1. 引言
为实现千枚岩的工程资源化利用，众多学者针对其力学特性与改良技术开展了大量系统性研究。受试验条件、研究技术手段等因素的显著，已有研究成果主要聚焦于千枚岩的基本物理性质与压实特性，即：通过室内基础试验确定其最优含水率、最大干密度等关键参数，分析不同压实工艺对填料密实度的提升效果，厘清千枚岩的压实特性与路用性能。随着岩土力学试验技术和微观测试手段的发展，为深入探究千枚岩的水稳定性演化规律、动力荷载下的响应特征及性能劣化的微观作用机理创造了有力条件。同时，千枚岩的改良技术也从单一的化学掺料或物理级配调整，向多技术协同的复合改良方向转型，且技术体系日趋成熟完善。本文通过整合近年来千枚岩路基填料领域的相关研究成果，剖析其力学特性的内在制约因素与演化规律，梳理各类改良技术的研究现状、适配场景与应用效果，旨在为千枚岩路基的设计优化、施工管控与长期运维提供实用的参考价值。
2. 千枚岩路基填料基本力学特性
2.1. 物理性质与压实特性
千枚岩的物理性质由其变质成因与风化程度决定，直接主导其压实性能与路用适配性。天然千枚岩多经历区域变质与后期风化作用，颗粒呈典型的板状或片状形态，颗粒长径比大且级配离散性强。表1与图1为长沙市茶绕高速沿线的典型千枚岩混合填料颗粒级配试验结果。土样的不均匀系数Cu为48.45，曲率系数Cc为0.81，不满足不均匀系数需大于5且曲率系数Cc在1~3之间的要求，属于级配不良土，且千枚岩颗粒变异离散型较大。此外，部分未强风化的千枚岩填料虽级配曲线连续，但因片状颗粒间黏结力微弱且易形成架空结构，常规碾压工艺下压实度难以突破90%，显著低于普通碎石土的压实水平。
千枚岩填料的压实特性受含石率与含水率影响显著。图2为长沙市茶绕高速部分路段千枚岩混合填料的典型击实特征曲线，结果表明，千枚岩填料的干密度受含水率影响较大，在施工压实时应将填料含水率控制在最佳含水率附近。李健等[1]通过击实试验发现，千枚岩填料的含石率达到55%时，其最大干密度达到峰值2.358 g/cm3，为最佳级配。含石率过高会导致颗粒间空隙增大，压实效果下降；含石率过低则细颗粒含量增多，易因水敏性产生软化。饶桐等[2]进行的现场压实试验表明，千枚岩填料经羊角碾破碎 + 振动压实组合工艺处理后，压实度可达到94%以上，基本满足高速公路路基要求，验证了合理压实工艺对改善千枚岩压实性能的重要作用。
Table 1. Typical filler gradation parameters of schist
表1. 千枚岩典型填料级配特征参数
控制粒径(mm) |
限制粒径(mm) |
不均匀系数 |
曲率系数 |
5.33 |
0.11 |
48.45 |
0.81 |
Figure 1. Typical grain size distribution curve of slate filler
图1. 千枚岩典型填料级配曲线
Figure 2. Compaction characteristic curve of shale filler
图2. 千枚岩填料击实特征曲线
2.2. 抗剪强度特性
天然千枚岩的抗剪强度较低，黏聚力通常在34~50 kPa之间，内摩擦角35˚~40˚，且受含水率影响显著。蒲超等[3]通过三轴压缩试验发现，千枚岩的抗剪强度与围压呈显著正相关，最大主应力随围压增大线性增长；在低围压下呈张–剪复合型破坏模式，当围压大于10 MPa时转变为沿节理面滑动的剪切破坏，破裂面完全贯通且断面平整，体现出围压对剪切破坏形态的调控作用。
千枚岩的抗剪强度还与风化程度密切相关。强风化千枚岩因颗粒破碎严重，黏聚力仅为弱风化千枚岩的60%~70%，且剪切过程中易发生颗粒滑移，表现出应变软化特性。赵秀绍等[4]的研究表明，千枚岩与红黏土混合后，红黏土的细颗粒可填充千枚岩颗粒间隙，增加颗粒间点面接触，使混合土的黏聚力提升至45~60 kPa，内摩擦角保持在40˚以上，抗剪强度显著改善。
