紅砂巖風(fēng)化土濕化特性的三軸試驗研究*

曹 培 杜雨坤

(①水利部土石壩破壞機理與防控技術(shù)重點實驗室 南京 210024)(②同濟大學(xué)地下建筑與工程系 上海 200092)

0 引 言

紅砂巖是中、新生代的陸相紅色巖系，富含鐵質(zhì)氧化物，約占全國陸地面積的8.61%(王章瓊等， 2018)，在我國西南、華中、中南等地區(qū)分布廣泛。其地區(qū)特性明顯，多為碎屑、泥質(zhì)膠結(jié)結(jié)構(gòu)，強度低，水穩(wěn)定性差，具有遇水濕化、崩解和膨脹等不良工程性質(zhì)。隨著交通建設(shè)的快速發(fā)展，為了滿足節(jié)能環(huán)保等建設(shè)理念的要求，紅砂巖等軟質(zhì)巖石風(fēng)化料不可避免地成為填筑材料(趙明華等， 2003， 2005； 劉新喜等， 2006； 譚紹富等， 2011)。在路基的建設(shè)和運營過程中，地下水位的上升，降雨入滲等都會對填筑體顆粒產(chǎn)生軟化、潤滑作用，使填筑體產(chǎn)生不同程度的濕化變形，從而導(dǎo)致路基沉降和路堤失穩(wěn)等現(xiàn)象。因此，研究軟巖填料的濕化變形特性和強度軟化問題對于控制路基沉降、減少路堤病害具有重要意義。

近年來，隨著軟質(zhì)巖石作為填筑材料的應(yīng)用增多，學(xué)者們在軟巖填料的濕化變形和強度方面開展了一系列研究(劉新喜等， 2006； 張丹等， 2009； 毛雪松等， 2011)。周德泉等(2013)采用壓縮試驗和平板荷載試驗研究了重復(fù)加卸載條件下全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖的濕化變形規(guī)律。鄧濤等(2014)對酸堿性溶液環(huán)境下紅層軟巖的崩解特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)酸性環(huán)境對泥質(zhì)頁巖的崩解性影響較大。杜秦文等(2015)采用單線法對變質(zhì)軟巖填料進(jìn)行濕化試驗研究，分析了圍壓和密度對濕化變形的影響規(guī)律。韋慧等(2015)利用一維大型壓縮試驗，研究了紅砂巖填料在干濕循環(huán)條件下的濕化壓縮變形規(guī)律。張靜波等(2017)對板巖路堤的濕化變形進(jìn)行了研究，認(rèn)為板巖路堤濕化變形主要由兩部分組成，一部分是由路堤上部附加動應(yīng)力產(chǎn)生的，而另一部分是由堤下部自重應(yīng)力產(chǎn)生的。張莉萍等(2018)對南京砂巖的試驗結(jié)果表明，水對巖石性質(zhì)的劣化作用包括物質(zhì)軟化和結(jié)構(gòu)破壞雙重機制。從總體上說，針對軟巖填料的濕化變形研究方法不一，得出的濕化變形規(guī)律也不盡相同，而且不同巖性的軟巖填料的濕化變形和強度特性也有顯著差異。

本文針對某高速公路紅砂巖風(fēng)化料，采用單線法，分別在不同應(yīng)力水平下進(jìn)行了三軸濕化變形試驗，探討了其濕化變形的規(guī)律，并分析了濕化后試樣的強度特性，為紅砂巖風(fēng)化土路基填料的使用提供可靠的試驗依據(jù)。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗土樣取自重慶某高速公路，為紅褐色砂巖風(fēng)化料，土樣的比重為2.67，最大干密度為1.84ig·cm-3，顆粒級配如圖 1所示。

圖 1 顆粒級配分布曲線Fig. 1 Grain-size distribution curve

利用巖石磨片機對顆粒進(jìn)行磨片，采用偏光顯微鏡在10倍的放大倍數(shù)下對顆粒磨片進(jìn)行分析(圖 2)。可以發(fā)現(xiàn)顆粒磨圓度為次棱角狀，接觸式膠結(jié)，層理構(gòu)造，碎屑結(jié)構(gòu)，石英含量約為25%，斜長石含量為23%，正長石含量為15%，流紋巖屑含量為17%，微斜長石含量為8%，方解石含量為5%，黑云母含量3%，白云母集合體含量3%，輝石含量1%。根據(jù)巖石分類和定名方案(GB/T 17412.2-1998)，定名為紅褐色中細(xì)粒巖屑長石砂巖。

圖 2 正交偏光微觀結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Microstructure under the polarizing microscope

