千枚岩填方路堤变形特性及防水防渗处治研究

付 强

（四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

千枚岩易受水的影响变得软化，从而又被称为软岩，具有较强的吸水性和可压缩性，会造成较大的变形。四川省姚渡至广元高速公路中存在部分使用隧道挖出的千枚岩填筑的路基路段。在2010年，四川省广元市境内接连遭遇强降雨，青川县、宝轮镇多处发生泥石流、道路垮塌，受损严重。G5合同段杜家山进口和出口段施工图设计为填沟通过，利用隧道弃渣，减少弃方量，最大填高为17.19m，采用隧道开挖的千枚岩用作路基填料。G6合同段停车场为高填方路堤，最大填高24.8m。“8.19”洪水前，G5、G6合同段路基施工已完成，G6合同段已准备好将填方场用作预制场。遇洪水时，本段路基受洪水影响，水进入路基使绢云母千枚岩软化湿陷，路基遭到严重破坏。G5合同段填方路基被洪水冲走，G6合同段路基不均匀沉降，路基表面局部形成波浪状。本文对两种极限干密度破碎千枚岩压实土样进行固结试验，研究了千枚岩作为路基填料的变形特性及其变更处治方案。

1 千枚岩的理化性能

千枚岩外表一般为黑色至深灰色、紫红、灰褐色、银灰色等。由于千枚岩长期受到风化作用，按照风化程度由小到大，千枚岩可以分为弱风化、中风化及全风化。其中弱风化千枚岩保留着完整的结构，中风化千枚岩结构破坏较弱，呈块状，全风化千枚岩结构被破坏程度较深，呈现为片状并夹杂着碎块。诸多学者通过高倍电子显微镜观察千枚岩内部构造，研究千枚岩的微观结构。毛雪松等人[1]利用扫描电镜分析了全风化千枚岩的微观结构。结果表明，全风化千枚岩材料成分为云母和石英，并夹杂少量不透明金属矿物。根据形成千枚岩的各种原始岩石类型，千枚岩可分为许多类型，包括由粉砂岩组成的石英千枚岩、由黏土岩组成的硬绿泥石千枚岩、由中基凝灰岩组成的绿泥石千枚岩和由酸性凝灰岩组成的绢云母千枚岩。本研究中使用经开挖破碎的破碎状绢云母千枚岩。通过对千枚岩变形特性的研究分析，了解其应用于公路路基填料的技术指标是否满足规范要求，并为后续工程改良利用提供理论支持。

2 破碎千枚岩固结试验

千枚岩在开挖后破碎，破碎的千枚岩浸水后呈现类软土性质，表明水对破碎的千枚岩有不利影响。因此，有必要研究水对破碎千枚岩填料的具体影响。当挖掘出的千枚岩用于路基填充时，通过碾压进一步压碎。因此，用破碎最为严重的千枚岩进行试验，测定其干密度。试验结果表明，破碎状千枚岩压实土样最大和最小干密度分别为2.16g/cm3和1.77g/cm3。

通过固结试验研究破碎千枚岩经重塑压实后在水的作用下的湿陷性和湿胀性，试验现场如图1所示。

图1 压实千枚岩的固结试验现场图

试验分别采用极限干密度为2.16g/cm3和1.77g/cm3的两种破碎千枚岩压实土样，按照加荷载和浸水的先后顺序不同分为四组试验，进行以下研究：（1）压实土样在有无荷载情况下遇水分别呈现湿陷性还是湿胀性；（2）遇水湿胀或湿陷程度的大小；（3）研究不同条件下破碎状千枚岩压缩性大小，按照压缩性进行分类，确定其属于低压缩性、中压缩性及高压缩性土；（4）研究其在不同压实度下的变形大小。试验条件见表1。

表1 设计试验条件

3 试验结果分析

3.1 不同条件下的试验结果

根据表1设计的4种试验条件分别进行试验，试验过程曲线如图2所示。

从图2（a）中CD段可以看出，破碎千枚岩的压实土样在施加荷载后浸入水中，应力出现减小，这是因为发生了应力松弛。结果表明，破碎千枚岩土样在荷载作用下浸水具有湿陷性。

从图2（b）中BC段可以看出，破碎千枚岩压实样在无荷载情况下浸水，出现随时间增加应力出现减小现象，这是因为发生了应力松弛。结果表明，破碎千枚岩土样在无荷载作用下浸水具有湿陷性。

从图2（c）中BD段可以看出，与（a）结果相似，破碎千枚岩压实土样在有荷载的情况下浸水出现应力松弛现象。结果表明，破碎千枚岩土样在荷载作用下浸水具有湿陷性。

从图2（d）中BC段可以得出结论，破碎千枚岩压实土样在没有荷载的情况下浸水出现应力松弛现象。结果表明其具有无荷载条件下浸水湿陷的特性，但其量很小。

最大干密度和最小干密度条件下的湿陷变形应变与应力的关系曲线见图3。从图3（a）可知，随着压力增加，试样湿陷变形量也在增加，表明破碎状千枚岩压实土样湿陷变形量与压力成正相关。

