考慮荷載與浸水條件的預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖變形試驗(yàn)

陳小薇，曾鈴，付宏淵，劉杰，陳少壯，劉大順

(1.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙，410114；2.長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙，410114)

炭質(zhì)泥巖廣泛分布于我國西南地區(qū)，是由軟弱灰?guī)r、砂巖、頁巖和頁巖互層等沉積類巖石構(gòu)成的地質(zhì)體[1]。由于炭質(zhì)泥巖具有風(fēng)化快、強(qiáng)度低等特點(diǎn)，進(jìn)行路堤填筑之前須先對其進(jìn)行充分預(yù)崩解，即預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖[2]。預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖作為路堤填筑材料既可極大地降低工程造價(jià)并能較好地保護(hù)生態(tài)環(huán)境，已在廣西、云南等高速公路工程中推廣應(yīng)用[3]，發(fā)現(xiàn)其水理性強(qiáng)，強(qiáng)度低，易崩解，在季節(jié)性反復(fù)降雨后，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖產(chǎn)生持續(xù)崩解及強(qiáng)度降低，堵塞路堤排水管道，導(dǎo)致路堤內(nèi)部處于荷載與浸水環(huán)境，產(chǎn)生超限變形，甚至引發(fā)路堤失穩(wěn)，危害行車安全[2]。然而，目前缺乏預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖荷載與浸水條件下變形特性的相關(guān)理論及試驗(yàn)研究，為降低或避免預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的變形，使其在路堤工程中得到更好的應(yīng)用，有必要全面、深入地研究荷載與浸水條件下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的變形特性。國內(nèi)外學(xué)者針對巖土體的變形進(jìn)行了大量研究，主要研究方法有數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)等。鄒德高等[4-5]利用數(shù)值模擬的方法研究了巖土體的濕化變形，為相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供了一定參考依據(jù)；毛雪松等[6-7]通過原位試驗(yàn)及現(xiàn)場監(jiān)測對巖土體的變形進(jìn)行了研究；LIU等[8-9]針對巖土體的浸水變形開展了大樣本室內(nèi)試驗(yàn)研究，得到了不同類巖土體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并給出了相關(guān)巖土體變形特性的一般規(guī)律。上述研究促進(jìn)了巖土體變形相關(guān)理論的發(fā)展，但其主要針對膨脹土、黏土、軟巖等非飽和巖土體，而關(guān)于預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖浸水變形的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算及理論研究很少，且炭質(zhì)泥巖與其他類巖土體的變形存在顯著差異，如其水理性強(qiáng)，高溫、降雨交替作用后表面快速剝落，適用于其他類巖土體的相關(guān)理論并不一定適用于炭質(zhì)泥巖，而室內(nèi)試驗(yàn)試樣尺寸小，費(fèi)用低，是獲取大樣本數(shù)據(jù)的優(yōu)選方法，因此，可對其進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。此外，季節(jié)性降雨使得路堤經(jīng)受反復(fù)干濕循環(huán)，長期處于荷載與浸水條件下，對邊坡變形和穩(wěn)定性產(chǎn)生不可忽視的影響[10-12]，而人們關(guān)于荷載與浸水條件下巖土體濕化變形規(guī)律的研究較少，故有必要研究多因素對預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖變形特性的共同影響。為此，本文作者研發(fā)一套可同時(shí)考慮豎向荷載、浸水條件等多因素綜合影響的濕化變形試驗(yàn)裝置，并采用正交試驗(yàn)研究壓實(shí)度、含水率、豎向荷載、浸水時(shí)間及循環(huán)次數(shù)等因素對預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖變形特性的影響，以期為相關(guān)理論研究和路堤工程實(shí)踐提供參考。

1 炭質(zhì)泥巖礦物組成及物理指標(biāo)

于廣西六寨—河池高速公路炭質(zhì)泥巖路堤工點(diǎn)K18+500處取充分崩解的炭質(zhì)泥巖進(jìn)行 X線衍射分析，其X線衍射圖譜見圖1。從圖1可知：預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的礦物組成主要為石英、伊利石、高嶺石，其余各礦物成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于等于 5%。對預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖試樣進(jìn)行基本物理力學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖1 炭質(zhì)泥巖X線衍射譜Fig.1 X-ray diffraction pattern of carbon mudstone

