變質(zhì)軟巖路堤填料特性的大型三軸試驗研究

曹周陽，杜秦文，王曉謀

(1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 450046;2.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

變質(zhì)軟巖路堤填料特性的大型三軸試驗研究

曹周陽1，杜秦文2，王曉謀2

(1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 450046;2.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

陜西省柞水至小河高速公路建設(shè)中遇到大量的變質(zhì)軟巖填料，由于其風(fēng)化嚴(yán)重，裂隙發(fā)育，強度較低，在爆破開采、裝載運輸、機械攤鋪、碾壓成型和整平過程中顆粒破碎嚴(yán)重，遇水后會進一步發(fā)生破碎，影響路堤的穩(wěn)定性。因此，在開展巖石成分分析與力學(xué)試驗的基礎(chǔ)上，對風(fēng)干與飽和情況下的變質(zhì)軟巖填料進行了大型三軸試驗研究。試驗結(jié)果表明:剪切過程中試樣在不同圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈硬化型，應(yīng)變較小時剪縮明顯;試樣的內(nèi)摩擦角較大，并隨著圍壓的增加而減小;飽和情況下試樣的強度參數(shù)小于風(fēng)干時，但變化幅值較小，總體上能夠滿足工程強度及質(zhì)量要求，可以用作高速公路路堤填料。

變質(zhì)軟巖 路堤填料 大型三軸試驗 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 剪切強度 破碎率

陜西省柞水至小河高速公路穿越秦嶺山區(qū)。由于秦嶺山區(qū)地形起伏較大，路塹和隧道工程建設(shè)中產(chǎn)生大量的棄渣，如板巖、千枚巖、片巖等變質(zhì)巖，同時路堤填方工程量也較多。為了滿足公路設(shè)計中的線形要求和填挖平衡原則，廢渣料不得不用作路堤填料。然而開采下來的全風(fēng)化和強風(fēng)化石料，變質(zhì)程度不均勻，裂隙發(fā)育，在車輛荷載、推土機以及壓路機的反復(fù)碾壓下顆粒破碎嚴(yán)重，遇水后工程性質(zhì)較差，填料層表面顆粒細(xì)化明顯，有泥皮現(xiàn)象。如果將其用于填筑路堤，尤其是填筑高填方路堤時，能否滿足工程質(zhì)量要求有待進一步研究。鑒于此，在前人［1-6］研究填料強度的基礎(chǔ)上，對陜西省柞水至小河高速公路的變質(zhì)巖填料開展了大型三軸試驗。

1 巖石的成分分析與力學(xué)性質(zhì)

1.1 巖石的成分分析

采用江蘇星光機電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的 XGJM-125巖石磨片機對巖石進行磨片，然后采用上海普丹光學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的XPV-25C/25D研究型偏光顯微鏡拍照，如圖1所示。巖樣為顯微鱗片變晶結(jié)構(gòu)，變余粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，千枚狀構(gòu)造。原巖為泥質(zhì)巖和泥質(zhì)粉砂巖，互為條帶狀，其中泥質(zhì)條帶變成絹云母和綠泥石，并定向排列，粒徑 ＜0.04 mm，其中絹云母和綠泥石各占一半，另含有5%粉細(xì)紗。泥質(zhì)粉砂巖中粉砂含量約50%～60%，其余變?yōu)榫G泥石和少量絹云母，粒徑＜0.04 mm，粉砂由石英和長石組成，各占一半，夾少量云母碎屑。另在巖石切片邊緣有一糜棱巖化帶，條紋條帶構(gòu)造，由＜0.01 mm細(xì)碎物質(zhì)組成，其內(nèi)方解石透鏡體斷續(xù)分布。根據(jù)《巖石分類和命名方案 變質(zhì)巖巖石的分類和命名方案》［7］(GB/T 17412.3—1998)將巖樣定名為糜棱巖化千枚巖。

圖1 糜棱巖化千枚巖

由礦物成分分析結(jié)果可知，糜棱巖化千枚巖不含親水礦物伊利石、蒙脫石及高嶺石，但定向排列的硅酸

巖類、云母或綠泥石往往使巖石強度降低、抗風(fēng)化能力減弱，故糜棱巖化千枚巖能否作為路堤填料尚需進行定量分析。

1.2 巖石的力學(xué)性質(zhì)

