干濕循環(huán)作用下紅層軟巖填料強度特性試驗研究

劉曉明，顏 圣，劉 凱，曲詩章，陳仁朋

(湖南大學(xué) 建筑安全與節(jié)能教育部重點實驗室，湖南 長沙 410082)

0 引言

紅層軟巖在我國分布廣泛，將它用作路基填料可獲得良好的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。但是紅層軟巖具有崩解性，查明紅層軟巖填料的長期強度特性是將它應(yīng)用為路基填料的前提。李健[1]、趙明華[2]在我國首先開展了紅層軟巖(紅砂巖)填料強度特性的研究，探索紅層軟巖填料包括CBR值在內(nèi)的各項指標(biāo)是否滿足高速公路填料要求。蔣關(guān)魯?shù)萚3]對紅層泥巖路基填料進行了動、靜三軸試驗，獲得了其在動、靜荷載條件下的強度和變形規(guī)律。自然環(huán)境中的路基填料一直在經(jīng)歷干濕循環(huán)作用。紅層填料由紅層軟巖經(jīng)破碎形成，內(nèi)部含較多具有崩解性的大顆粒，在干濕循環(huán)作用下，這些大顆粒仍可能崩解，導(dǎo)致填料性質(zhì)發(fā)生變化。胡甜等[4]對紅砂巖路基填料進行了反復(fù)浸水-烘干的干濕循環(huán)條件下的大型一維側(cè)限壓縮試驗，得到紅砂巖路基填料壓縮系數(shù)、孔隙比隨干濕循環(huán)進行而逐漸增大的結(jié)論。韋慧等[5]對紅砂巖碎石土開展了反復(fù)浸水條件下的大型一維壓縮試驗，得到的結(jié)論是濕化變形量在前2次干濕循環(huán)增加較大，3次后趨于穩(wěn)定且浸水時間越長濕化變形量越大，變形模量隨含水量增加而減小的結(jié)論。郭威等[6]對多次烘干-浸水后的紅砂巖填料進行干濕循環(huán)，通過大型直剪試驗得到了紅砂巖填料抗剪強度參數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，并以此為依據(jù)采用數(shù)值模擬獲得了前3次干濕循環(huán)邊坡安全系數(shù)下降較大，之后趨于穩(wěn)定的結(jié)論。孔震寧[7]通過大型直剪和壓縮試驗，同樣得到干濕循環(huán)作用下紅砂巖填料強度參數(shù)和壓縮參數(shù)在前期衰減較快，后期趨于穩(wěn)定的結(jié)論。B. Y. Zhang等[8]發(fā)現(xiàn)在應(yīng)力、溫度、干濕循環(huán)耦合作用下，高應(yīng)力下的紅層填料會由于顆粒破碎而發(fā)生致密化。以上紅層填料干濕循環(huán)研究所得的紅層填料強度和模量隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而下降的認(rèn)識，能解釋一種工程現(xiàn)象：運營哪怕超過20 a的紅層填料道路仍會被路基沉陷問題困擾[1-2]，而普通填料路基在多年使用后，一般就不再有這個問題。一般來說，如果材料強度下降，紅層填料路基面臨持久沉陷的同時，應(yīng)該還會伴生滑坡問題。但是工程實踐表明，經(jīng)長期服役的紅層填料路堤的滑坡非常罕見，這說明長期干濕循環(huán)作用下紅層填料的強度變化規(guī)律并不一定如我們所認(rèn)識的那樣。應(yīng)注意到的是，前述研究的壓縮和剪切試驗方法都是一維的，未能模擬真實路基中填料處于三向受力的真實條件，或許并未揭示紅層填料的根本特征。因此，根據(jù)路基中的實際應(yīng)力狀態(tài)，采用三軸試驗揭示紅層軟巖填料的強度性質(zhì)仍有必要。

對于采用三軸試驗研究干濕循環(huán)作用下巖土強度特性，國內(nèi)外均開展了不少，如楊和平等[9]對南寧外環(huán)膨脹土，涂義亮等[10]對粉質(zhì)黏土，G. Stoltz[11]等對石灰改良土，S. H. MP等[12]對飽和未擾動殘積土，L. Kong等[13]對花崗巖殘積土開展了研究。

為揭示干濕循環(huán)作用下紅層填料的強度特性，本研究在室內(nèi)制備不同干濕循環(huán)次數(shù)的紅層填料試樣，然后進行固結(jié)排水三軸試驗，研究干濕循環(huán)條件下紅層填料強度和變形性質(zhì)的變化特性，以期深化紅層填料特性的研究。

1 材料特性及試驗方案

1.1 紅層填料基本物理性質(zhì)

