低黏土礦物含量泥巖有荷膨脹試驗(yàn)研究

，起才,b，,b,c，，，，，炳忠

(蘭州交通大學(xué) a.土木工程學(xué)院；b.道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室；c.甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070)

低黏土礦物含量泥巖有荷膨脹試驗(yàn)研究

王沖a，王起才a,b，張戎令a,b,c，馬麗娜a，薛彥瑾a，崔曉寧a，李進(jìn)前a，王炳忠a

(蘭州交通大學(xué) a.土木工程學(xué)院；b.道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室；c.甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070)

現(xiàn)有鐵路規(guī)范中判定為無(wú)膨脹性的低黏土礦物含量泥巖仍具有膨脹性，其遇水之后產(chǎn)生的微弱膨脹對(duì)于變形精度要求只有4 mm的高速鐵路具有潛在的破壞作用。以一高速鐵路地基中的低黏土礦物含量重塑泥巖為研究對(duì)象，通過有荷膨脹率試驗(yàn)研究初始含水率、干密度及上覆荷載對(duì)膨脹極限狀態(tài)的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：在初始含水率與上覆荷載一定的條件下，泥巖的脹限膨脹率隨干密度的增大而增大；在干密度與上覆荷載一定的條件下，初始含水率越大，脹限膨脹率越??；在初始含水率與干密度一定的條件下，脹限膨脹率與脹限含水率均隨上覆荷載的增大而減小。同時(shí)擬合得到了泥巖脹限膨脹率計(jì)算公式，驗(yàn)證結(jié)果表明脹限膨脹率實(shí)測(cè)值與公式預(yù)估值誤差較小，可以采用擬合出的公式對(duì)于實(shí)際工程中的膨脹進(jìn)行預(yù)測(cè)，為工程提供指導(dǎo)。

泥巖；低黏土礦物含量；微弱膨脹；有荷膨脹試驗(yàn)；脹限膨脹率

1 研究背景

膨脹土是一種主要由強(qiáng)親水性黏土礦物蒙脫石、伊利石與高嶺石組成，并且隨含水量增減，體積發(fā)生顯著脹縮變形的高塑性黏土。膨脹土因其顯著的吸水膨脹與失水收縮特性對(duì)工程造成嚴(yán)重的破壞性一直以來(lái)都是巖土工程界備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)。以往的研究及巖土勘察都是根據(jù)鐵路規(guī)范[1]中的要求，采用蒙脫石含量、自由膨脹率與陽(yáng)離子交換量3個(gè)指標(biāo)作為判斷是否是膨脹土的依據(jù)。

但是，某高速鐵路在無(wú)碴軌道靜態(tài)精調(diào)時(shí)，發(fā)現(xiàn)軌面高程異常，最高點(diǎn)比設(shè)計(jì)高程高40 mm左右，已嚴(yán)重影響到高速鐵路的正常運(yùn)營(yíng)。對(duì)地基中泥巖進(jìn)行3個(gè)指標(biāo)試驗(yàn)之后，發(fā)現(xiàn)3個(gè)指標(biāo)均達(dá)不到規(guī)范中膨脹土的要求，按照現(xiàn)有的鐵路巖土分類標(biāo)準(zhǔn)判斷為無(wú)膨脹土，不會(huì)對(duì)鐵路產(chǎn)生任何影響。后經(jīng)排查與專家論證，結(jié)論是地基中的低黏土礦物含量的泥巖遇水膨脹引發(fā)的上拱病害。已有的研究普遍認(rèn)為膨脹土具有膨脹性是由于內(nèi)部的黏土礦物吸水?dāng)U充引起土體膨脹[2]。蒙脫石等黏土礦物物含量越多，則膨脹潛勢(shì)越大[3]。因此低黏土礦物含量泥巖中親水物質(zhì)只是含量較少，遇水之后實(shí)質(zhì)上具有一定的膨脹性。在之前修建的鐵路，更多的是普通有砟鐵路，其能夠承受變形的能力較強(qiáng)，泥巖產(chǎn)生的微弱膨脹對(duì)其不足以產(chǎn)生影響，所以在規(guī)范中此類泥巖會(huì)被判定為“無(wú)”膨脹性。但是在高速鐵路工程中根據(jù)規(guī)范仍然判定為不具有膨脹性顯然是不合理的。因?yàn)楦鶕?jù)高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范要求，如果路基膨脹，其向下調(diào)整量?jī)H有4 mm。所以，在普通鐵路中微不足道的膨脹對(duì)于高速鐵路工程卻會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的影響。并且過去的研究中更多關(guān)注的是規(guī)范中判定為具有膨脹性的土，例如姚華彥等[4]、沈銀斌等[5]、黃斌等[6]對(duì)規(guī)范中所劃定的膨脹巖(土)進(jìn)行了大量的研究并擬合得出了相應(yīng)的膨脹規(guī)律。然而很少有人去探究這類被判定為無(wú)膨脹性，但實(shí)際上對(duì)高速鐵路具有潛在破壞影響的低黏土礦物含量泥巖的膨脹特性。

