炭质页岩填料路用性能及路基填筑技术探究

高朝

甘肃省公路交通建设集团有限公司 甘肃 兰州 730030

近些年来，炭质页岩填料在路基填筑施工中的应用越来越多，但是鲜有施工技术人员或者科研人员对炭质页岩填料的路用性能和填筑施工技术开展应用分析和研究。故而，深度梳理总结炭质页岩填料的路用性能，从而为炭质页岩填料的路基填筑施工提供一些技术参考，这对于保障炭质页岩填料路基施工的质量和安全而言具有一定的积极意义。

1 炭质页岩填料的路用性能技术指标

根据目前市政公路和高速公路的一些技术规程来看，要使得炭质页岩填料路基的施工质量符合有关技术规程的标准要求。就需要从粒度不均匀系数和粒度曲率系数、室内承载比（CBR）、压缩指标、抗剪强度等角度对其进行路用性能施工技术指标确定[1]。

1.1 粒度不均匀系数和粒度曲率系数的确定

由于路用填料普遍是由各种形状不一、大小不等的岩土质颗粒组成，而且这些颗粒的组成特征将会对整个填料的工程特性产生重要影响[2]。在行业内，对于路用填料颗粒的级配情况，一般用粒度不均匀系数和粒度曲率系数来表示。粒度不均匀系数的计算式如式1所示，粒度曲率系数的计算式如式2所示。

在式1和式2中，Cu表示炭质页岩填料的粒度不均匀系数，该系数在此次探究中是用来反应炭质页岩填料颗粒的不均匀程度，通常情况下当Cu＜5时可认为炭质页岩填料级配不良、当Cu＞10时可认为炭质页岩填料级配良好；Cs表示炭质页岩填料的粒度曲率系数，该系数在此次探究中是用来反应炭质页岩填料的颗粒连续级配情况，通常情况下当Cs＜1.0时可认为炭质页岩填料颗粒连续级配不良，当1.0≤Cs≤3.0时可认为炭质页岩填料颗粒连续级配良好。d10表示炭质页岩填料中相当于累计百分含量为10%的粒径，且该种类型粒径常被称为“有效粒径”；d30表示炭质页岩填料中相当于累计百分含量为30%的粒径；d60表示炭质页岩填料中相当于累计百分含量为60%的粒径，且该种类型粒径常被称为“限制粒径”。

需要特别值得注意的是，一般在道路工程填筑施工中，对于路基填料，通常将Cu＞5且1.0≤Cs≤3.0作为填料颗粒均匀程度和颗粒连续级配的控制标准[3]。因此本次探究也将以Cu＞5且1.0≤Cs≤3.0作为炭质页岩填料颗粒均匀程度和颗粒连续级配的施工技术控制标准。

1.2 室内承载比（CBR）的确定

岩土的室内承载比（CBR值），指的是标准试件在贯入量为2.5mm时所对应的施加荷载与试验岩土料在相同贯入量时所对应的施加荷载之间的比值，CBR值通常以百分率（%）的形式进行表示[4]。对于任意一种路基填料，其CBR值都可以用来表示其被用于填筑路基后，对应填料局部路基的水稳定性和抗剪强度[5]。是非常重要的、能够保障填料路基在经受水的长期浸泡作用下路基结构仍然不受破坏的施工技术指标。故而对于炭质页岩填料而言，其是否能够用于路基填筑，需要进行CBR值的试验确定。目前，我国现行的最新《路基填筑规范》要求，各类路基填筑料的CBR值，需要满足如表1所示的技术标准要求。

表1 各类路基填筑料的CBR值技术标准要求

当使用炭质页岩作为路基填料时，其CBR值需要根据路基填筑的类别，以及道路的设计等级，按照表1的CBR最小值需求对其进行控制。

在我国的西北甘肃地区，有部分一级公路的填筑上路床，便是使用的炭质页岩作为填筑料。研究者选择了三段炭质页岩填料上路床进行CBR值试验测定，发现当填料压实度为93%时，其CBR值为7.6；当填料压实度为94%时，其CBR值为7.8；当填料压实度为95%时，其CBR值为8.1；当填料压实度为96%时，其CBR值为8.5。由此可以判断，炭质页岩的CBR值将随着填料压实度的增长而增长。在开展炭质页岩填料路基施工时，需要根据公路的修筑等级，以控制填料压实度的方式控制其CBR值。

1.3 压缩指标的确定

填料材料的压缩定律，是保障填料路基施工质量的基本定律之一，其计算式如式3所示。

在式3中，a表示是路基填料的压缩系数，其单位为MPa-1；e1表示路基填料的设计承载力，其单位为MPa；P1表示路基填料在受到设计承载力作用境况下的孔隙比；e2表示路基填料的极限承载力，其单位为MPa；P2表示路基填料在达到自身极限承载力作用境况下的孔隙比[6]。

根据式3可以看出，路基填料的压缩系数与路基填料自身的承载能力紧密相关。在行业内，普遍认为当压缩系数a＜0.1MPa-1时，对应填料的压缩性为低压缩性；当0.1MPa-1≤压缩系数a＜0.5MPa-1时，对应填料的压缩性为中压缩性；当压缩系数a≥0.5MPa-1时，对应填料的压缩性为高压缩性。