此外，一些学者通过单轴压缩试验揭示了千枚岩的力学性能关联规律[5]：其峰值应力区间分布在70~105 MPa，且存在明显的性能正相关关系，即弹性模量越大，峰值应力越高，对应的应力–应变曲线也越陡峭，岩体的脆性特征就越突出。千枚岩在单轴加载下的破坏形式以竖向拉伸破坏和Y型剪切破坏为主，仅少数表现为X状斜面剪切破坏，从细观层面分析，其破坏本质是颗粒间发生错动而引发的拉伸损伤。通过PFC3D数值模拟验证发现，千枚岩弹性模量与峰值强度的模拟值和室内试验实测值吻合度较高，裂隙扩展形态也与实际破坏特征基本一致，这一模拟手段可有效揭示千枚岩强度特性与破坏行为的内在关联。
2.3. 水稳定性与崩解特性
千枚岩中含有的蒙脱石、绿泥石等亲水矿物，遇水后会发生膨胀，导致颗粒间联结力丧失，产生崩解现象，因此水稳定性差是千枚岩作为路基填料的主要瓶颈。对千枚岩填料的干湿循环试验表明，其崩解量随循环次数增加呈线性递增趋势，耐崩解性逐渐降低；浸水48 h后，千枚岩的单轴抗压强度可下降50%以上，软化系数小于0.52，属于劣质软岩[6]。
另外，千枚岩的崩解特性与颗粒级配、含水率密切相关。通常，填料中粒径小于0.075 mm的细颗粒含量越高，土体的崩解速率越快；在千枚岩填料在最优含水率附近崩解率最低，而含水率过高或过低都会加剧崩解。有研究发现[7]，纯千枚岩在浸水10 min内即可完全崩解，而掺入3%水泥后，崩解速率降低至原来的1%，水稳定性显著提升。对于千枚岩土石混合料，其崩解时间可缩短至4~5 min，水稳定性更差，长沙市茶绕高速部分路段千枚岩混合料的崩解特性试验结果如图3与图4所示。
2.4. 动力响应特性
路基在运营过程中承受车辆循环荷载作用，其动力响应特性直接影响长期稳定性。千枚岩的动力特性主要表现为累积塑性应变、弹性应变及滞回特性。未改良千枚岩在振动次数达到600~800次后，总应变超过15%，达到破坏条件；而掺入水泥后，累积应变可控制在1%以内，表现出良好的动力特性[8]。
Figure 3. Collapse ratio curve of phyllite soil rock mixture
图3. 千枚岩土石混合料崩解率曲线
Figure 4. Collapse rate curve of phyllite soil rock mixture
图4. 千枚岩土石混合料崩解速率曲线
另外，千枚岩的动力响应受荷载频率、围压等因素影响。循环荷载频率为2 Hz时，千枚岩的累积塑性应变增长速率最快；围压增大可抑制颗粒滑移，减少累积变形，表现在其动弹性模量显著增大。此外，千枚岩的滞回圈形状随振动次数演化，从初始的不规则图形逐渐向柳叶形过渡，体现了土体的密实化过程。
2.5. 本节小结
千枚岩填料力学特性受自身结构与环境影响显著，核心缺陷集中于压实、强度与稳定性三方面。物理层面，其颗粒多呈片状，级配差异大，天然状态下易形成架空结构，常规碾压难以密实，需通过调控含石率或优化压实工艺改善；抗剪强度随含水率升高与风化程度加剧而降低，水浸会削弱颗粒间胶结力，与红黏土等材料混合可通过颗粒填充提升强度；水稳定性是关键短板，亲水矿物遇水易膨胀崩解，干湿循环会持续加剧这一问题；动力响应上，未改良千枚岩承受循环荷载时易产生累积变形，抗动载能力较弱，围压增大或改良处理可有效缓解。
3. 千枚岩路基填料改良技术研究进展
3.1. 化学改良技术
化学改良是通过掺入无机或有机结合料，改变千枚岩填料的物理化学性质，提升其工程性能，是目前应用最广泛的改良方式。
3.1.1. 水泥改良
水泥作为常用的无机结合料，通过水化反应生成胶结物质，增强颗粒间联结。研究表明，水泥掺量3%~5%时改良效果最佳：毛雪松等[9]运用水泥进行千枚岩填料改良，发现3%水泥掺量可使千枚岩的回弹模量线性增大，现场挠度减小；方鹏等[10]对比了3%、4%、5%三种掺量下千枚岩填料的改良效果，发现掺入4%、5%水泥后，千枚岩填料的CBR显著提高，并且确定对千枚岩填料掺加4%水泥的改良方案经济更合理。