本文針對(duì)某高速鐵路地基中低黏土礦物含量的重塑泥巖進(jìn)行室內(nèi)有荷膨脹試驗(yàn)，研究其膨脹特性，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果擬合出了泥巖脹限膨脹率公式，具有一定的參考意義。

2 有荷膨脹率試驗(yàn)

2.1 泥巖基本性質(zhì)

泥巖的基本特征如表1所示，蒙脫石含量、自由膨脹率、陽(yáng)離子交換量均小于規(guī)范中的判定指標(biāo)，依據(jù)規(guī)范應(yīng)該劃分為“無(wú)”膨脹土。此外，蒙脫石、伊利石、高嶺石三大引發(fā)膨脹的黏土礦物含量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于范秋雁[7]整理的已研究的膨脹土。

表1 泥巖基本特征

2.2 試驗(yàn)概述

根據(jù)規(guī)范[8]中有荷膨脹率試驗(yàn)將泥巖首先碾碎后過2 mm孔篩，分別配制10%，12%，14%，16%，18% 5種不同初始含水率w0的土樣，每種含水率下再制備干密度ρd分別為1.5，1.6，1.7，1.8 g/cm3的試樣。然后密封悶料48 h以上，且中間進(jìn)行攪拌，使水分?jǐn)U散均勻。其中每種干密度的5個(gè)試樣在0，12.5，25，50，70 kPa 5個(gè)荷載σ下固結(jié)穩(wěn)定后注水，每隔2 h讀數(shù)差值不超過0.01 mm時(shí)，解除荷載，取樣稱重，烘干并計(jì)算脹限含水率。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 干密度對(duì)脹限狀態(tài)的影響

脹限是指膨脹土在充分吸水后達(dá)到的膨脹極限狀態(tài)，脹限膨脹率與脹限含水率即是膨脹土處于膨脹極限狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的膨脹率和含水率。泥巖在相同荷載與相同初始含水率的條件下，隨著干密度的增大，脹限膨脹率也隨之增大。圖1為脹限膨脹率與干密度的關(guān)系曲線，由于試樣較多，僅列出一部分。

圖1脹限膨脹率與干密度的關(guān)系曲線

Fig.1Curveofexpansionratioinbulginglimit

conditionvs.drydensity

從圖1可以看出，初始含水率為10%，干密度分別為1.5，1.6，1.7，1.8 g/cm3的重塑泥巖在無(wú)上覆荷載的條件下，最終的膨脹率分別是15.45%，17.51%，19.27%，21.44%；初始含水率為18%，上覆荷載是70 kPa時(shí)，1.5，1.6，1.7，1.8 g/cm34種干密度對(duì)應(yīng)的脹限膨脹率分別是1.98%，2.72%，3.21%，4.30%。由于在相同條件下，干密度增大，泥巖內(nèi)部具有吸水膨脹性的蒙脫石、伊利石與高嶺石也會(huì)隨之增多。因?yàn)檫@些親水的黏土礦物含量的增大，當(dāng)處于充足的水環(huán)境中，親水物質(zhì)遇水之后均完全發(fā)生晶胞體積的擴(kuò)大使得土體產(chǎn)生更大的膨脹，在宏觀上就會(huì)表現(xiàn)出更大的膨脹潛勢(shì)與膨脹能力，因此出現(xiàn)脹限膨脹率隨干密度的增大而增大的現(xiàn)象。