由于地質(zhì)構(gòu)造及外界的風(fēng)吹日曬雨淋等作用，致使巖塊微裂紋發(fā)育，表面剝落嚴(yán)重，條帶條紋結(jié)構(gòu)明顯，含有較多的絹云母和綠泥石，單個巖石顆粒性質(zhì)并不穩(wěn)定，經(jīng)開采下來的巖石由表及里風(fēng)化程度強、裂隙較多、破碎嚴(yán)重，由顆粒破碎的巖石制成標(biāo)準(zhǔn)試件比較困難，因此，依據(jù)《公路工程巖石試驗規(guī)程》［8］應(yīng)用點荷載試驗來判定其強度大小，結(jié)果見表1。點荷載強度與單軸抗壓強度之間采用Rc=22.82I7550)［9］進行換算。其中，Rc表示單軸抗壓強度，Is(50)表示點荷載強度指數(shù)。由表1可以看出，巖樣強度均＜30 MPa，根據(jù)文獻(xiàn)［8-10］中巖石強度的分級方法，該巖樣為軟質(zhì)巖石，簡稱軟巖。由此可知工程中所用的大部分填料的原巖為強風(fēng)化的軟質(zhì)巖石。

表1 試樣強度試驗結(jié)果

2 路堤填料的大型三軸試驗

2.1 試驗內(nèi)容及方法

為了減少試驗結(jié)果受試樣粒徑大小的影響，試樣的最大粒徑必須控制在試樣直徑的1/5以下［11］，最大粒徑為60 mm，將粒徑＞5 mm顆粒定義為粗顆粒［12］。試樣的級配采用等量替代法，此類方法為室內(nèi)試驗中處理粗顆粒料級配的常用方法之一。試樣級配見表2。

表2 試樣的顆粒級配

試驗儀器采用四川大學(xué)華西巖土儀器研究所開發(fā)的大型三軸剪切試驗儀來進行，儀器直徑300 mm，高600 mm，采用液壓與補償系統(tǒng)控制，見圖2。

圖2 大型三軸試驗儀

試驗所用填料試樣密度為2.2 g/cm3，分別對風(fēng)干與飽和試樣在300，600，900，1 200 kPa圍壓下，進行不固結(jié)不排水三軸剪切試驗與固結(jié)排水三軸剪切試驗，試驗剪切速率控制在0.1 mm/min。在試驗過程中為了防止橡皮膜被巖石顆粒刺穿，采用雙層1.5 mm厚的橡皮膜對試樣進行約束，并且在最里層安裝了3塊約4 mm厚的活動膠板，剪切過程中當(dāng)應(yīng)力應(yīng)變值出現(xiàn)峰值時停止試驗，當(dāng)無峰值時取軸向應(yīng)變達(dá)到15%時停止剪切。

2.2 試驗結(jié)果與分析

2.2.1 填料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

通過三軸試驗，風(fēng)干與飽和填料試樣在不同圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線對比見圖3。

圖3 變質(zhì)軟巖填料應(yīng)力—應(yīng)變曲線對比

由圖3可知:糜棱巖化千枚巖填料在不同圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線均呈彈塑性變化，在偏應(yīng)力逐漸增大的情況下，應(yīng)變也逐漸增大，但曲線斜率漸小;相同應(yīng)變情況下，偏應(yīng)力隨著圍壓的增大而增大。

糜棱巖化千枚巖填料在不同圍壓、相同應(yīng)變情況下，飽和后所需應(yīng)力小于風(fēng)干時的應(yīng)力，而且隨著應(yīng)變的增大，達(dá)到相同應(yīng)變時，填料飽和后所需偏應(yīng)力小于風(fēng)干時的偏應(yīng)力。這說明，糜棱巖化千枚巖填料飽和

后，在不同圍壓下，強度均在降低;在相同的偏應(yīng)力下，飽和后應(yīng)變會增大。若用做路基填料，應(yīng)做好路基隔水、防水、排水工作，同時應(yīng)當(dāng)提高路基壓實度，減小路堤工后沉降。

2.2.2 填料的體積應(yīng)變與軸向應(yīng)變關(guān)系

因試驗儀器原因，沒能測得風(fēng)干時填料的體積應(yīng)變。圖4為飽和時填料的體積應(yīng)變與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線。

圖4 飽和時填料的體積應(yīng)變—軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

由圖4可知，三軸剪切過程中填料主要以剪縮為主，當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到10%左右后剪脹才顯現(xiàn)，說明隨著偏應(yīng)力的增大，顆粒運動經(jīng)歷了彼此充填到翻越相鄰顆粒的發(fā)展過程。剪脹在低圍壓300 kPa時相對明顯，說明圍壓對剪脹的發(fā)生有較大影響;隨著圍壓增大，剪脹逐漸減弱，同時體積應(yīng)變逐漸趨于穩(wěn)定。這是因為試樣在剪切過程中出現(xiàn)明顯的顆粒破碎，使顆粒移動變得更加容易，從而抑制了剪脹的發(fā)生。