从图3（b）可知，随着压力增大，试样湿陷变形量有增加趋势，在压应力超过60kPa左右后随着压力的继续增大，湿陷变形量逐渐减小。这是因为该试样密度小，在压力作用下试样被逐渐压实产生变形，干密度变大，达到最大密度后，则湿陷变形就会变小。

图3 不同干密度条件下湿陷变形应变与应力的关系曲线

最大与最小压实度条件下的不同加水顺序的试样浸水压应力、应变关系曲线如图4所示。

图4 最大与最小压实度试样不同加水顺序的压应力、应变关系曲线

从图4（a）、（b）可以看出，同样环境条件下，压实度的不同，土体的变形差别会很大，相同压力时，压实度为2.16g/cm3的试样变形远远小于压实度为1.77g/cm3的试样变形。按照土样条件对破碎千枚岩压缩特性测定，结果见表2。

表2 千枚岩土样压缩特性

3.2 试验结论

（1）根据图2所示的试验结果，破碎压实后的千枚岩料具有湿陷特性，黄土是湿陷土，被列为特殊土类，所以用千枚岩料填筑路堤要非常小心，尽量不用。

（2）根据图3所示试验结果，破碎千枚岩压实土的湿陷是非常严重的。规范把湿陷系数大于0.015的土称为湿陷土，而图3（a）、（b）的纵坐标的值都远大于0.015。

（3）按图4试验结果估算，若用压实的破碎千枚岩筑5m高的路堤，则遇水自身湿陷量可能超过10cm。

（4）按照图4所示的极端压实结果试验，不同压实度、或不同压实效果的千枚岩体变形量可相差3～4倍。目前变形量是影响路堤质量的主要问题。因此，若要用废弃的千枚岩作路堤填料，要十分注意压实质量。

（5）根据表2所示结果分析，破碎状千枚岩压实土样具有中、高压缩性，不宜直接用作路基填料，如果用作路基填料，需对路基进行防止水渗透处理。

4 千枚岩路基的处治方案

上述试验结果表明，压实的破碎千枚岩不宜直接填筑路基，需采取以防止水损害为主要目标的处治措施，以保证其路基稳定性。具体措施如下。

（1）清除路基上部填方填料，控制厚度为路面底面以下1.5m。

（2）在清除路基顶部1.5m后，铺设防渗土工布，防渗土工布要求技术指标600g/cm2。并且为了保护土工布不被破坏，需要在防渗土工布上铺设5cm厚黏土。

（3）路基边坡需要先铺设一层防渗土工布，再采用20cm厚C15素混凝土现浇封闭。路堤每级平台边坡坡脚处设C15素混凝土支撑带，断面尺寸0.5m×0.5m，与坡面防护混凝土现浇成整体，保证稳定。

（4）路基上部填筑砂砾石或较好的隧道弃碴填料至路面底面标高，并保证压实度；同时为了防止防渗土工布被大颗粒填料破坏，距离土工布30cm的范围内使用粒径较小的集料填筑。

（5）路面底部铺设一层技术指标要求为600g/cm²的不透水土工布，同时在土工布上面铺设土工格栅，以提高路面整体性，避免发生不均匀沉降；路基填筑高度＞8m时，铺设三层土工格栅，路基填筑高度＜8m时，铺设两层土工格栅。

（6）在换填部分下部、边坡平台处以及坡脚处，每间隔5m布设一根5m长、直径10cm打孔PE管，并且保证外侧高度低于内侧高度，坡度在3%～5%之间，作用是及时排出坡体内的水分。

（7）路基迎水面应采取排水措施，避免山坡水对路堤的直接影响。路基边沟可尽量利用，必要时可根据实际情况增加。

5 结束语

本文通过压实试验及不同条件下的固结试验对破碎状千枚岩的极限干密度及变形特性进行了分析，结论如下：

（1）破碎状千枚岩压实土样的最大及最小干密度分别为2.16g/cm3和1.77g/cm3。

（2）破碎状千枚岩压实土样具有较强的湿陷性，其湿陷系数远大于0.015，其中，干密度为2.16g/cm3的试样的湿陷系数达到了3左右，并且干密度较大时，试样的变形量较小。表明破碎状千枚岩不宜直接用作路基填料。

（3）对破碎状千枚岩用作路基填料时进行了防水防渗处治研究，主要目的是隔绝或减少地下水及地面水渗透进路基中，对路基产生不利影响。经过处治后的破碎千枚岩可以用作路基填料。