表1 炭質(zhì)泥巖物理指標(biāo)Table 1 Physical indexes of carbon mudstone

2 濕化變形試驗(yàn)設(shè)計(jì)

炭質(zhì)泥巖路堤在荷載與浸水條件下易發(fā)生濕化變形從而導(dǎo)致路堤結(jié)構(gòu)破壞等一系列災(zāi)害問題，為獲得炭質(zhì)泥巖路堤長期變形機(jī)理及預(yù)測方法，須對預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖變形特性進(jìn)行研究。

2.1 試驗(yàn)方案

正交試驗(yàn)是研究多因素多水平的一種科學(xué)設(shè)計(jì)方法，可高效、快速、經(jīng)濟(jì)地分析出各因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響[13]。結(jié)合炭質(zhì)泥巖路堤的工程實(shí)際，采用正交試驗(yàn)研究壓實(shí)度、含水率、豎向荷載、浸水時(shí)間及循環(huán)次數(shù)對預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖變形的共同作用，設(shè)置5因素4水平共16組試驗(yàn)。由于土工試驗(yàn)存在一定誤差，故每組試驗(yàn)做3組平行試驗(yàn)，取3組試驗(yàn)結(jié)果平均值。考慮路堤填筑工程中炭質(zhì)泥巖壓實(shí)度一般控制在90%以上，故擬定4種壓實(shí)度分別為92%，94%，96%和98%；在自然狀態(tài)下，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖含水率在10%左右浮動(dòng)，故配置土樣初始含水率為6%，10%，14%和18%；10 m路堤自重應(yīng)力大致為200 kPa，豎向荷載可取0，50，100和200 kPa；考慮干濕循環(huán)影響單次浸水時(shí)間取0，24，48和72 h。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)循環(huán)次數(shù)為3次后，試樣變形基本穩(wěn)定，故循環(huán)次數(shù)分別取0(不浸水加載)，1，2和 3次。試驗(yàn)因素水平及試驗(yàn)方案分別見表2和表3。

表2 試驗(yàn)因素水平Table 2 Factors and levels of experiment

2.2 試樣制備

選取崩解完全的炭質(zhì)泥巖土樣，其干密度為2.015 g/cm3，制作直徑為10 cm、高度為20 cm的試樣。通過數(shù)顯式壓力試驗(yàn)機(jī)并采用分層制樣法分5層壓樣成型。首先，根據(jù)試驗(yàn)方案中壓實(shí)度及含水率計(jì)算各試樣所需干土及水的質(zhì)量；再將一定質(zhì)量的干土和水充分拌和后用薄膜袋密封放置在保濕箱內(nèi)靜置24 h；然后，將拌制好的土樣均分成5份，分5次倒入預(yù)先定制好的鋼模內(nèi)進(jìn)行靜壓。鋼模的內(nèi)直徑為10 cm，高度為21 cm，其中，多出的高度1 cm由高度為1 cm、直徑為10 cm的墊塊填充。當(dāng)壓力機(jī)將墊塊壓至與鋼模平齊時(shí)，試樣剛好達(dá)到預(yù)定的壓實(shí)度。靜壓完成后，讓千斤頂繼續(xù)施加壓力，穩(wěn)定一段時(shí)間后再卸載，以防止試樣回彈，最后用其他墊塊從底部將試樣慢慢頂出。壓樣前鋼模內(nèi)須涂抹少許凡士林，以便減少脫模時(shí)試樣與鋼模間的摩擦力。試樣成型后，用保鮮膜密封裝好后再次放入保濕箱內(nèi)靜置，供試驗(yàn)所用。