3.2 初始含水率對(duì)脹限狀態(tài)的影響

試驗(yàn)中所有試樣都處在水分充足的環(huán)境中，且根據(jù)規(guī)范2 h內(nèi)膨脹量變化lt;0.01 mm即達(dá)到了膨脹極限狀態(tài)。但是最終處于膨脹極限狀態(tài)的重塑泥巖的含水率與膨脹率卻因?yàn)槌跏己实牟煌a(chǎn)生了變化。

圖2僅列出了試驗(yàn)中一部分的數(shù)據(jù)，從圖2中的數(shù)據(jù)可看出每條曲線均是呈下降趨勢(shì)。以干密度為1.5 g/cm3、上覆荷載為70 kPa為例，初始含水率分別為10%，12%，14%，16%，18%，最終的脹限膨脹率分別為6.29%，3.85%，3.08%，2.04%，1.93%。呈現(xiàn)出脹限膨脹率隨初始含水率增大而降低的現(xiàn)象。

圖2脹限膨脹率與初始含水率關(guān)系曲線

Fig.2Curveofexpansionratioinbulginglimitconditionvs.initialwatercontent

脹限膨脹率變小是由于初始含水率不一樣，隨著初始含水率的增大，泥巖內(nèi)部的一部分黏土礦物成分已經(jīng)吸水發(fā)生了一定的膨脹變形，所以低初始含水率的泥巖試樣因?yàn)檩^低的初始含水率而具有了更大的膨脹潛勢(shì)。即使都是在相同充足的水環(huán)境與上覆荷載條件下，較高初始含水率的泥巖表現(xiàn)出了膨脹率低于較低初始含水率試樣的現(xiàn)象。

3.3 上覆荷載對(duì)脹限狀態(tài)的影響

圖3的每條曲線均表明相同初始含水率與干密度的條件下，泥巖表現(xiàn)出脹限含水率隨著上覆荷載的增大而減小的現(xiàn)象。在上覆荷載的作用下改變的是顆粒間的孔隙，孔隙的縮小減少了受土顆粒吸附作用影響的較弱自由水可以容納的空間。因此，隨著上覆荷載的增大，出現(xiàn)由于孔隙尺寸減小而導(dǎo)致自由水被“擠出來(lái)”的現(xiàn)象。并且上覆荷載越大，這種對(duì)土體的壓縮作用也就越明顯。于是會(huì)出現(xiàn)這種隨著上覆荷載增大，脹限含水率減小的現(xiàn)象。

圖3脹限含水率隨上覆荷載的變化曲線

Fig.3Variationofwatercontentinbulginglimitconditionvs.overburdenload

由圖4可以看出，相同初始含水率和干密度的泥巖的脹限膨脹率是隨上覆荷載的增大而減小。如圖4(c)中初始含水率為14%、干密度為1.7 g/cm3的泥巖， 在受到0，12.5，25，50，70 kPa的荷載作用下，最終的脹限膨脹率分別為14.86%，11.49%，8.64%，5.91%，4.59%。圖4(e)中初始含水率為18%、干密度為1.5g/cm3的泥巖在受到0，12.5，25，50，70 kPa的荷載作用下，脹限膨脹率分別是8.60%，6.43%，4.25%，3.08%，1.93%。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)楹奢d越大，會(huì)對(duì)土產(chǎn)生越大的壓縮與抑制作用，阻止了膨脹的發(fā)生。

圖4脹限膨脹率隨上覆荷載的變化

Fig.4Variationofexpansionratioinbulginglimitconditionvs.overburdenload

如圖5所示，在初始含水率為18%且不變的條件下，干密度為1.5，1.6，1.7，1.8 g/cm3的泥巖脹限膨脹率與上覆荷載的半對(duì)數(shù)均呈現(xiàn)出極好線性的關(guān)系，這與國(guó)外有關(guān)學(xué)者[9-10]及韋秉旭等[11]研究的規(guī)律一致，并且在理論上有一定的根據(jù)。其他初始含水率的泥巖也表現(xiàn)出了相同的線性關(guān)系。

圖5w0=18%時(shí)泥巖脹限膨脹率與上覆荷載的半對(duì)數(shù)關(guān)系

Fig.5Semi-logarithmicrelationshipbetweenexpansionratioinbulginglimitconditionofmudstoneandoverburdenloadwhenw0=18%

