某膨脹性泥巖強(qiáng)度特性室內(nèi)試驗(yàn)研究

王 濤 曹雪山 張榮寬

（1.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210093；2.河海大學(xué)道路與鐵道工程研究所，江蘇南京 210098；3.中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京 210014）

0 引言

膨脹性泥巖具有遇水膨脹、崩解軟化的特性，開挖暴露后在大氣作用下表層巖石產(chǎn)生軟化，強(qiáng)度喪失。路基填筑和邊坡支護(hù)工程中，在進(jìn)行填筑和護(hù)坡施工前需將軟化崩解后的巖屑清除。此外，工程施工開挖出的膨脹性泥巖被運(yùn)往棄渣場(chǎng)，經(jīng)雨淋日曬后很快變成散土，若對(duì)其加以利用，將對(duì)工程建設(shè)有重大意義。

國內(nèi)針對(duì)膨脹性軟巖或膨脹土作為路基、邊坡或堤壩等填筑材料的適用性已有不少研究成果［1-3］，但不同地區(qū)的膨脹巖土由于其成因、產(chǎn)狀、親水性礦物含量的不同而具有各自相異的力學(xué)特性。膨脹性泥巖用于各類工程填筑時(shí)，既要保證壓實(shí)度滿足要求，還應(yīng)采取一定的隔水措施，減小由膨脹性泥巖浸水產(chǎn)生的膨脹、軟化等不利影響。本文所研究的膨脹性泥巖的蒙脫石含量較高，具有較強(qiáng)崩解性，因此該類軟巖用于工程填筑時(shí)需要重點(diǎn)研究以下問題：在何種干密度和含水率下該類膨脹性泥巖的強(qiáng)度最高，在不同壓力下浸水后的強(qiáng)度參數(shù)變化規(guī)律等。

1 巖樣基本物理特性

巖樣取自合肥市某工程施工現(xiàn)場(chǎng)，巖樣的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。由表可知，該巖樣親水性黏土礦物含量較高，其天然含水率較大，自由膨脹率51%，屬于膨脹性巖。烘干后巖樣的無荷膨脹率遠(yuǎn)大于天然狀態(tài)下的膨脹率；抗壓強(qiáng)度約1.1 MPa，屬極軟巖，耐崩解性指數(shù)為1.2%，屬強(qiáng)崩解性。

2 試驗(yàn)方案

制備含水率分別為14%、18%、22%的重塑環(huán)刀樣各12個(gè)（見圖1），每種含水率包含3種干密度1.5 g/cm3、1.6 g/cm3、1.7 g/cm3，每種干密度的重塑環(huán)刀樣各4個(gè)，見表2。制備好試樣后，進(jìn)行直剪試驗(yàn)。剪切試驗(yàn)時(shí)分別施加垂直壓力100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。

表1 原狀巖樣物理力學(xué)性質(zhì)

圖1 部分膨脹性泥巖重塑環(huán)刀樣

制備含水率分別為14%、18%、22%的三軸三開重塑樣各9個(gè)，每種含水率包含3種干密度1.5 g/cm3、1.6 g/cm3、1.7 g/cm3，每種干密度的三軸三開重塑樣各3個(gè)，見表2。制備好試樣后，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

表2 試樣初始條件及環(huán)刀樣制備方案

直剪試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓試驗(yàn)步驟按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—1999）［5］進(jìn)行。

制備初始含水率為18%、干密度為1.7 g/cm3的重塑環(huán)刀樣16個(gè)，分別在1 kPa、12.5 kPa、50 kPa、100 kPa上覆壓力下進(jìn)行浸水飽和24小時(shí)，見表3。試樣飽和后，吸去固結(jié)儀水槽內(nèi)的水，卸去上覆壓力，稱量試樣質(zhì)量。然后立即進(jìn)行豎向壓力為50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa下的不固結(jié)不排水快剪試驗(yàn)，剪切速率為0.8 mm/min。

表3 不同試驗(yàn)條件下的環(huán)刀樣數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 重塑環(huán)刀樣直剪強(qiáng)度特性

圖2是不同干密度下，膨脹性泥巖重塑樣的黏聚力c與試樣含水率w的關(guān)系曲線。由圖2可知，黏聚力隨含水率的增加先增大后減小，隨著干密度的增大而增大。含水率18%時(shí)黏聚力出現(xiàn)峰值，干密度為1.7 g/cm3時(shí)的黏聚力為293 kPa，干密度為1.5 g/cm3時(shí)黏聚力為124 kPa，前者比后者大兩倍還多，可見干密度對(duì)強(qiáng)度的影響比較大。圖3中內(nèi)摩擦角隨含水率的變化數(shù)據(jù)較離散，規(guī)律不明顯。

