泥巖路基填料強(qiáng)度的干濕循環(huán)效應(yīng)

董　波　汪洪星　左清軍　談云志

(三峽大學(xué) 三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 宜昌　443002)

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泥巖路基填料強(qiáng)度的干濕循環(huán)效應(yīng)

董波汪洪星左清軍談云志

(三峽大學(xué) 三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 宜昌443002)

摘要：泥巖是一類遇水易崩解的巖土材料，崩解前呈現(xiàn)巖石特征，但崩解后呈現(xiàn)泥質(zhì)特性．故實(shí)際工程中需要掌握泥巖崩解前后的力學(xué)性能變化幅度．以取自洞新高速泥巖為研究對(duì)象，開(kāi)展了擊實(shí)和強(qiáng)度試驗(yàn)，并進(jìn)行直剪強(qiáng)度的干濕循環(huán)效應(yīng)研究．結(jié)果表明，泥巖遇水泥化，強(qiáng)度急劇衰減；擊實(shí)曲線呈明顯的雙峰特征．干濕循環(huán)對(duì)泥巖的強(qiáng)度特性有著顯著的影響，粘聚力隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增大(增長(zhǎng)幅度為95.8%)，內(nèi)摩擦角則隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而減小(減小幅度為26.5%)，但總體上還是弱化了泥巖的抗剪強(qiáng)度．結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果分析，建議取最大含水率22.6%，最大干密度1.56 g/cm3為實(shí)際填筑的控制標(biāo)準(zhǔn)．研究同時(shí)表明，當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到12次附近時(shí)，干濕循環(huán)對(duì)泥巖粘聚力和內(nèi)摩擦角作用的影響程度減弱．

關(guān)鍵詞：泥巖；強(qiáng)度；干濕循環(huán)

泥巖是一類工程特性易受環(huán)境影響而發(fā)生急劇衰減的巖土材料[1-4]．當(dāng)經(jīng)歷大氣降雨和蒸發(fā)的反復(fù)作用時(shí)，易發(fā)生崩解、破碎、甚至泥化等現(xiàn)象[5-6]；特別是耦合上覆荷載作用時(shí)，更易誘發(fā)大量的工程災(zāi)變行為[7-8]．因此，一般應(yīng)盡量少用這類特殊巖土體材料．但受環(huán)境保護(hù)和工程投資的限制，實(shí)踐中又要盡可能地利用這類性能易受環(huán)境影響泥巖[9-11]．當(dāng)前，運(yùn)用此巖類土體作路基填充材料施工時(shí)，主要采取預(yù)先噴水崩解破碎，然后再進(jìn)行填筑壓實(shí)．顯然，如何控制好泥巖的崩解程度，對(duì)保證工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性具有十分重要的意義[12-13]．因?yàn)楸澜膺^(guò)度，則其強(qiáng)度將會(huì)完全喪失；而崩解不夠，后期性能會(huì)很不穩(wěn)定．

湖南洞新高速公路某路段分布有大量的泥巖，為了大面積推廣利用泥巖填筑，進(jìn)行了試驗(yàn)路建設(shè)．圖1(c)為壓路機(jī)壓實(shí)過(guò)后的表面，可以看出荷載作用下泥巖容易被壓粉化；但灌砂法測(cè)壓實(shí)度時(shí)，發(fā)現(xiàn)試坑下部的泥巖依然呈粗顆粒狀，如圖1(d)所示．可見(jiàn)，掌握泥巖崩解前后的特性具有十分重要的工程意義．為此，通過(guò)開(kāi)展承載比強(qiáng)度、直接剪切強(qiáng)度等試驗(yàn)，模擬大氣干濕循環(huán)作用下泥巖路基填料強(qiáng)度的演化規(guī)律，為泥巖路基修筑提供科學(xué)合理的建議．

圖1　洞新高速泥巖試驗(yàn)路

1泥巖的基本特性

泥巖試樣取自湖南洞新高速公路第20合同段，受湖南炎熱多雨氣候的影響，泥巖表層風(fēng)化明顯．泥巖未受雨水浸泡時(shí)強(qiáng)度較高，類似巖石的特征；但遭受水分侵蝕后崩解成泥狀，又類似于黏土的特征．考慮到泥巖的不穩(wěn)定性，以及論文主要研究泥巖崩解后的性能，故物理力學(xué)性能測(cè)試均以崩解泥化后的泥巖作為研究對(duì)象．為此，按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE40-2007)進(jìn)行有關(guān)指標(biāo)的測(cè)試．崩解后的泥巖物理力學(xué)性能指標(biāo)，見(jiàn)表1．從液塑限指標(biāo)分析，泥巖遇水浸泡后表現(xiàn)為黏土特性．