采用日立SU1510鎢絲燈掃描電子顯微鏡對試樣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀測。選取2～5mm之間的顆粒，烘干后選取平整光滑的表面，在表面鍍金后進(jìn)行測試，SEM圖像如圖 3所示。從圖中可以看出，樣品主要為碎屑結(jié)構(gòu)，顆粒間有較多的孔隙，表面有微裂隙，這些孔隙和微裂隙的存在，使紅砂巖顆粒在遇水后，水分更容易進(jìn)入到顆粒內(nèi)部，從而導(dǎo)致顆粒產(chǎn)生相互滑移、破碎或軟化等現(xiàn)象。

圖 3 紅砂巖風(fēng)化土掃描電鏡圖片F(xiàn)ig. 3 SEM photo of red sandstone weathered soila. 放大倍數(shù)為500倍； b. 放大倍數(shù)為1000倍

1.2 試驗方法

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 濕化變形特性

圖 4 三軸濕化試驗應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig. 4 Curves of stress-strain in triaxial tests on wetting deformation with density of a. 圍壓為200kPa； b. 圍壓為400kPa； c. 圍壓為800kPa

圖 5 三軸濕化試驗應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig. 5 Curves of stress-strain in triaxial tests on wetting deformation with density of a. 圍壓為200kPa； b. 圍壓為400kPa； c. 圍壓為800kPa

表 1 試驗測定的濕化軸向應(yīng)變Table 1 Wetting axial strain results of the tests

根據(jù)試驗結(jié)果，繪制出不同圍壓下濕化變形隨應(yīng)力水平變化的關(guān)系曲線(圖 6)，可以看出，在0.6的應(yīng)力水平范圍內(nèi)，濕化軸向變形與應(yīng)力水平近似線性關(guān)系，可以用直線擬合如下：

(1)

其中，k、n為試驗常數(shù)，與圍壓和土的性質(zhì)有關(guān)。

圖 6 濕化軸向應(yīng)變與應(yīng)力水平的關(guān)系曲線Fig. 6 Curves of relationship between wetting axial strain and stress level

2.2 濕化變形后的強度指標(biāo)

從圖 4a和圖 5a可以看出，當(dāng)圍壓相同時，試樣濕化后的峰值強度隨應(yīng)力水平的增大而略有下降，而且都低于飽和狀態(tài)的峰值強度。圖 7給出了試樣濕化后的峰值強度與應(yīng)力水平的關(guān)系曲線，可以看出不同應(yīng)力水平下試樣的峰值強度約為飽和狀態(tài)峰值強度的90%左右。

圖 7 濕化后峰值強度與應(yīng)力水平的關(guān)系曲線Fig. 7 Curves of relationship between peak strength and stress level after wetting

表 2 不同應(yīng)力狀態(tài)下的抗剪強度指標(biāo)Table 2 Shear strength index under different stress level

根據(jù)試驗結(jié)果計算出飽和狀態(tài)和不同濕化應(yīng)力水平下的抗剪強度指標(biāo)，如表 2所示。可見在本次試驗中，各個濕化應(yīng)力水平下的抗剪強度指標(biāo)比較接近，但都低于飽和狀態(tài)下的強度指標(biāo)。這與左永振等(2008)關(guān)于壩殼粗粒料的研究結(jié)論有所不同。這大概是由于試驗所用紅砂巖風(fēng)化料的母巖屬于軟質(zhì)巖，而且由SEM的試驗結(jié)果可知，顆粒表面存在孔隙和微裂隙，所以在加載過程中，顆粒容易產(chǎn)生破碎。隨著應(yīng)力水平的增加，試樣濕化前的顆粒破碎程度也有所增加，細(xì)顆粒含量相應(yīng)地增多，濕化開始后隨著含水率的增加，水更容易進(jìn)入顆粒內(nèi)部的孔隙中，水對顆粒間膠結(jié)物的軟化、潤滑作用也越發(fā)明顯，從而導(dǎo)致后續(xù)的剪切峰值強度降低。

3 結(jié) 論

本文對某高速公路砂巖風(fēng)化料進(jìn)行了三軸濕化試驗研究，分析了濕化變形規(guī)律和濕化后的強度特性，得到如下結(jié)論：

(1)在相同圍壓作用下，隨著應(yīng)力水平的增加，濕化軸向應(yīng)變有顯著增加，而且在不大于0.6的應(yīng)力水平范圍內(nèi)，兩者近似呈線性關(guān)系。

(2)濕化軸向應(yīng)變不僅與應(yīng)力水平有關(guān)，而且還受到圍壓和密實度的影響。在同一應(yīng)力水平作用下，圍壓越大，濕化軸向應(yīng)變也越大； 而當(dāng)圍壓和應(yīng)力水平一定時，隨著密實度的增加，濕化應(yīng)變顯著減小。

(3)應(yīng)力水平對試樣濕化后的峰值強度有一定影響，濕化后的峰值強度隨應(yīng)力水平的增加而略有降低，但下降的程度并不大，由此得到的強度指標(biāo)c和φ也比較接近，但是與飽和狀態(tài)的強度指標(biāo)相比有明顯降低。