圖2 不同干密度下的黏聚力-含水率關(guān)系曲線

膨脹性泥巖重塑樣的抗剪強(qiáng)度由黏聚力、土粒間的摩擦力、基質(zhì)吸力、約束外力等因素決定。干密度越大，孔隙比越小，土粒間的引力和咬合作用越強(qiáng)，黏聚力越大［6］。隨著含水率的增加，膨脹性泥巖重塑樣的土顆粒之間因水的吸附作用，產(chǎn)生了一定的黏聚力，使得抗剪強(qiáng)度增大。土顆粒間的結(jié)合水膜隨著含水率的增加而變厚，受力時(shí)孔隙水壓力增大，有效應(yīng)力降低，使土體抗剪強(qiáng)度降低。林鴻州等人［7-8］通過研究得出，對(duì)于重塑的粉細(xì)砂與砂質(zhì)粉土，在飽和與全干的情況下其黏聚力為0，而在非飽和情況下則因基質(zhì)吸力的影響而產(chǎn)生黏聚力；無論何種土，黏聚力在飽和度為40%～60%時(shí)最大，而內(nèi)摩擦角則隨飽和度增加而減少。一些學(xué)者的研究結(jié)果［9］和本文試驗(yàn)結(jié)果基本一致，表明本試驗(yàn)中黏聚力存在峰值是合理的。另外一些學(xué)者［10］的研究結(jié)果中，巖土樣的強(qiáng)度隨飽和度的增加而線性減小，這是由于和本文試驗(yàn)方法的不同引起的。本試驗(yàn)是制備不同干密度和含水率狀態(tài)的試樣后進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，而另外一種方法［10］是使同一初始狀態(tài)下的試樣不同程度的吸水飽和后進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，此時(shí)試樣不僅含水率發(fā)生改變，干密度、孔隙比也發(fā)生了改變，另外吸水導(dǎo)致試樣內(nèi)部和表面水分不均，從而共同引起了強(qiáng)度的衰減。

圖3 不同干密度下的內(nèi)摩擦角-含水率關(guān)系曲線

3.2 重塑三軸三開樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度特性

圖4 是部分試樣破壞后的狀態(tài)，從圖中可以看出，含水率為14%時(shí)，試樣破壞時(shí)無明顯貫穿試樣的大裂縫，而是試樣中部被壓碎或劈裂，隨后強(qiáng)度喪失。而含水率為18%和22%時(shí)，試樣破壞時(shí)均有貫穿試樣的斜裂縫，裂縫與水平面的夾角約為50°～60°。這是由于含水率較低時(shí)，土粒間的黏結(jié)力較低，整體性較差，因此試樣會(huì)以局部碎裂的形式破壞。隨著含水率的增加，土粒間的黏結(jié)力逐漸增大，整體性較好。

圖5是不同干密度下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與含水率的關(guān)系曲線，從圖中可以明顯看出，隨著含水率的增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)峰值，峰值出現(xiàn)在含水率為18%處。表明含水率18%接近膨脹性泥巖重塑樣的最佳含水率，即此時(shí)膨脹性泥巖重塑樣的抗壓強(qiáng)度最高。

圖4 無側(cè)限抗壓試驗(yàn)部分破壞后的試驗(yàn)照片

圖5 不同干密度下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度-含水率關(guān)系曲線

3.3 重塑環(huán)刀樣吸水飽和后的強(qiáng)度參數(shù)

重塑環(huán)刀樣在不同上覆壓力下吸水飽和后，通過直剪試驗(yàn)得到試樣在不同上覆壓力下的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，見表4。

表4 不同壓力浸水膨脹后的黏聚力和內(nèi)摩擦角

圖6和圖7表示了黏聚力、內(nèi)摩擦角與上覆壓力之間的曲線關(guān)系。由曲線可知：①膨脹性泥巖重塑環(huán)刀樣在不同上覆壓力下吸水飽和后的強(qiáng)度參數(shù)c隨上覆壓力的增大而增大，在上覆壓力較小時(shí)，增長速率較大，黏聚力與上覆壓力近似呈冪函數(shù)關(guān)系變化；②內(nèi)摩擦角均隨浸水上覆壓力的增加而增加，內(nèi)摩擦角與上覆壓力也近似呈冪函數(shù)關(guān)系變化。

膨脹性泥巖吸水后的強(qiáng)度降低是由于膨脹性泥巖親水性的黏土礦物含量高，吸水后黏土礦物顆粒之間出現(xiàn)水化膜，顆粒之間的接觸變成水化膜接觸，孔隙水壓力增加，有效應(yīng)力減??；同時(shí)黏土礦物顆粒體積膨脹，晶片之間的間距變大，結(jié)構(gòu)變得松弛，強(qiáng)度也就隨之迅速降低。

上覆壓力較小時(shí)吸水膨脹后的強(qiáng)度參數(shù)遠(yuǎn)小于上覆壓力較大時(shí)吸水膨脹后的強(qiáng)度參數(shù)，其中上覆壓力為1 kPa時(shí)比上覆壓力為100 kPa時(shí)的黏聚力降低約70%。這是由于上覆壓力顯著抑制了試樣的膨脹變形，減小了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度損失。因此該類巖料用于工程填筑時(shí)，為防止邊坡失穩(wěn)或填筑體產(chǎn)生較大變形，該類巖料上方需用非膨脹土或改良土覆蓋壓重，另外應(yīng)做好填筑體的防水、排水，減小填料的吸水程度，從而減小填筑體的變形和強(qiáng)度損失。

圖6 浸水時(shí)上覆壓力-黏聚力關(guān)系曲線

圖7 浸水時(shí)上覆壓力-內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線

4 結(jié)論

1）本次試驗(yàn)的膨脹性泥巖重塑環(huán)刀樣的直剪強(qiáng)度和重塑三軸三開樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均在含水率約18%時(shí)存在峰值，且強(qiáng)度隨干密度的增加而顯著增大。用該類巖樣進(jìn)行填筑時(shí)，將最優(yōu)含水率控制在約18%時(shí)進(jìn)行壓實(shí)，并盡量提高填筑料的干密度，以使填筑體邊坡的抗剪強(qiáng)度達(dá)到最高。

2）膨脹性泥巖重塑環(huán)刀樣在不同上覆壓力下吸水飽和后的強(qiáng)度隨上覆壓力的增大而增大。上覆壓力較小時(shí)，試樣吸水飽和后的強(qiáng)度降低幅度較大，而增大上覆壓力可有效增強(qiáng)巖樣吸水飽和后的強(qiáng)度，尤其當(dāng)上覆壓力處于較小水平時(shí)效果更為明顯。

收稿日期：2018-10-31