本研究的現(xiàn)場填料分形維數(shù)測試試驗依托長沙市某實際工程進行。該工程填筑材料采用的是本地區(qū)廣泛分布的紅層軟巖[14]，礦物組成如表1所示，其地質(zhì)名稱為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，巖石天然含水率9%，天然含水率下單軸無側(cè)限抗壓強度2.4 MPa，浸水24 h完全崩解成渣狀。在現(xiàn)場測試了壓實后填料的密度、含水量，在室內(nèi)測試了填料級配等其他參數(shù)，結(jié)果為：細(xì)顆粒液限34.2%，塑限20.9%，塑性指數(shù)13.3，最大干密度2.06 g/cm3，最優(yōu)含水量為11.6%，現(xiàn)場壓實度為94%。

表1 紅層軟巖的礦物組成Tab.1 Mineral composition of red bed soft rock

1.2 試樣制備及干濕循環(huán)

按文獻[15]的方法準(zhǔn)備相似級配填料(縮尺料顆粒級配如表2所示)，制備三軸試樣，試樣直徑101 mm，高200 mm，試樣最大粒徑為20 mm。在最優(yōu)含水率下?lián)魧?，得到現(xiàn)場壓實度相同的擊實試樣，先將試樣置入飽和器飽和，然后進行干濕循環(huán)。干濕循環(huán)的方法是：將裝有試樣的飽和器放入真空干燥箱內(nèi)，40 ℃恒溫條件下抽真空干燥至恒重(此為“干”)；將干燥試樣連同飽和器放入真空桶，將試樣抽真空，然后注水飽和24 h(此為“濕”)。按照此法制備0，1，2，4，8次干濕循環(huán)試樣備用。

1.3 三軸試驗方案

將經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)的飽和試樣裝上三軸儀，分別在100，200，300，400 kPa這4級圍壓下進行固結(jié)排水三軸試驗。試驗儀器采用TSZ型普通應(yīng)變控制式三軸儀。試驗前確認(rèn)Δμ/Δσ3不小于0.98(Δμ為孔隙水壓力增量，Δσ3為圍壓增量)，然后進入固結(jié)過程，記錄固結(jié)排水過程，待試樣在目標(biāo)圍壓固結(jié)穩(wěn)定后，施加軸向偏應(yīng)力進行剪切試驗，剪切速率取每分鐘0.05%。

表2 試樣顆粒級配Tab.2 Particle size distribution of sample

2 試驗結(jié)果

2.1 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

試驗得到經(jīng)歷0，1，2，4，8次干濕循環(huán)的試樣，分別在4級圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線關(guān)系如圖1所示。

圖1 不同干濕循環(huán)次數(shù)紅層填料試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain curves of sample of red bed filler after different dry-wet cycles

由圖1可知，不同干濕循環(huán)次數(shù)下的試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)、峰值強度都有所差異。圖1(a)為未經(jīng)受干濕循環(huán)試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)圍壓為100 kPa時，應(yīng)力應(yīng)變曲線具有明顯的下降段，對應(yīng)的體積應(yīng)變斜率為負(fù)值，說明此時圍壓小于試樣先期固結(jié)壓力，試樣發(fā)生了剪脹。而圖1(b)～(e)為經(jīng)歷了干濕循環(huán)的試樣，在100 kPa圍壓下試樣都沒有發(fā)生剪脹，這說明干濕循環(huán)可改變紅層填料試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2.2 峰值強度變化規(guī)律

將不同干濕循環(huán)次數(shù)試驗曲線的偏應(yīng)力峰值強度(無峰值時，則取軸向應(yīng)變15%對應(yīng)的偏應(yīng)力為峰值)除以同圍壓下0次干濕循環(huán)試驗結(jié)果，得到歸一化峰值強度(無量綱)與干濕循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系，見圖2。

圖2 不同圍壓下填料歸一峰值強度與干濕 循環(huán)次數(shù)關(guān)系Fig.2 Relationships between normalized peak strength and dry-wet cycles under different confining pressures

為顯示紅層填料的強度變化特點，將文獻[10]中南寧外環(huán)膨脹土(直剪試驗結(jié)果)及文獻[11]中粉質(zhì)黏土在100 kPa壓力下的峰值強度變化規(guī)律也繪制在圖2中作為對比。

由圖2可知，一般巖土如膨脹土、粉質(zhì)黏土的偏應(yīng)力峰值強度均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而衰減。但紅層填料偏應(yīng)力峰值強度變化展現(xiàn)出完全不同的特點：試樣在經(jīng)歷第1次干濕循環(huán)后峰值強度下降，然后，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，強度逐漸上升，高圍壓的試樣經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后，峰值強度甚至超過未經(jīng)干濕循環(huán)的試樣，巖土填料強度變化的這種特征以前還沒有發(fā)現(xiàn)過。