表1　泥巖基本物性指標(biāo)

2泥巖的擊實(shí)特性

為了確定泥巖填筑的壓實(shí)度控制標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE40-2007)的規(guī)定，將洞新高速泥巖晾曬后，經(jīng)過(guò)5 mm的圓孔篩篩分后放入烘箱內(nèi)進(jìn)行干燥，烘箱溫度設(shè)置為105℃，干燥時(shí)間為8 h．脫水完成后，利用噴水壺均勻濕潤(rùn)試樣至預(yù)定的含水率．裝入塑料袋密封燜料24 h，然后按照重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擊實(shí)，每層98擊．進(jìn)行了寬范圍含水率和窄范圍含水率的擊實(shí)試驗(yàn)，干密度與含水率的關(guān)系，如圖2所示．

圖2　干密度與含水率的關(guān)系

圖2(a)可見(jiàn)，泥巖擊實(shí)曲線呈現(xiàn)明顯的雙峰特性，并且不對(duì)稱；峰值①干密度較大，含水率變化小；峰值②干密度小，但含水率變化范圍寬．圖2(b)為該公路標(biāo)段施工單位獲得的試驗(yàn)結(jié)果，其值也與圖2(a)中峰值②相吻合．

造成雙峰曲線的原因主要有：1)含水率較低時(shí)泥巖未充分崩解，呈現(xiàn)粗粒料特性，且級(jí)配不良．大顆粒含量較多，而小顆粒含量少，擊實(shí)后顆粒間的間隙缺少細(xì)顆粒充填，故造成“搭積木”似的暫穩(wěn)狀態(tài)．2)含水率較低時(shí)泥巖顆粒的強(qiáng)度較高，擊實(shí)后會(huì)出現(xiàn)峰值①，而此時(shí)含水率所對(duì)應(yīng)的泥巖顆粒強(qiáng)度較大，擊實(shí)功還不足以將其破碎粉化；隨著含水率的增加，泥巖顆粒強(qiáng)度降低，擊實(shí)作用使得顆粒發(fā)生破碎，并促進(jìn)破碎顆粒進(jìn)一步靠攏，從而出現(xiàn)峰值②．

泥巖擊實(shí)曲線呈現(xiàn)雙峰特性，路基填筑時(shí)的填筑控制標(biāo)準(zhǔn)到底應(yīng)該選擇峰值①還是峰值②，值得進(jìn)一步的探討．如果能保證路基長(zhǎng)期處于干燥狀態(tài)，顯然按照峰值①對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，即按最大含水率為10.4%，最大干密度為1.60 g/cm3進(jìn)行控制；實(shí)際上泥巖大都分布在熱帶多雨地區(qū)，路基很難處于理想的干燥環(huán)境，因此按照峰值②的標(biāo)準(zhǔn)控制更加符合實(shí)際情況．為了說(shuō)明二者的差異性，后續(xù)進(jìn)行了兩種最優(yōu)含水率(10.4%和22.6%)狀態(tài)下的強(qiáng)度試驗(yàn)．

3泥巖承載比強(qiáng)度

根據(jù)加州承載比強(qiáng)度表征峰值②處，最優(yōu)含水率附近泥巖試樣表現(xiàn)出的強(qiáng)度特性與公路段施工單位獲得試驗(yàn)結(jié)果峰值相吻合這一特征，設(shè)計(jì)了以下試驗(yàn)：在大于最佳含水率范圍內(nèi)配制了3種含水率(22.0%、25.5%和28.2%)，3種擊實(shí)功(30擊、50擊和98擊)的CBR強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2．