表3 正交試驗(yàn)方案Table 3 Orthogonal test programs

2.3 試驗(yàn)裝置

本文自主研發(fā)一套測量土體濕化變形的新型試驗(yàn)裝置，其主要由試驗(yàn)裝置、加載裝置及測量裝置共 3部分組成，裝置示意圖見圖2。通過試驗(yàn)裝置的通水孔控制試驗(yàn)儀器的水位，模擬炭質(zhì)泥巖在浸水循環(huán)中的環(huán)境，豎向荷載通過砝碼及杠桿加載；試樣變形量通過固定在試樣表面墊塊上的百分表讀取。

圖2 濕化變形裝置示意圖Fig.2 Diagrammatic sketch of wetting deformation device

2.4 試驗(yàn)步驟

1)調(diào)平。調(diào)節(jié)試驗(yàn)儀器左端杠桿上的調(diào)平砝碼位置，使之與未加砝碼前右端杠桿保持平衡，并用螺母將其固定。

2)裝樣。將制好的試樣從保濕箱內(nèi)取出，緩慢裝入筒壁帶有孔眼的內(nèi)筒。裝入內(nèi)筒前，須在內(nèi)筒內(nèi)壁涂抹凡士林保持潤滑，以減少筒壁與試樣的摩擦力。在裝樣過程中不能破壞試樣。

3)加載。將裝好試樣的內(nèi)筒放入外筒，下部墊置直徑為10 cm的透水石，上部放置加載蓋，調(diào)節(jié)加壓桿在內(nèi)筒中央位置并保持豎直，施加砝碼進(jìn)行加載。

4)浸水與循環(huán)。先將試樣在無水環(huán)境下加載1個(gè)浸水周期，然后將外筒灌滿水，使整個(gè)試樣在水中完全飽和并持續(xù)1個(gè)浸水周期，此為1個(gè)干濕循環(huán)。進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)時(shí)，需將試樣連同內(nèi)筒取出放進(jìn)烤箱內(nèi)烘干(溫度為50℃)。剛開始烘干時(shí)，每間隔5 h稱量1次。當(dāng)含水率與初始含水率之差小于10%時(shí)，每隔1 h稱量1次。當(dāng)質(zhì)量相對誤差絕對值小于0.5%時(shí)，認(rèn)為完成由濕到干的過程。如此反復(fù)循環(huán)，直至試驗(yàn)完成為止。

5)記錄數(shù)據(jù)。將百分表安裝在加載蓋上，并將百分表的指針調(diào)零。注意預(yù)留試樣的變形量，通過百分表的讀數(shù)連續(xù)記錄試樣豎向變形量。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 豎向變形特征

圖3所示為不同循環(huán)次數(shù)、不同浸水時(shí)間下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖豎向變形隨時(shí)間的變化情況。由圖3可知：

1)當(dāng)循環(huán)次數(shù)為0時(shí)，各組炭質(zhì)泥巖豎向變形隨時(shí)間緩慢增大，無突變；而當(dāng)循環(huán)次數(shù)為 1，2和 3時(shí)，豎向變形在第1次浸水時(shí)發(fā)生突變，在其他時(shí)間均緩慢增大，循環(huán)1次后試樣變形基本穩(wěn)定。

2)各組預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖豎向變形在 2個(gè)時(shí)間點(diǎn)即加載初期和首次浸水時(shí)發(fā)生較大變形，在其他時(shí)段增大速度緩慢。

圖3 不同循環(huán)次數(shù)下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖豎向變形Fig.3 Vertical deformation of pre-disintegrating carbonaceous mudstone at different cycle times

3)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖變形是一個(gè)持續(xù)過程，豎向變形隨時(shí)間持續(xù)增大。

4)炭質(zhì)泥巖豎向變形量與循環(huán)次數(shù)有關(guān)，在不同循環(huán)次數(shù)下，炭質(zhì)泥巖最大豎向變形隨循環(huán)次數(shù)的增加呈先增大后減小的變化規(guī)律，在循環(huán)次數(shù)為2時(shí)豎向變形出現(xiàn)最大值。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象原因可解釋為：1)在加載初期，試樣變形為壓縮變形，在豎向荷載作用下，試樣內(nèi)部孔隙中的水和氣體流失，顆粒重新排列，粒間間隙縮短，骨架體發(fā)生錯(cuò)動(dòng)；2)首次浸水時(shí)，試樣變形為濕化變形，試樣浸水后含水率增大，逐漸由非飽和狀態(tài)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，顆粒在外力荷載的壓密作用下重新排列，試樣浸水軟化發(fā)生濕化變形。