水泥改良的核心机理在于水化反应与火山灰效应的协同作用。当水泥掺量为3%~5%时，其水化生成的钙硅酸盐水化物(CSH)与水化铝酸钙(CAH)可在千枚岩颗粒表面形成胶结膜，填充颗粒间隙并构建连续胶结网络；同时，水化产生的氢氧化钙为千枚岩中活性SiO2、Al2O2提供碱性环境，激发火山灰反应，生成额外胶结物质，进一步提升土体整体性。
3.1.2. 石灰改良
石灰改良千枚岩的核心作用是离子交换与火山灰反应。石灰与千枚岩颗粒表面的阳离子发生交换，降低颗粒亲水性，促进颗粒团聚；同时，石灰水化生成的氢氧化钙与千枚岩中的二氧化硅、氧化铝反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，提升强度与水稳定性。
赵秀绍等[11]的试验表明，石灰改良千枚岩的最佳掺量为3%，此时填料的自由膨胀率可从12%降至5%以下，水稳定性大幅改善；当掺量超过3%时，改良效果增幅不足5%，且会因石灰消解不完全导致后期体积膨胀风险。需注意的是，石灰改良的早期强度较低，7 d强度仅为28 d强度的40%~50%，需保证不少于7 d的保湿养护期，待火山灰反应充分后才能发挥设计强度，因此适用于下路堤等对早期强度要求不高的填筑部位。
3.2. 物理改良技术
物理改良通过调整千枚岩的颗粒级配或压实工艺，改善其密实度与结构稳定性，具有环保、成本低的优势。
3.2.1. 颗粒级配调整
通过掺入粗颗粒材料(如碎石、砾石)或细颗粒材料(如红黏土、粉质土)，优化千枚岩的级配组成。例如在千枚岩中掺入的红黏土后，颗粒间隙得到有效填充，压实度得到显著提高；魏佩顺的研究[12]表明，含石率55%的千枚岩级配最为合理，此时改良土的压实性能与抗剪强度最优。颗粒级配调整的关键是使填料形成密实的骨架结构，减少空隙率，提升抗变形能力。
3.2.2. 压实工艺优化
合理的压实工艺是保证千枚岩路基压实质量的关键。可选用“羊角碾 + 重型振动压路机”组合设备：羊角碾利用突出碾轮的集中压力(可达1400~7000 kPa)，进行片状颗粒破碎、打破架空结构；26t级重型振动压路机则通过高频振动(2~4 Hz)促进细颗粒填充间隙，提升密实度，二者协同解决千枚岩“难破碎、难密实”问题[13]。
3.3. 复合改良技术
复合改良结合化学改良与物理改良的优势，通过多种改良剂或技术的协同作用，全面提升千枚岩的工程性能，是近年来的研究热点。
3.3.1. 水泥–红黏土复合改良
赵林浩等[8]的循环荷载试验表明，水泥可通过胶结作用降低千枚岩的累积塑性应变，红黏土可通过颗粒填充与塑性变形改善土体弹性应变，二者最佳配比为红黏土掺和比40%~60% + 水泥掺量3%~5%，此时改良土在600次循环荷载后的累积应变<1%，滞回圈面积最小，刚度与韧性达到最优平衡。其作用机理为红黏土填充千枚岩孔隙，水泥胶结形成三维骨架，共同抵御荷载变形与水分侵蚀，适用于对长期稳定性要求高的路基核心部位。
3.3.2. 石灰–红黏土复合改良
石灰与红黏土复合改良千枚岩可有效抑制胀缩变形。通过加入5%石灰 + 40%红黏土对千枚岩填料进行复合改良，其自由膨胀率从12%降至2%以下，干湿循环后的强度衰减率小于15%，显著优于单一改良方案[11]。石灰的离子交换作用与红黏土的颗粒填充作用相结合，既改善了千枚岩的水敏性，又提升了密实度。
3.3.3. 其他复合改良方案
微生物改良、纤维增强等新型技术也逐步应用于千枚岩复合改良。李玉婷等[14]采用微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术改良强风化千枚岩，通过微生物代谢生成碳酸钙胶结颗粒，使千枚岩的黏聚力提升50%以上；纤维增强改良则通过掺入聚丙烯纤维，抑制千枚岩改良土的裂隙发育，提升韧性与抗裂性能。