表2　承載比強(qiáng)度

《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD30-2004)中規(guī)定，路堤填料選擇的首要依據(jù)為CBR強(qiáng)度指標(biāo)．從表2可以看出，所有浸水試樣的CBR值都小于3%，按照規(guī)定這類泥巖不能作為路基填料．但泥巖在不泡水條件下其抗壓強(qiáng)度比較高，泥巖能否直接用作路堤填料，關(guān)鍵要根據(jù)路基工程的受力特點(diǎn)及其周邊水文條件確定合理的填筑部位，并采取正確的工程措施來(lái)保持其強(qiáng)度和穩(wěn)定性．

4泥巖抗剪強(qiáng)度的干濕循環(huán)效應(yīng)

為了說(shuō)明泥巖初始填筑狀態(tài)偏干時(shí)，抗壓強(qiáng)度受大氣干濕循環(huán)作用的影響．開(kāi)展了干濕循環(huán)作用下，初始含水量為圖2(a)中①處最優(yōu)含水率試樣的強(qiáng)度演化規(guī)律試驗(yàn)．

4.1試樣制備

將試驗(yàn)用料進(jìn)行翻曬，錘擊后過(guò)2 mm篩后，將其置于烘箱內(nèi)烘干，烘箱溫度設(shè)置為105℃，烘烤時(shí)間為8h．取烘干后的土樣，選取3種含水率進(jìn)行配水即10.4%，8%和13%，拌合均勻后密封靜置24 h，以達(dá)到混合均勻的目的．每種含水率選用3種壓實(shí)度，即100%、96%、90%，壓實(shí)成環(huán)刀試樣(61.8 mm×20 mm)．

4.2干濕循環(huán)循環(huán)試驗(yàn)控制

干濕循環(huán)試驗(yàn)控制過(guò)程，如圖3所示．

圖3　干濕循環(huán)過(guò)程

操作過(guò)程：將制備好的環(huán)刀樣放入飽和器并對(duì)其進(jìn)行稱量，記錄好質(zhì)量后置于蒸餾水中進(jìn)行浸泡，浸泡時(shí)間為24h．浸泡完成后將其取出置于烘箱內(nèi)烘烤，溫度設(shè)置為50℃，干燥過(guò)程中定期將其取出進(jìn)行稱量，若質(zhì)量與初始質(zhì)量相近(誤差不超過(guò)5%)即可認(rèn)為完成一次干濕循環(huán)．

4.3試驗(yàn)結(jié)果與討論

1)不同壓實(shí)度和含水率對(duì)泥巖內(nèi)摩擦角的影響

不同工況下粘聚力的變化關(guān)系曲線，如圖4所示．

圖4　粘聚力變化

圖4表明，粘聚力均隨含水率和干密度的增加而增大．粘聚力的大小取決于與土體間的連接程度，泥巖試樣壓實(shí)越密，泥巖顆粒間粘聚力越大．已有理論顯示：泥巖遇水后部分鉀長(zhǎng)石變?yōu)楦邘X石，試樣表面的裂紋數(shù)目、寬度隨遇水-風(fēng)干次數(shù)的增加而增加．鉀長(zhǎng)石是鋁硅酸鹽礦物，晶體慣態(tài)為固態(tài)，兩組完全解理；而高嶺石是一種含水的鋁硅酸鹽粘土礦物，晶體慣態(tài)為黏土狀，無(wú)解理．泥巖泥化前后物態(tài)與性質(zhì)發(fā)生了巨大變化，粘土顆粒變小、變多．同時(shí)，泥巖主要成分伊利石是介于云母和高嶺石及蒙脫石間的中間礦物，是一種類似云母的有層狀結(jié)構(gòu)的粘土礦物，伊利石黏粒遇水后水分子進(jìn)入黏粒晶胞之間，引起晶格膨脹，黏粒表面吸附的水膜導(dǎo)致黏粒間距增加；泥巖遇水過(guò)程中在水的物理、化學(xué)作用下內(nèi)部產(chǎn)生大量次生孔隙并且體積膨脹；風(fēng)干過(guò)程中泥巖表層風(fēng)干速度大于內(nèi)部風(fēng)干速度，表層局部黏粒富集區(qū)域體積收縮產(chǎn)生裂紋，隨著遇水-風(fēng)干循環(huán)次數(shù)的增加，泥巖內(nèi)部裂紋的數(shù)量和尺寸逐漸增加，當(dāng)裂紋貫穿試樣時(shí)試樣斷裂，此過(guò)程同樣形成了更多、更小顆粒的黏土顆粒．試驗(yàn)結(jié)果正好與此理論相吻合：由于試樣初始為非飽和狀態(tài)，隨著含水率的增加，泥巖遇水泥化后的細(xì)微顆粒增多，顆粒間相互的接觸面積增大，使得顆粒間連接程度增強(qiáng)，故而粘聚力增大．