3.2 壓縮變形、濕化變形及最大豎向變形

路堤土體變形主要包括壓縮變形及濕化變形2部分，其中，壓縮變形一般趨于穩(wěn)定，路堤土體的后期沉降主要取決于由含水率增大所產(chǎn)生的濕化變形[14-15]。

3.2.1 測試原理

“單線法”較“雙線法”能更加準(zhǔn)確地分析土體浸水濕化變形的實(shí)際過程[16-18]，因此，采用“單線法”原理測量炭質(zhì)泥巖的濕化變形。首先給試樣施加一定荷載，加載后試樣的變形量為壓縮變形，再將試樣浸水飽和，此時(shí)，可測得試樣的濕化變形。參考 JTG E40—2007“公路土工試驗(yàn)規(guī)程”，在標(biāo)準(zhǔn)壓縮試驗(yàn)中，當(dāng)每級荷載作用下試樣1 h內(nèi)壓縮量不超過0.01 mm時(shí)，認(rèn)為變形已經(jīng)穩(wěn)定，而本試驗(yàn)中各組試樣在加載或浸水1 h后的變形增長速率均小于0.01 mm/h，因此，壓縮變形可取加載后1 h試樣變形量，濕化變形取首次浸水1 h試樣變形量。測試原理示意圖見圖4。

3.2.2 對比分析

預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖最大豎向變形(smax)、壓縮變形(s0)、濕化變形(s')試驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4可知：最大豎向變形smax變動(dòng)范圍為-3.19～12.50 mm，壓縮變形s0變動(dòng)范圍為-0.10～7.40 mm，濕化變形s′變動(dòng)范圍為-2.55～9.75 mm。

圖4 單線法示意圖Fig.4 Schematic diagram of single-line method

將表4中各數(shù)值代入式(1)可得到最大豎向變形、壓縮變形、濕化變形的平均值，分別為，可見炭質(zhì)泥巖豎向變形以壓縮變形和濕化變形為主，濕化變形量比壓縮變形量大 25.7%，壓縮變形為最大豎向變形的 39.1%，濕化變形為最大豎向變形的49.2%。

式中：為變形量的平均值，mm；si為試樣Ti的變形量，mm；N為試驗(yàn)組數(shù)，N=16。

3.3 各因素對預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖豎向變形量的影響

預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖豎向變形與多個(gè)因素有關(guān)，運(yùn)用極差分析、方差分析及回歸分析等方法可分析各因素對預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖豎向變形的影響[19]。

3.3.1 豎向變形結(jié)果極差分析

為評價(jià)壓實(shí)度、含水率、豎向荷載、浸水時(shí)間及循環(huán)次數(shù)對預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖豎向變形的影響規(guī)律，分別對16組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析。

根據(jù)表4所示試驗(yàn)結(jié)果，可求得各個(gè)因素在不同水平下的最大豎向變形平均值(sⅠ，sⅡ，sⅢ，sⅣ)及其極差R，如表5所示。表5中含水率所對應(yīng)的sⅢ=1.29，它是表4中s所對應(yīng)的編號T3，T7，T11和T15的最大豎向變形平均值，即

表4 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖變形量Table 4 Deformation of pre-disintegrating carbonaceous mudstone

表5 豎向變形極差分析Table 5 Range analysis of vertical deformation

R為各個(gè)因素在不同水平對應(yīng)的豎向變形平均值的極差，其可表示各水平下豎向變形指標(biāo)變動(dòng)幅度，能夠判斷因素的主次，R越大，說明該因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響也越大。

