分别采用不同击实功(30击、50击、98击)对具有不同粗粒料含量的试验样品进行击实，对击实前后不同粗粒料含量的炭质页岩试样进行粒度分析，对比击实前后颗粒级配变化状况，根据炭质页岩分形模型得到其击实前后不同分形维数(见图8)。分析不同击实功和不同粗粒料含量对炭质页岩填料分形维数的影响。

图8 分形维数与击实功关系曲线

试验结果表明：炭质页岩填料分数维随着击实次数的增加呈现增大趋势，击实功从30击变化到50击分数维增长明显，击实功达到50后，不同含石率试样分形维数均能达到2.5～2.6，与炭质页岩崩解趋于稳定后的分形维数基本吻合，且之后增长趋于缓慢，可以认为在50击击实后的炭质页岩填料达到了崩解性基本消除的程度，填料的水稳定性较好。

4.2 炭质页岩填料超粒径压实

炭质页岩作为路基填料填筑时最大粒径一般大于60 mm，不适合使用室内常规击实试验的方法。为了模拟现场炭质页岩填料反复“压碎-翻松”的实际情况，拟采取以下方法加以实现：

a.将初始粒径大于60 mm的炭质页岩碎块放入内径为15 cm的圆柱形压实容器中[见图9(a)]， 将制备好的试样安装在压力机上用压力机加压[见图9(b)]，采用应力控制，施加100 kN压力使试样压碎。

(a) 试样制备

b.将压实成型的试样置于脱模机脱模，使试样从圆形钢桶上顶出，放入铁盘中敲散翻松。采用60、40、20、10、5、2 mm标准筛对松散试样进行筛分，记录残留各筛上质量。

c.重复上述试验过程，并计算每次压实翻松之后颗粒的分形维数。图10分别为 “压实-翻松”1、3、5和7遍后试样颗粒变化情况，表1为压实后颗粒级配变化情况。

d.采用压力机对其他4组试样分别进行100、300、500、700 kN单次加压，对比重复“压碎-松散”试验与一次性加压压碎的试样级配变化，试验结果如图10～图12。

图10 试样翻松

表1 压实后级配情况Table 1 Grading after compaction压实遍数粒径(mm)组成含量/%>6040～6020～4010～205～102～5<2分数维112.936.925.410.95.34.24.32.11211.725.624.216.08.66.57.52.303026.923.819.610.38.411.02.344016.427.320.611.610.313.92.435016.222.421.212.911.416.02.486016.018.420.214.012.718.42.547015.915.519.215.113.520.82.55

图11 分形维数和干密度与压实遍数关系曲线

图12 分形维数和干密度与压力关系曲线

试验结果表明：随着压实遍数与压实功的增大，分数维也随之增大。在压实遍数为6次或一次加压500 kN时,分数维均能达到炭质页岩崩解稳定的分形维数，且之后增量较小。此外，随着压实遍数与压实功的增大，试样干密度也随之增大，增长速率随着压实遍数与压实功的增大逐渐减小，在压实遍数6次后，试样干密度变化趋于稳定，达到2.21 g/cm3，在一次性施加500 kN后干密度达到2.19 g/cm3，均满足炭质页岩路堤填筑压实度要求。对比反复“压实-翻松”试验与单次施加压力一次压实试验可达到的最大干密度可知，反复压实试验干密度大于单次施加压力达到的干密度，可见，反复“压实-翻松”过程可以减小试样的孔隙率，提高压实效果。试验结果可为现场炭质页岩填料的路堤填筑提供借鉴意义。

5 高填路堤稳定性分析

云南墨临高速公路沿线开挖段含有大量炭质页岩，为降低环境污染、减少建筑成本，需要大量采用炭质页岩作为路堤填料。填筑过程中高填方路段大多高于20 m，设计时采用了炭质页岩-碎石分层和包边相结合的设计方案。为研究炭质页岩填料高填路堤合理的结构形式，采用简化Bishop法计算分析不同夹层厚度(无夹层、0.5 m、1 m)与不同包边厚度(1、1.5、2、2.5、3 m)填筑的炭质页岩路堤整体的稳定性。式(2)为简化Bishop法计算土坡稳定安全系数的公式。