不同工況下內(nèi)摩擦角變化曲線，如圖5所示．

圖5　內(nèi)摩擦角變化

圖5表明，內(nèi)摩擦角隨含水率和壓實(shí)度的增加而逐漸減?。科湓?，泥巖是一種易風(fēng)化崩解的軟巖，壓實(shí)程度越大外界施加的荷載就越大，受荷載作用后泥巖顆粒發(fā)生崩解破碎，即粗糙程度降低．隨著壓實(shí)度的增加孔隙比雖減小，但顆粒被壓碎后其粗糙程度降低，故內(nèi)摩擦角隨干密度的增加反而減?。?/p>

2)干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)泥巖強(qiáng)度的影響

巖的泥化崩解作用對(duì)其強(qiáng)度特性有著顯著的影響，圖6為初始含水率8%、壓實(shí)度96%試樣的強(qiáng)度參數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)的演化規(guī)律．

圖6　強(qiáng)度參數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖6(a)表明，粘聚力隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)逐步增大到趨于穩(wěn)定的過(guò)程．泥巖在干濕循環(huán)過(guò)程中大顆粒崩解成小顆粒，甚至出現(xiàn)了泥化，從而顆粒間的接觸面積增加，而粘聚力的大小取決于與土體間的連接程度，故粘聚力出現(xiàn)了增大的現(xiàn)象；當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到12次附近時(shí)，試驗(yàn)所用泥巖的崩解泥化過(guò)程基本完成，即泥巖顆粒大小不再有顯著變化，顆粒間的接觸面積隨之不變，試樣結(jié)構(gòu)性趨于穩(wěn)定，因此粘聚力的變化不大．結(jié)合泥巖遇水泥化機(jī)制的理論，不同種類泥巖應(yīng)該具有同種性質(zhì)，即在干濕循環(huán)作用下，泥巖崩解泥化過(guò)程中粘聚力隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐步增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定程度后該過(guò)程基本完成，并趨于穩(wěn)定，粘聚力不再變化．

圖6(b)表明，內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化減?。蓾裱h(huán)作用實(shí)際是不斷破碎了泥巖的顆粒，因此內(nèi)摩擦角逐漸減?。m然干濕循環(huán)作用使試樣的孔隙比減小，一定程度上使內(nèi)摩擦角增大，但其增量不足以抵消顆粒破碎引起的弱化效應(yīng)，故總體上表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角減小．

5結(jié)論

1)泥巖擊實(shí)曲線是明顯的雙峰曲線，鑒于泥巖易崩解特征，為保證工程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，建議采用最大含水率為22.6%，最大干密度為1.56 g/cm3作為控制標(biāo)準(zhǔn)．

2)干濕循環(huán)對(duì)泥巖試樣的強(qiáng)度特性有著顯著的影響，粘聚力隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增大，內(nèi)摩擦角則隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而減?。?dāng)干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定次數(shù)時(shí)，試樣結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，干濕循環(huán)作用的影響減弱．

3)干濕循環(huán)作用破壞了原有泥巖的顆粒架構(gòu)，一方面它增強(qiáng)了崩解后泥巖的凝聚力，增長(zhǎng)幅度為95.8%；另一方面卻減少了內(nèi)摩擦角，減小幅度為26.5%，但總體上還是弱化了泥巖的抗剪強(qiáng)度．

參考文獻(xiàn)：

[1]Katti D R，Schmidt S R，Ghosh P，et al． Molecular Modeling of the Mechanical Behavior and Interactions in Dry and Slightly Hydrated Sodium Montmorillonite Interlayer[J]． Candian Geotechnical Journal，2007，44(4)：425-435．

[2]Assouline S． Modelling the Relationship Between Soil Bulk Density and the Water Retention Curve[J]． Vados Zone Journal，2006(5)：554-562．

[3]Shao Yubao，Guo Yinghai，Qin Yong， et al． Distribution Characteristic and Significance of Rare Earth Elements in Lopingian Mudstone of Permian， Panxian Country， Guizhou Province[J]． Mining Science and Technology(China)，2011，21(4)： 469-476．