2.2.3 填料的莫爾圓和強度包線

圖5為糜棱巖化千枚巖填料風(fēng)干與飽和試樣的莫爾圓和強度包線。

由圖5可見:糜棱巖化千枚巖填料的強度包線呈非線性，且隨著圍壓的增大，強度包絡(luò)線彎曲程度逐漸降低，內(nèi)摩擦角也呈遞減趨勢。據(jù)圖可得風(fēng)干試樣、飽和試樣的抗剪強度指標(biāo)分別為 c風(fēng)=155 kPa，φ風(fēng)= 39.8°;c飽=79 kPa，φ飽=36.4°。數(shù)據(jù)表明填料浸水后的強度值明顯減小，浸水濕化影響明顯，然而對于粗顆粒含量＞70%的糜棱巖化千枚巖填料，其黏聚力較高。一般認(rèn)為粗顆粒料中黏聚力是不存在的，進行工程設(shè)計時并不考慮黏聚力，根據(jù)強度包線求得的黏聚力為表觀黏聚力［11］或假黏聚力［12］，同時文獻(xiàn)［13-14］認(rèn)為，這里的黏聚力為顆粒之間的咬合力，近代的堆石壩采用較陡的邊坡而能表現(xiàn)出很好的穩(wěn)定性，這在單純考慮φ值的設(shè)計中，是不安全和無法解釋的。

2.2.4 填料的顆粒破碎

對于細(xì)粒土或是砂土，在填料的壓實過程中，一般認(rèn)為只是克服顆粒間摩阻力而發(fā)生位移、錯位、充填、擠緊、壓密，使顆粒重新定向排列，從而使孔隙體積不斷減小，不考慮顆粒破碎對填料強度的影響。然而對于糜棱巖化千枚巖填料而言，顆粒內(nèi)部存在很多的裂隙、節(jié)理、片理等缺陷，因此，有必要對其顆粒破碎做進一步的分析。

圖5 糜棱巖化千枚巖填料試樣的莫爾圓和強度包線

Marsal［15-16］為了對顆粒破碎進行度量，提出用破碎率Bg表征相同壓力下顆粒破碎程度，定義Bg為試驗前后顆粒級配曲線上各粒組含量差值中所有正值之和，即Bg=Σ Δwk。Δwk=wki－wkf，wki為試驗前級配曲線上某粒組的含量;wkf為試驗后級配曲線上相同粒組的含量。

圖6、圖7表明，隨著圍壓的增大，剪切后的試驗級配曲線明顯向右移動，大粒徑顆粒含量減小，小粒徑顆粒含量增加，剪切試驗過程中明顯產(chǎn)生了顆粒破碎現(xiàn)象，但級配變化較小，破碎量并不大。同時，顆粒破碎率Bg隨著圍壓的增大而增大，二者近似呈冪函數(shù)關(guān)系。試樣在各圍壓下飽和狀態(tài)時的顆粒破碎率明顯大于風(fēng)干狀態(tài)時，顆粒破碎的增加將導(dǎo)致糜棱巖化千枚巖填料的抗剪強度降低，并與圖5所示剪切強度降低相互印證。這是由于試樣飽和后巖石強度降低，在剪切壓力作用下填料巖石表面顆粒剝落或棱角斷裂，細(xì)顆粒增加，在偏應(yīng)力增加的情況下飽和填料內(nèi)部顆粒間咬合力和內(nèi)摩擦角降低，同時顆粒出現(xiàn)破碎細(xì)化所致。

圖6 不同圍壓下剪切試驗后的顆粒級配曲線

圖7 圍壓與顆粒破碎率的關(guān)系曲線

3 結(jié)論

1)巖樣由泥質(zhì)巖和泥質(zhì)粉砂巖變質(zhì)而成，呈千枚狀構(gòu)造，后經(jīng)糜棱化作用，變質(zhì)為糜棱巖化千枚巖，其中不含親水礦物，巖石強度＜30 MPa，屬于軟質(zhì)巖石。

2)糜棱巖化千枚巖填料試樣在不同圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線皆呈彈塑性變化，達(dá)到相同應(yīng)變飽和狀態(tài)時所需的偏應(yīng)力明顯小于風(fēng)干狀態(tài)時的偏應(yīng)力，剪切過程以剪縮為主，后期有較小的剪漲現(xiàn)象發(fā)生。

3)填料試樣在剪切過程中，隨著圍壓的增大，顆粒破碎率逐漸增加，莫爾強度包絡(luò)線彎曲曲率逐漸減小，內(nèi)摩擦角呈遞減趨勢。浸水飽和對填料試樣強度影響明顯，其內(nèi)摩擦角和黏聚力均小于風(fēng)干時的內(nèi)摩擦角和黏聚力，其顆粒破碎率大于風(fēng)干時的顆粒破碎率。

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(責(zé)任審編 葛全紅)

U213.1+1

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.26

2014-03-10;

:2015-07-01

曹周陽(1982— )，男，河南濟源人，講師，博士。

1003-1995(2015)09-0090-04