由于在半對(duì)數(shù)關(guān)系中無(wú)法擬合σ=0這種情況，因此，本文只考慮有荷情況(σgt;0)的膨脹率，并采用式(1)進(jìn)行擬合。

δmax=algσ+b。

(1)

式中：δmax為脹限膨脹率(%)；a，b是在初始含水率一定的情況下，與干密度有關(guān)的2個(gè)參數(shù)。

對(duì)圖5中初始含水率為18%的不同干密度下4條曲線進(jìn)行擬合，參數(shù)如表2所示。

表2 w0=18%時(shí)不同干密度下脹限膨脹率擬合參數(shù)

a，b與干密度的擬合結(jié)果如圖6所示。因?yàn)閍，b是與干密度有關(guān)的參數(shù)，由圖6可以看出，a，b均與干密度表現(xiàn)出了線性關(guān)系。

因此，將a，b代入式(1)可得

δmax=(-12.454 7ρd+12.225 79)lgσ+

(30.097 64ρd-32.401 8) 。

(2)

圖6w0=18%泥巖a，b參數(shù)與干密度關(guān)系

Fig.6Relationshipbetweenparametersa，bofmudstoneanddrydensitywhenw0=18%

同理，可以得到初始含水率分別為10%，12%，14%，16%下的脹限膨脹率公式，如式(3)所示。

(3)

由式(2)、式(3)可以統(tǒng)一整理為式(4)，其中e，f，g，h均是與初始含水率有關(guān)的參數(shù)，如表3所示。

δmax=(eρd+f)lgσ+(gρd+h) 。

(4)

表3 脹限膨脹率回歸參數(shù)

對(duì)e，f，g，h4個(gè)參數(shù)與初始含水率進(jìn)行多次擬合可得式(5)—式(8)。

e=-0.550 85w0-2.290 18 ;

(5)

f=0.999 54w0-5.571 1 ;

(6)

g=0.331 14w0+24.109 59 ;

(7)

h=-1.348 89w0-8.074 4 。

(8)

于是，可將式(5)—式(8)代入式(4)得到式(9)。

δmax= [(-0.550 85w0-2.290 18)ρd+(0.999 54w0-

5.571 1)]lgσ+[(0.331 14w0+24.109 59)ρd+(-1.348 89w0-8.074 4)] 。

(9)

式(9)即是低黏土礦物含量泥巖的脹限膨脹率公式，通過式(9)可預(yù)測(cè)泥巖的最大膨脹率。

4 公式驗(yàn)證

筆者除了試驗(yàn)之外，還對(duì)擬合的公式進(jìn)行了驗(yàn)證，脹限膨脹率實(shí)測(cè)值與公式預(yù)估值如表4所示。

表4 脹限膨脹率試驗(yàn)值與預(yù)估值對(duì)比

從表4中的試驗(yàn)值與式(9)預(yù)估值對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，盡管預(yù)估值與試驗(yàn)的實(shí)測(cè)值有一定誤差，但是，從誤差范圍可以看出，所有誤差均在8%以內(nèi)，可較為近似地反映出真實(shí)的膨脹狀況。表明了公式的合理性，即可以采用擬合出的公式對(duì)于實(shí)際工程中的膨脹進(jìn)行預(yù)測(cè)，為工程提供指導(dǎo)。

5 結(jié) 論

(1)根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范判定為無(wú)膨脹性的低黏土礦物含量的泥巖仍具有膨脹性，其微弱的膨脹對(duì)精度要求極高的高速鐵路工程具有潛在的破壞性，應(yīng)引起重視，并采取預(yù)防措施。

(2)在初始含水率與荷載不變的條件下，泥巖的脹限膨脹率隨干密度的增大而增大；在上覆荷載與干密度不變的條件下，隨著初始含水率的增大，脹限膨脹率呈現(xiàn)出減小的現(xiàn)象；在初始含水率與干密度不變的條件下，泥巖的脹限膨脹率與脹限含水率都隨上覆荷載的增大而減小，并且膨脹率與上覆荷載的半對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系。

(3)試驗(yàn)針對(duì)低黏土礦物含量泥巖根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果擬合出了預(yù)測(cè)脹限膨脹率的公式，根據(jù)驗(yàn)證誤差較小可知，可以使用此公式對(duì)膨脹進(jìn)行預(yù)測(cè)并采取措施，減少損失。

[1] TB 10038—2012，鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程[S].北京：中國(guó)鐵道出版社,2012.

