改良千枚岩填料压缩特性试验分析

张 扬

(莆田市生态水系建设投资管理有限公司,福建 莆田 351106)

拥有湄洲湾、平海湾及兴化湾的莆田持续进行港口基础设施建设，拓展其港口经济腹地[1]；在山区河流修建港口、道路等涉水工程时，用陆侧开挖料填筑涉水侧空间的措施来增加使用面积[2]。莆田某港口出露地层以千枚岩、凝灰岩及粉砂质片岩为主，岩体节理裂隙发育、易风化，水稳定性及强度均较低。若受山区地形狭长、优质填料短缺等限制，考虑部分采用软岩开挖料作为涉水侧的填方料。千枚岩等属工程软岩，其破碎料因不满足填筑标准而被弃用或限制使用；为降低港口填筑源料、解决挖填土料平衡问题，需对陆侧千枚岩开挖料进行改良，查明其压缩特性，并提出改良后土体填筑控制标准。

软岩破碎料工程性质及改良技术成为山区港口工程建设的研究重点。日本依据室内试验成果提出使用沉积软岩作为港区填筑料，但因水体及碾压荷载控制不当引发颗粒破碎，致使土体产生粉化效应，导致港口营运期间出现大量不均匀沉降问题[3]，这给予发展填料改良技术重要参考与警示。陈乐求等[4]探究泥岩破碎颗粒作为港口填料时提出水泥、石灰及粉煤灰3种外掺剂，认为外掺5%水泥填料力学性质最优；田雯菁等[5]在评价泥质粉砂岩填筑适用性时提出外掺20%粗砂方式进行改良，并指出填料颗粒破碎主要发生在运输及施工碾压过程；毛雪松等[6]认为千枚岩填料强度及水稳定性不足，建议控制粗粒含量的同时采用外掺水泥进行改良；对比改良前后不同浸水量下千枚岩填筑料承载能力衰减规律，认为累积变形与浸水量及其时间密切相关，土体施工期间应严格控制含水率，营运期间做好防水及排水设计[7]。从填料改良技术及工程适用性角度，考虑级配外掺硬岩骨料及水泥等方式均可作为改善软岩破碎料力学性质措施。

当前研究大多侧重于填料改良技术及浸水时效性，较少关注改良填料在施工碾压过程加卸荷压缩特性，而此特性却是控制填筑质量与评价土料强度变形的重要性质。基于水泥改良技术，控制初始含水率及干密度，采用侧限压缩固结仪探讨不同前期荷载加卸载作用时改良千枚岩填料压缩特性，为山区港口陆侧填料填筑施工质量控制提供参考。

1 试验材料及方案

试验所用千枚岩填料土取自莆田某港口陆域开挖区域，为弱风化状；其母岩单轴抗压强度天然状态16.8 MPa、饱和状态6.2 MPa，软化系数为0.37，水理性质差；X射线衍射试验表明，原岩主要矿物成分为云母56%、石英40%，其软化性质与不同含水状态下云母游离状态密切相关，富水时云母容易剥离，使得母岩强度降低程度显著。室内试验测定千枚岩颗粒相对密度为2.73，天然含水率为5.3%；保持小于2 mm细粒含量不变，对大于20 mm超粒径颗粒用2～20 mm颗粒依据等量替换法作缩尺处理，缩尺前后级配见图1；缩尺前后土体不均匀系数均大于15，曲率系数均介于1～3，为级配连续且均匀土；缩尺后土料最佳含水率为8.8%，最大干密度2.22 g/cm3。小于0.5 mm细粒组塑液限控制土体持水性质，测定其液限19.9%、塑限17.0%、塑性指数3.8，属低液限粉土型；因此，试验土体为含粉土砾。

图1 缩尺前后土料级配曲线

改良所用水泥为P.C42.5复合硅酸盐水泥，主要成分及其含量为SiO223%、CaO 65%及Al2O36%，初凝时间160 min，终凝时间230 min。依文献[8]按质量5%水泥作为改良外掺剂，与之适宜最佳含水率为8.3%，试样初始压实度M为60%(即为施工摊铺状态，空隙比为1.05)。试验仪器为三联侧限高压杠杆固结仪，采用百分表记录轴向变形；试样尺寸为直径79.8 mm、高20 mm圆柱体，轴向荷载以砝码配合杠杆方式施加。各级荷载以加载或卸载24 h后的读数作为稳定值[9]。