研究者在此，同样是以我国西北甘肃地区的部分公路炭质页岩填料上路床为试验对象，经试验测得的压缩指标如表2所示。

表2 我国西北地区部分公路的炭质页岩填料上路床压缩指标

通过表2的试验结果可以看出，当炭质页岩填料承受的荷载间隔为0～300KPa时，其压缩系数值分别为0.15，0.14，0.13，符合0.1MPa-1≤压缩系数a＜0.5MPa-1的判定标准，此时炭质页岩填料呈现中压缩性，且压缩模量也比较稳定。当炭质页岩填料承受的荷载间隔为300～400kPa时，其压缩系数值分别为0.05，相较于荷载间隔为0～300kPa时压缩系数而言，大幅缩小，且符合a＜0.1MPa-1时的判定标准，此时炭质页岩填料呈现低压缩性，且压缩模量出现大幅变化。由此可以得出判断，炭质页岩填筑料，在一定的压力荷载作用下，其压缩指标将呈现低压缩性状态，呈现低压缩性状态时可以作为比较稳定的路基填筑料使用。

1.4 抗剪强度的确定

抗剪切强度，是炭质页岩作为路基填料，维护路基抵抗“失稳”的重要性指标[7]。但是对于包含炭质页岩在内的各种填筑料而言，在进行抗剪强度试验时，实验条件为“填筑料干样不加水开展剪切”、“填筑料先水浸开展剪切至破坏”、“填筑料达到固结后水浸再剪切至破坏”，得到的抗剪切强度测定值如表3所示。

表3 我国西北地区部分公路的炭质页岩填料上路床压缩指标

通过表3的试验统计结果可以看出，炭质页岩填料对于水浸十分敏感，受水浸的炭质页岩填筑料抗剪切强度较低。因此，在开展炭质页岩填料路基施工时，一要避免在冬雨季施工，二要在施工期间做好防雨防水浸措施，三要做好填料施工区域的地下水抽排和地表水疏导工作。

2 炭质页岩填料的路基填筑技术

在充分掌握了炭质页岩填料的路用性能技术指标控制值之后，以具体的案例工程项目施工实践，为我国西北甘肃地区的炭质页岩填料路基施工提供一点基于实践应用层面的参考借鉴。

2.1 案例工程项目概况

位于我国西北甘肃省内的某一级公路建设项目，在项目的建设施工前期，透过详细的地质勘察，得出该公路项目某段建设区域内的地质构造情况如表4所示。

表4 案例公路工程项目某建设区段地质构造情况

透过表4我们可以清楚地看出，案例项目某建设区段的地质构造是属于严重的炭质页岩不良地段，且相应区域内的地质构造层囊括强风化炭质页岩、中风化炭质页岩和微风化炭质页岩。根据地勘的钻探试验数据来看，建设区域内地坪标高以下2m深度范围内，炭质页岩的密度较低（孔隙多），粘聚力不足，内摩擦角偏小、泊松比偏大，抗剪切能力弱，施工期间存在较大的岩土“失稳”安全隐患。地质构造层中，微风化炭质页岩的物理力学指标也不理想。因此针对该建设区域内的炭质页岩填料路基施工，需要编制非常具有针对性的施工技术方案。

2.2 案例项目施工技术方案

案例项目的施工技术人员认为，炭质页岩建设区段的页岩层深度足足有4m深，完全采用挖除换填的方法，才能保障路基的施工质量和稳定性。但是换填料如果全部选择其他材料，则项目的施工成本将会大幅增加。因此决定充分利用原区域的炭质页岩层，将其挖除后，再与一些未风化的炭质页岩混合均匀（依托监测粒度系数进行控制），通过夯实振动，控制填料的压实度、承载比等，从而使得该区域的填料施工能够在保安全、保质量的境况下顺利实施。具体的施工方案步骤如下：

（1）通过详细的地质勘测，确定建设区域内炭质页岩的分布范围，并根据分部范围的外边线，向外扩展3m，以保障区域内原炭质页岩能够被完全挖除；

（2）当建设区域内的原炭质页岩层被完全挖除后，借助测量仪器设备符合基底的标高，并通过密实度试验，检测基底的压实度是否符合设计要求，倘若不符合要求，边使用碾压机械来回碾压，直到基底的压实度达到设计标准为止，而后再对基底进行人工清理；

（3）在开展基底测试和基底压实度检测期间，同步开展原炭质页岩层的破碎、填料混合工作，以粒度不均匀系数Cu＞5和1.0≤粒度曲率系数Cs≤3.0作为炭质页岩混合填料颗粒的连续级配控制标准；

（4）为了避免施工期间的地下水和地表水，对炭质填料的抗剪强度造成不良影响，因此在填料开展摊铺压实前，便在填料区域四周分别设置地下水降水井和地表水排水沟，用以降低地下水位标高和疏导地表水；

（5）在新的炭质页岩混合填料实现均匀混合后，将其运至填筑范围内分层摊铺、分层夯实，每层摊铺厚度控制在0.5m，每层的机械施加荷载间隔控制在0～300kPa，这样才能有效表彰炭质页岩填料的压缩指标符合[0.1MPa-1，＜0.5MPa-1]的控制标准；

（6）根据表1所示的CBR最小值要求，在路基填料施工区域内，每一层的摊铺料完成碾压夯实后，即进行不同深度区域范围的CBR压实度检测，检测结果符合CBR最小值要求后，方可进行下一道填料摊铺和碾压夯实作业。

案例项目的炭质页岩填筑施工区段，紧紧围绕本文第1章节的有关性能技术指标确定方式，制定涵盖上述（1）～（6）项关键施工内容的技术方案，最终取得了较好的施工效果。

3 结语

对于炭质页岩填料，在路基施工中的实践应用，掌握其路用性能指标是进行科学实践的第一步。分别从粒度系数、承载比CBR值、压缩指标、抗剪切强度等角度梳理掌握炭质页岩填料的路用性能。而后以我国西北地区甘肃省内的某公路项目部分建设区段路基填料施工为案例，开展地质构造指标分析和施工技术方案分析，从而为我国的炭质填料路基施工提供一点参考。