[2] 賈景超.膨脹土膨脹機(jī)理及細(xì)觀膨脹模型研究[D].大連：大連理工大學(xué),2010.

[3] 戴張俊,陳善雄,羅紅明,等.南水北調(diào)中線膨脹土/巖微觀特征及其性質(zhì)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2013,35(5):948-954.

[4] 姚華彥,邵 迅,吳軍軍,等.合肥膨脹土的膨脹特性試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑,2015,45 (增1):1067-1071.

[5] 沈銀斌,邵 迅,吳軍軍,等.合肥地鐵車站基坑膨脹土有荷條件下的變形規(guī)律研究[J].鐵道建筑,2015,(4):122-126.

[6] 黃 斌,程展林,徐 晗.膨脹土膨脹模型及邊坡工程應(yīng)用研究[J].巖土力學(xué),2014,35(12):3550-3555.

[7] 范秋雁.膨脹巖與工程[M].北京：科學(xué)出版社,2008.

[8] TB 10102—2010,鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程[S].北京：中國(guó)鐵道出版社,2010

[9] EINSTEIN H. Suggested Methods for Laboratory Testing of Argillaceous Swelling Rocks[J].International Journal of Rock Mechanics amp; Mining Science amp; Geomechanics Abstracts,1989, 26(5):415-426.

[10] HOLTZ W G,GIBBS H J.Engineering Properties of Expansive Clays[J].Transactions of the American Society of Civil Engineers, 1956,121(1): 641-663.

[11] 韋秉旭,周玉峰,劉義高,等.基于工程應(yīng)用的膨脹土本構(gòu)模型[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2007,20(2):18-22.

(編輯：羅 娟)

Expansion Test of Mudstone with Low Content of Clay Minerals under Overburden Load

WANG Chong1，WANG Qi-cai1,2，ZHANG Rong-ling1,2,3，MA Li-na1， XUE Yan-jin1，CUI Xiao-ning1，LI Jin-qian1，WANG Bing-zhong1

(1.School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China;2. National and Provincial Joint Engineering Laboratory of Road amp; Bridge Disaster Prevention and Control,Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070,China;3.Key Laboratory of Road amp; Bridge and Underground Engineering of Gansu Province, Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

Mudstone with low content of clay minerals is determined not expansive by existing railway standards. However,it is still of weak expansion in water,and has potential damage to high-speed railway which is tolerable to a deformation of only 4 mm. In this article,we take the reshaped mudstone with low content of clay minerals in the foundation of a high speed railway as research object, and analyze the effects of initial water content, dry density and overburden load on the bulging limit condition by expansion test under overburden load. Results show that:1) expansion ratio of mudstone in bulging limit condition increases with the increase of dry density when initial water content and overburden load are stable;2)the greater the initial water content is, the smaller the expansion rate in bulging limit condition is when dry density and overburden load are stable;3) expansion rate and water content in bulging limit condition both decrease with the increasing of overburden load when the initial water content and dry density are stable. Furthermore, we obtained the fitting calculation formula of expansion rate in bulging limit condition of mudstone. Verification result shows that the difference between measured value and predicted value by the formula of expansion rate in bulging limit condition is small. The fitted formula could be used to predict expansion in practical engineering to provide guidance for engineering.

mudstone；low content of clay mineral；weak expansion；expansion test under overburden load;expansion rate in bulging limit condition

10.11988/ckyyb.20160761 2017,34(11):107-111

2016-07-31；

2016-08-31

教育部長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)滾動(dòng)支持發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(IRT_15R29)；中國(guó)鐵路總公司科技研究計(jì)劃項(xiàng)目(Z2015-G001)

王 沖(1993-)，男，陜西寶雞人，碩士研究生，主要從事巖石力學(xué)試驗(yàn)研究，(電話)0931-4938000(電子信箱)wangchong1993121@qq.com。

王起才(1962-)，男，河北晉州人，教授，博士生導(dǎo)師，博士，主要從事建筑材料方面的研究，(電話)0931-4955662(電子信箱)2536507233@qq.com。

TU45

A

1001-5485(2017)11-0107-05