(2)

式中：

(3)

炭质页岩填料的黏聚力c=12.8 kPa，内摩擦角φ=24°，土体重度γ=22.6 kN/m3，夹层、包边碎石的黏聚力c=29 kPa，内摩擦角φ=25.8°，重度γ=18.0 kN/m3。

式(3)右侧也含有安全系数K，需要采用迭代计算。路堤堤身的稳定安全系数计算结果如图13所示。

图13 安全系数和夹层与包边厚度关系曲线

由图13可知，在无夹层填筑情况下，随着包边厚度的增加，安全系数始终小于1.3，路堤边坡处于欠稳定状态；碎石夹层为0.5 m时，安全系数随包边厚度呈正相关关系，当包边厚度小于2 m时，路堤安全系数小于1.3，当包边厚度大于2 m时，安全系数大于1.3，路堤处于稳定状态；当夹层厚度为1 m时，随着包边厚度的增加，安全系数也随之增加，且均大于1.3，边坡处于稳定状态。因此，对于炭质页岩高填路堤来说，宜采用碎石夹层与包边相结合的填筑措施，且夹层厚度宜大于0.5 m，包边厚度宜大于2 m。

虽在前期设计中已充分重视，主体路段采用夹层0.5 m，包边2.5 m较为保守的设计原则，但是在某些路段道路主体结构完工前后，仍然出现了路堤局部滑塌、失稳的情况，如图14所示。

(a) 情况一

炭质页岩高填路堤段位于亚热带季风气候，旱雨季分明，尤其雨季时雨量充沛、洪涝较多，针对路堤局部失稳情况，其可能原因为土体遇水饱和后重量增加，坡体抗滑力减小，水带来的静水压力导致产生水平推力。此外，根据室内试验结果可知，炭质页岩水理特性差，遇水软化、强度衰减，易造成边坡失稳情况的产生。针对炭质页岩高填路堤出现的工程病害，应做好炭质页岩路堤结构的防、排水和控湿设计，尽量在非雨季施工，保证雨水不渗入路堤内部。修建路堤后不宜改变地表水与地下水的排泄途径，路堤跨冲沟地段应设置涵洞。必要时可在坡脚部分设置支档结构，以加固处理后的复合地基作为挡墙的天然地基持力层，基础进入持力层的深度应满足抗滑与抗倾覆的要求，加密泄水孔间距，加大泄水孔深度，确保深入滑塌面后的稳定土体。

6 结论

a.炭质页岩的崩解是岩块由整体逐渐解体最终崩解为散体堆积物的过程，崩解过程中粒径为2～5 mm颗粒含量逐渐增加最终趋于稳定，崩解完成后的炭质页岩颗粒组成稳定，水稳定性好，为炭质页岩用作路堤填料提供了基础。

b.炭质页岩路用性能试验研究表明，炭质页岩可以用作下路堤填料，当粗粒料含量在70%左右时，填料击实性能最佳，CBR值满足规范要求。

c.经过压实后，稳定的炭质页岩分形维数与崩解稳定后的分数维基本一致，此时颗粒级配稳定，填料水稳定性好；且反复“压碎-翻松”的压实效果好于一次性压碎。建议工程施工时将炭质页岩填料分数维控制在崩解稳定后的分形维数2.5～2.7。

d.炭质页岩用作高填路堤填料时，宜采取夹层、包边相结合的设计方案，为保证炭质页岩路堤整体稳定性，结构设计时夹层厚度应不小于0.5m，包边厚度应不小于2 m。还应注意设计、施工时炭质页岩路堤的防水、排水措施，避免雨水渗入土体内部，造成路堤病害。