设定轴向碾压荷载P为50、100、200、400 kPa。单向加载方式：0→50→100→200→400 kPa。循环加荷等级为100、50、25、12.5 kPa(最大卸荷量为100 kPa)；加卸载方式及过程见图2，详细试验方案见表1。

表1 试验方案

图2 试验循环加荷方式

2 试验结果分析

2.1 碾压荷载影响

碾压荷载P表征后续荷载所承受施工阶段最大碾压荷载，不同P作用时土体变形也不同；整理单向加载作用下试验数据，得到土体总应变ε及压实度M随碾压荷载P变化曲线，见图3。从图3可知，土体ε及M均随P增大而增加，P<200 kPa时两曲线增幅均大于P>200 kPa。当P从0增加至50 kPa时试样压实度从初始60%增至73.2%，P继续增至200 kPa时，压实度增加了5.6%；随后增至400 kPa时，压实度增加了2.9%，增幅降低。这表明改良千枚岩填料在第一遍压实时应合理选用某一碾压应力设备，可选用碾压应力为200 kPa。

图3 ε及M随Q变化曲线

2.2 循环加载孔隙比分析

从土体三相结构可知，孔隙比e更便于工程后续沉降计算分析。因此，将不同应力状态下试验所测变形转换为e进行后续分析。图4为不同循环次数下e随轴向荷载P变化曲线。

a)Pmax=50 kPa

从图4可知，P相同时第1次加载曲线斜率较大，e减小趋势也最为显著；之后加载曲线倾斜程度随加卸荷循环次数增加逐渐降低，e随加卸荷循环次数增多而逐渐趋于稳定；此时荷载作用土体内部摩擦、机械咬合等粒间作用已达平衡，受力骨架形成。卸荷曲线均呈下凹形态，这说明加卸载引起塑性变形，且弹性变形恢复存在滞后性。当P为50 kPa时，外部荷载克服土样内部颗粒摩擦阻力作用不显著，但加卸荷作用下土样密实程度整体较低，不同加卸荷循环次数下试样孔隙仍存在减小趋势；当P为100 kPa时，外部荷载稍大于颗粒摩擦与咬合作用，导致不同加卸荷循环次数下试样孔隙变化规律不趋一致，加荷与卸荷曲线非线性明显；当P为200、400 kPa时，外部荷载显著大于颗粒间阻力，加荷过程最大程度促使颗粒间挤密，土骨架在加卸荷循环过程能快速形成并达到稳定，则回弹曲线近乎成直线状。

图4分析表明，不同P条件下土样压缩均主要发生在第1次加卸荷过程，且随P增加而显著增大；第2～5次加卸荷作用孔隙比较小，说明在P相同时多次重复加卸载对土体塑性变形影响不显著。水泥改良千枚岩填料在松铺后选择压实方法时应优先选择吨位稍大机械以一定时速静压，此方式能促使填料受力骨架快速形成；随后多次压实以增强土料受力颗粒骨架刚度。此现象还揭示了外掺水泥改良千枚岩填料在松铺土层碾压过程易被压实，且其密实程度受第一遍压实效果影响显著；若不改变压实机械，采用同一吨位及碾压模式机械进行多次压实时其密实程度增幅较小。

2.3 压缩指标分析

模量是材料抵抗外部荷载引起变形能力的度量，其量化方式与应力状态及应力路径相关。工程应用中依据压缩系数η、压缩模量Es等指标将土体分为高、中等及低压缩性土，中等及低压缩性土以η为0.1 MPa-1或Es为20 MPa为界限。根据试验加载方式，第1次加卸载属松铺状态，压缩指标差异性大，不能反映其压实后土体力学特性，因而η及Es均按第2～5次加荷段计算。卸载过程为多次逐级卸荷，回弹模量Er取大(或取小)均不能反映土体卸荷回弹变形，需分析选择能表征土体工程特性的区段进行量化；经对比分析，取第2～5次各级卸荷段回弹模量Er均值作为不同P下土体Er。数据整理结果见图6。

a)η/MPa-1

在图6a中，P为50～100 kPa时土体η均大于0.1 MPa-1，数值上前者大于后者；这说明土体在小于100 kPa荷载下经5遍压实作用后仍属中等压缩性，但100 kPa荷载作用后压缩指数显著低于50 kPa；P为200 kPa时经2～5次作用，试样η在0.1 MPa-1附近，填料从中等压缩性逐渐过渡至低压缩性；P为400 kPa时土体η显著小于0.1 MPa-1，属低压缩性土，此时加荷次数影响不显著。