由表5可知：1)各個(gè)因素對豎向變形均有影響，且不同因素的影響趨勢存在顯著差異。據(jù)R可得到各因素影響的主次順序(從主至次)依次為豎向荷載→循環(huán)次數(shù)→浸水時(shí)間→壓實(shí)度→含水率；2)當(dāng)含水率為10%時(shí)，豎向變形量最?。划?dāng)含水率大于或小于10%時(shí)，豎向變形量均增大，其原因?yàn)?0%可能是預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的最佳含水率；3)豎向荷載是影響豎向變形的最顯著因素，在0～200 kPa范圍內(nèi)，豎向變形與豎向荷載大致呈正相關(guān)關(guān)系，即豎向變形隨豎向荷載的增大而增大；4)浸水條件對豎向變形影響較大，豎向變形增長量隨浸水時(shí)間增大逐漸減少，循環(huán)次數(shù)為 2時(shí)豎向變形增長量最大，2次循環(huán)后豎向變形逐漸趨于穩(wěn)定。

3.3.2 豎向變形結(jié)果方差分析

為進(jìn)一步評價(jià)和驗(yàn)證各因素對預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖豎向變形的影響規(guī)律，分別對16組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，最大豎向變形方差分析結(jié)果見表6。

表6 豎向變形方差分析Table 6 Variance analysis of vertical deformation

方差F服從自由度(3，3)的F分布表，選取顯著水平 0.10，0.05以及0.01進(jìn)行查詢，可知：F0.1(3，3)=5.39，F(xiàn)0.05(3，3)=9.28，F(xiàn)0.01(3，3)=29.5。F是 2個(gè)均方差的比值，F(xiàn)越大，表明該因素對結(jié)果的影響程度越高，通過表6中F可再次驗(yàn)證影響最大豎向變形的主次因素(從主至次)依次為豎向荷載→循環(huán)次數(shù)→浸水時(shí)間→壓實(shí)度→含水率。

3.3.3 豎向變形結(jié)果回歸分析

為定量評價(jià)壓實(shí)度、含水率、豎向荷載、浸水時(shí)間及循環(huán)次數(shù)對預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖豎向變形的影響規(guī)律，采用多元回歸分析方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到最大豎向變形與各因素的關(guān)系式為

式中：ymax為最大豎向變形量，mm；x1為壓實(shí)度；x2為含水率；x3為豎向荷載，kPa；x4為浸水時(shí)間，h；x5為循環(huán)次數(shù)；bx1，bx2，bx3，bx4和bx5分別為壓實(shí)度、含水率、豎向荷載、浸水時(shí)間及循環(huán)次數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)；R為多元回歸分析的復(fù)相關(guān)系數(shù)。

由式(4)可知：擬合方程復(fù)相關(guān)系數(shù)為93.1%，表明預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖荷載及浸水條件下的最大豎向變形與各因素具有較強(qiáng)的相關(guān)性，可用于預(yù)測荷載及浸水條件下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的變形量(壓實(shí)度為92%～98%，含水率為6%～18%，荷載為0～200 kPa，浸水時(shí)間為0～72 h，循環(huán)次數(shù)為0～3)。由各因素的標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)可知：，說明豎向荷載、循環(huán)次數(shù)、浸水時(shí)間、壓實(shí)度、含水率對炭質(zhì)泥巖豎向變形影響依次降低。

通過極差分析、方差分析以及回歸分析得出各因素對預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖豎向變形影響程度一致，驗(yàn)證了試驗(yàn)及分析方法的科學(xué)性。

4 結(jié)論

1)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖變形是一個(gè)持續(xù)的過程，在加載初期和首次浸水時(shí)產(chǎn)生較大的豎向變形，分別為壓縮變形及濕化變形。

2)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖豎向變形以壓縮變形與濕化變形為主，各因素對預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖豎向變形影響的主次順序(從主至次)依次為豎向荷載→循環(huán)次數(shù)→浸水時(shí)間→壓實(shí)度→含水率。其中，豎向變形與荷載呈正相關(guān)關(guān)系，干濕循環(huán)會(huì)大大增加濕化變形。

3)經(jīng)回歸分析得到預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖豎向變形與各因素的函數(shù)關(guān)系式，可為炭質(zhì)泥巖路堤的數(shù)值計(jì)算及工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。