3.4. 本节小结
千枚岩改良已形成多技术路径体系，各有侧重与优势。化学改良中，水泥通过水化生成胶结网络提升强度，石灰借助离子交换改善水敏性，均需控制最佳掺量；物理改良聚焦级配调整与压实工艺，掺加颗粒材料优化级配、采用专用压实设备打破架空结构，环保且成本低；复合改良是研究热点，水泥–红黏土、石灰–红黏土等组合可协同优化多项性能，微生物改良、纤维增强等新型技术则通过创新机理为改良提供新方向，各类技术均围绕优化颗粒联结与抑制水敏性展开。
4. 千枚岩改良土微观机理与长期稳定性
4.1. 微观结构演化特征
微观结构是千枚岩改良土宏观性能的内在决定因素。通过扫描电子显微镜(SEM)与X射线衍射(XRD)分析发现，长沙市茶绕高速部分路段千枚岩颗粒呈片状松散堆积，孔隙率较高，主要矿物成分为石英、高岭石与绿泥石，其微观电镜图片如图5所示。掺入水泥后，水化产物CSH与CAH在颗粒表面形成胶结膜，填充孔隙，使颗粒联结从点接触转变为面接触，形成致密结构。
Figure 5. SEM image of phyllite
图5. 千枚岩SEM图像
红黏土的掺入可改变千枚岩的矿物组成，降低绿泥石、伊利石等亲水矿物的相对含量，增加颗粒间的点面接触，减少架空孔隙。试验表明[7]，红黏土掺和比60%时，千枚岩中高岭石的峰值显著降低，改良土的抗水软化能力大幅提升。水泥与红黏土复合改良时，胶结物质分布更均匀，孔隙填充效果更佳，微观结构更稳定。
部分学者[15]揭示了千枚岩微观结构的损伤演化路径，其结果发现天然状态下的千枚岩颗粒连接紧密，微观结构完整性较好；经历循环加卸载作用后，其内部会萌生晶间裂纹、穿晶裂纹及次生孔隙，这些裂隙会为后续干湿循环中水分的侵入提供通道；经过多次干湿循环后，绿泥石等黏土矿物的反复胀缩会促使裂纹进一步扩展，同时引发可溶性矿物的溶蚀，导致颗粒边界逐渐光滑，微观结构从致密状态转为松散状态。
初始损伤的累积会改变千枚岩的破裂模式：低损伤状态下，千枚岩主要沿节理方向发生张拉破裂；高损伤状态下，内部微裂纹数量激增，剪切破裂特征凸显，宏观上表现为千枚岩层内多条次级裂纹发育，并可贯通至变质砂岩层形成张拉主裂纹，最终引发岩体的整体失稳。
4.2. 长期稳定性影响因素
千枚岩改良土的长期稳定性受环境因素与荷载条件共同影响。干湿循环与冻融循环会导致改良土强度衰减，具体呈现“先增后减”特征。殷剑亮[16]对水泥改良土进行了最高12次干湿循环试验，发现第3次循环时粘聚力达到峰值，第12次循环时降至最低，最大折减系数达20.2%。核心原因是初期循环中，铁、锰质胶结物质被淋滤至裂缝中实现颗粒再胶结，多次循环后胶结物质流失导致粘聚力衰减。循环荷载作用下，改良土的累积塑性应变随荷载次数增加呈先快后慢的增长趋势，3年内的沉降量约占总沉降量的70% [11]。
养护龄期对千枚岩改良土的长期性能至关重要。养护7 d内，水泥改良土的强度增长迅速，达到28 d强度的75%~89%；养护28 d后，强度增长趋缓，此时水化反应基本完成，胶结结构趋于稳定[9]。此外，路基深度、围压大小等也会影响改良土的长期稳定性，路基深度0.5 m处的改良土受动应力影响最大，需重点强化改良。
此外，温度场变化也会对千枚岩的稳定性造成影响。王连华的研究[17]指出水–温循环耦合作用会显著加剧千枚岩动力学性能劣化，对其长期动态服役稳定性构成突出威胁。随水–温循环次数增加，千枚岩的动态应力–应变曲线的极速弹性阶段逐步缩短，屈服阶段应变增长率持续攀升，动态峰值抗拉强度呈负指数规律衰减，且水–温耦合工况下的强度降幅明显高于单一温度自然降温工况。其中温度循环冷水降温工况对千枚岩的强度影响最为显著，凸显了水–温耦合的强劣化效应。
4.3. 本节小结