由图6b可知，试样Es与η变化规律存在相似，仍以P为200 kPa为界可将碾压后填料划分为中等压缩性及低压缩性土体；但不同加荷次数间Es随P变化曲线近似呈平行分布，此现象说明在土体受荷骨架形成后，增加碾压次数不能显著改变颗粒间摩擦、镶嵌及机械咬合等接触形式，其压缩模量趋于稳定。

从图6c知，不同加卸荷次数下Er随P变化曲线呈先减小后增大趋势，并在200 kPa时达到极值，这表明200 kPa荷载作用时土体受荷骨架在克服颗粒间阻力从而达到间隙最小的效果显著，粒间搭接、咬合等接触紧凑，土体因颗粒间隙调整而产生塑性变形增大，致使颗粒间弹性变形小，宏观体现为回弹模量显著小于其余碾压荷载。当P为50、100、200 kPa时Er分布较为集中，为400 kPa时相对分散，此现象说明当过大荷载作用时，经第1次作用可能引起土料局部颗粒破碎，细粒进一步填充间隙，增大密实性，土体受力骨架得到增强，后续荷载作用时引起弹性变形增大，Er自然增加。

3 讨论

a)水泥改良压实效应微观特性分析。通常土体由孔隙气、孔隙水及土骨架三相物质构成。与级配、母岩性质等[6-7]改良方式不同，土体颗粒在外掺水泥颗粒聚合作用下普遍以搭接、镶嵌结构形成强度更大的受力骨架，局部水泥水化形成局部胶结物填充粒间空隙，进一步将土颗粒以桥接形式相连，增大了颗粒间摩擦阻力[9-10]；另外，水泥颗粒团聚作用使得小颗粒聚集成大颗粒，这一定程度上提高了小颗粒在形成受荷骨架作用，颗粒利用率增大[11-13]，其微元示意见图7。在此微观作用下，较小外部荷载引起土体内部颗粒出现摩擦滑移、翻转镶嵌及棱角磨碎等位置调整频度降低[7]，宏观体现为改良千枚岩填料压实程度较低。当碾压荷载增至一定量时(200 kPa)外荷载克服颗粒间阻力而引起颗粒位置调整频度增大，加剧了颗粒骨架重构，颗粒间隙降低[14]；此过程中土体回弹变形小，回弹模量降低，变密实后可压缩性降低(图6)。

图7 水泥改良填料微元示意

b)施工碾压工艺选择。外添水泥改变了颗粒表面摩擦特性及粒间空隙，引起改良后土料最佳含水率及最大干密度与室内试验值存在偏差[6]，这易被实际碾压施工所忽略，建议工程填筑过程以摊铺后首次选择合理吨位碾压机械静压1遍后调整碾压方式或更换机械吨位再次往复碾压，如振动碾压[15]。

4 结论

a)改良千枚岩填料加载曲线倾斜程度随加卸荷循环次数增加逐渐降低，第1次最大；孔隙比随加卸荷循环次数呈下凹形态。当碾压荷载100 kPa时加荷与卸荷曲线非线性显著，200、400 kPa时回弹曲线近乎成直线状。

b)不同碾压荷载下土体变形均主要存在于第1次加卸荷过程，随碾压荷载增加而显著增大，多次重复加卸载对累积塑性变形影响不显著。压实度在200 kPa时增幅达到极值。

c)碾压荷载50、100 kPa时土体经5遍压实作用属中等压缩性，200 kPa时填料从中等压缩性逐渐过渡至低压缩性。不同加卸荷次数下回弹模量随碾压荷载变化曲线呈先减小后增大趋势，200 kPa时取极值；这表明改良千枚岩填料在第1遍静压时宜选用碾压应力为200 kPa，后续施工可适当提高碾压应力。