[4]孟召平，彭蘇萍．煤系泥巖組分特征及其對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響[J]．煤田地質(zhì)與勘探，2004，32(2)：14-16．

[5]黃宏偉，車平．泥巖遇水軟化微觀機(jī)理研究[J]．同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，35(7)：866-870．

[6]劉長(zhǎng)武，陸士良．泥巖遇水崩解軟化機(jī)理的研究[J]．巖土力學(xué)，2000，21(1)：28-31．

[7]楊建林，王來(lái)貴，李喜林，等．遇水-風(fēng)干循環(huán)作用下泥巖斷裂的微觀機(jī)制研究[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33(增刊)：3606-3612．

[8]許寶田，錢七虎，閻長(zhǎng)虹，等．泥巖損傷特性試驗(yàn)研究[J]．工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2010，18(4)：534-537．

[9]陳濤，張文慧，藍(lán)日彥，等．風(fēng)化泥巖路基填料水穩(wěn)定性室內(nèi)試驗(yàn)研究[J]．科學(xué)技術(shù)與工程，2012，12(35)：9580-9590．

[10] 劉建，李建朋．谷竹高速公路原狀片巖抗剪強(qiáng)度的水敏性研[J]．巖土力學(xué)，2012，33(6)：1719-1723．

[11] 卿啟湘，王永和，趙明華．軟巖填料的長(zhǎng)期沉降變形特性及分析[J]．巖土工程技術(shù)，2002，12：282-286．

[12] 談云志，喻波，吳翩，等．不同濕度狀態(tài)下高液限粉土的強(qiáng)度特性[J]．廣西大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，37(4)：775-780．

[13] 李汝成，王復(fù)明．降雨入滲對(duì)泥巖-土混填路堤穩(wěn)定性的影響[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(11)：2260-2266．

[責(zé)任編輯周文凱]

收稿日期：2015-09-05

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(41402259)；三峽大學(xué)碩士學(xué)位論文培優(yōu)基金(2015PY013)

通信作者：談云志(1979-)，男，副教授，博士，主要從事特殊土方面的教學(xué)與科研工作．E-mail：yztan@ctgu.edu.cn

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.01.008

中圖分類號(hào)：TU411

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-948X(2016)01-0037-04

Wetting-drying Cycle Effects on Filler Strength of Mudstone Subgrade

Dong BoWang HongxinZuo QingjunTan Yunzhi

(Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area，Ministry of Education，China Three Gorges Univ., Yichang 443002，China)

AbstractAs a kind of geotechnical material, mudstone's road performance vary widely; many unfavorable engineering properties appear under the wetting-drying cycles in atmospheric particularly. However, it is difficult to avoid to use mudstone as roadbed filler material in actual project. To reveal the effect of the mechanism of wetting-drying cycle effect will have important significance in the control of the embankment filling. Taking the mudstone in Dongxin high-speed subgrade as objects, the direct shear strength variation research of mudstone at different degrees of compaction and moisture conditions are carried out; and typical working conditions are selected to explore its direct shear strength under wetting-drying cycle effects; and analyzed its water sensitivity from compaction curve, particle composition, contrast liquid and plastic limit, CBR intensity changes. The results show that the mudstone begins to mud when suffer water; its strength attenuates sharply. Mudstone's compaction curve is obviously a bimodal curve, in view of characteristics that mudstone can easily disintegrate, in order to ensure standards of project quality, maximum moisture content of 22.6% is recommended; taking the maximum dry density of 1.56 g/cm3 as control standards. Wetting-drying cycles have a significant effect on the strength properties of mudstone. Its cohesion increases with the increase of wetting-drying cycles; while the internal friction angle decreases with the increase of wetting-drying cycles. The sample structure begins to stabilize when the number of cycles up to 12, the effect of wetting-drying cycle weakens. The real effects of wetting-drying cycles is the destruction of the original particle structure; on the one hand it enhances the cohesion of the disintegrating mudstone, the growth reaches 95.8%, on the other hand the internal friction angle reduces, the reduction is 26.5%. In general, wetting-drying cycles weaken the shear strength of mudstone.

Keywordsmudstone;strength;wetting-drying cycle