千枚岩改良土宏观性能提升源于微观结构优化，天然千枚岩松散的片状堆积经改良后，通过胶结物填充孔隙、降低亲水矿物占比，实现颗粒接触状态与结构致密性改善。长期稳定性受环境与荷载耦合作用明显，干湿、冻融循环会导致强度衰减，循环荷载下累积变形呈 “先快后慢” 趋势；养护龄期决定改良效果发挥，充分养护可确保胶结结构稳定；路基不同深度受动应力影响不同，特定区域需强化改良，以保障长期服役性能。同时水–温耦合会加剧千枚岩动态拉伸性能劣化，工程中需兼顾其动态稳定性防护。
5. 改良方法比选
结合以上对千枚岩填料改良方法的相关论述，从强度增长率、水稳系数提升、施工难度、经济成本、环境效益等多个维度，对水泥、石灰、物理改良及复合改良进行定性评级，比选结果如表2所示。
6. 研究不足与展望
6.1. 现有研究不足
尽管千枚岩路基填料的力学特性与改良技术研究已取得显著进展，但仍存在以下不足：
(1) 对复杂环境条件，如对高温高湿、冻融交替条件，千枚岩改良土的长期性能研究不足，试验模拟与实际工程场景存在差距；
(2) 改良机理的微观研究不够深入，对不同改良剂之间的协同作用机制尚未完全明确；
(3) 缺乏统一的千枚岩改良土性能评价标准，不同研究的试验条件与评价指标不一致，难以进行横向对比；
(4) 现场应用技术不够成熟，改良效果的现场检测与长期监测数据匮乏。
Table 2. Comparison table of phyllite improvement methods
表2. 千枚岩改良方法比选表
改良技术类型 |
强度增长率 |
水稳系数提升 |
施工难度 |
经济成本 |
环境效益 |
水泥改良 |
高 |
高 |
中等 |
中等 |
中等 |
石灰改良 |
中等 |
中等 |
中等 |
较低 |
中等 |
水泥–红黏土复合改良 |
高 |
高 |
较高 |
中等 |
中等 |
石灰–红黏土复合改良 |
中等 |
高 |
较高 |
较低 |
较高 |
微生物/纤维增强复合改良 |
中等 |
中等 |
较高 |
较高 |
高 |
物理改良 |
低 |
低 |
低 |
低 |
高 |
*其中复合改良施工难度较高是因其需要精准控制配比与分层压实。
6.2. 相关研究展望
针对现有研究不足，未来可从以下方面开展深入研究：
(1) 强化复杂环境耦合作用下的试验研究，模拟干湿–冻融–循环荷载耦合工况，揭示千枚岩改良土的长期演化规律；
(2) 结合微观试验与数值模拟，深入分析改良剂与千枚岩颗粒的相互作用机制，建立基于微观损伤的本构模型；
(3) 制定千枚岩改良土的技术标准与施工规范，统一评价指标与检测方法；
(4) 开发新型高效改良剂与改良技术，如纳米材料改良、生物酶改良等，提升改良效果并降低成本；
(5) 开发针对千枚岩的专用液态固化剂，使改良范围更加均匀；
(6) 加强现场试验与长期监测，积累工程应用数据，优化改良方案与施工工艺。
7. 结论
千枚岩作为储量丰富且具备工程资源化利用潜力的路基填料，其力学特性与改良技术的研究对交通基建领域具有重要实践价值。天然千枚岩因自身结构与矿物特性，存在压实难度大、抗剪强度低、水稳定性差、动力响应敏感等固有缺陷，直接填筑无法满足路基工程的路用要求，易引发沉降、失稳等病害。
通过各类改良技术可有效改善千枚岩的工程性能：化学改良中，3%~5%水泥掺量能借助水化与火山灰效应提升强度，3%石灰掺量可降低水敏性；物理改良通过优化级配与压实工艺，能打破架空结构、提升密实度；复合改良技术中，水泥–红黏土复合改良因协同效果显著成为优选方案，微生物胶结等新型技术则为绿色改良提供了新方向。
千枚岩改良土的性能提升源于微观结构优化，即颗粒联结增强、孔隙填充密实、亲水矿物占比降低。其长期稳定性受环境与荷载耦合作用影响较大，需通过合理改良方案与养护工艺保障。未来研究应聚焦复杂环境下的长期性能、微观改良机理及标准化体系，推动千枚岩在路基工程中的规模化高效应用，实现资源节约与工程安全的双赢局面。
NOTES
*通讯作者。