如果分析不同圍壓下的試樣峰值強度變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)：第1次干濕循環(huán)后，圍壓為100 kPa時強度下降幅度最大，試樣峰值強度最低值僅為未經(jīng)干濕循環(huán)試樣的80.6%，而400 kPa時為91%，200和300 kPa時在兩者之間，說明圍壓越低強度下降幅度越大。第2次干濕循環(huán)后的強度上升規(guī)律則恰恰相反：100 kPa和400 kPa圍壓下的強度上升最大值分別是未經(jīng)干濕循環(huán)試樣的98.7%，114.1%，200 kPa 和300 kPa時在兩者之間，說明圍壓越大強度上升幅度越大?？梢娫嚇訌姸壬仙拖陆档姆扰c圍壓緊密相關(guān)。另一方面，試樣強度上升趨于穩(wěn)定所需的干濕循環(huán)次數(shù)也與圍壓大小相關(guān)：100 kPa 圍壓下強度增長較慢，強度增長段近似呈直線型，可推測8次干濕循環(huán)以后強度仍有繼續(xù)增長的趨勢。而400 kPa圍壓試樣強度開始時增長很快，隨后變緩，可推測8次干濕循環(huán)時，峰值強度已經(jīng)趨于穩(wěn)定。

2.3 固結(jié)排水量與試樣強度的關(guān)系

三軸試驗還記錄了試樣的固結(jié)排水過程，將每個試樣的固結(jié)排水量除以試樣總體積可得到不同圍壓下的固結(jié)體變率，將其與試樣經(jīng)歷的干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系繪制為圖3。

圖3 相同圍壓下填料不同干濕循環(huán)次數(shù)試樣 固結(jié)排水量Fig.3 Relationships between dry-wet cycles and consolidation drainage of samples under same confining pressure

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，紅層填料試樣的固結(jié)體變率隨干濕循環(huán)次數(shù)的增多而逐漸增加，這表明經(jīng)歷干濕循環(huán)的試樣更容易固結(jié)，也表明開始剪切時經(jīng)歷干濕循環(huán)次數(shù)多的試樣具有更高的密實度(其他條件相同時)。

3 側(cè)限條件下的巖塊崩解試驗

為了揭示干濕循環(huán)作用下紅層填料強度變化特殊規(guī)律的機理，進一步研究包裹在紅層填料中仍具有崩解性的大顆粒的崩解特征。

為了模擬紅層填料顆粒在填筑體中受限的干濕循環(huán)狀態(tài)，按《公路工程巖石試驗規(guī)程》(JTG E41—2005)[16]規(guī)定，在天然含水率條件下切割制備50 mm×50 mm×50 mm的立方巖塊(切割時保證表面無明顯裂縫)，將巖塊裝入飽和器，周邊用中砂填充，然后在上方放置彈簧，通過控制彈簧的壓縮量施加50 kPa應(yīng)力在中砂頂部，使巖塊處于一定側(cè)限狀態(tài)。

與填料干濕循環(huán)過程相同，經(jīng)歷過一定次數(shù)干濕循環(huán)后，將受限飽和后的巖塊取出觀察(如圖4所示)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過8次受限干濕循環(huán)后，巖塊并未產(chǎn)生明顯裂縫，只有邊角少量顆粒在試塊取出時容易被碰落。

圖4 巖塊干濕循環(huán)前后對比Fig.4 Comparison of rock block before and after dry-wet cycles

干濕循環(huán)試驗次數(shù)仍分為0，1，2,4，8次5組，每組6個巖塊，干濕循環(huán)后擦干，按《公路巖石試驗規(guī)程》進行單軸抗壓強度試驗，并取平均值為試驗結(jié)果。

將試驗結(jié)果繪制成干濕循環(huán)次數(shù)與單軸抗壓強度關(guān)系曲線，如圖5所示。試驗結(jié)果表明，隨著干濕循環(huán)的進行，巖塊強度發(fā)生顯著的衰減，經(jīng)歷8次干濕循環(huán)的巖塊強度為896 kPa，該強度也顯著高于紅層填料的抗壓強度。

圖5 不同干濕循環(huán)次數(shù)下巖塊單軸抗壓強度Fig.5 Uniaxial compressive strength of rock block under different dry-wet cycles

受限條件下的巖塊崩解試驗表明，處于包裹中的巖塊經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后，雖然邊角更易產(chǎn)生脫落但沒有整體開裂，甚至連明顯的貫通裂縫都沒有，且?guī)r塊強度仍高于填料強度。該試驗結(jié)果對于理解紅層填料的強度變化特性的意義在于：

(1)受限的巖塊在經(jīng)歷干濕循環(huán)后不產(chǎn)生明顯崩解，表明在干濕循環(huán)過程中紅層填料的顆粒級配不會發(fā)生顯著變化。既有研究[17-18]表明，土的強度與顆粒最大粒徑及粗顆粒含量顯著相關(guān)。紅層軟巖填料盡管含有仍可崩解的粗顆粒，但是在受限干濕循環(huán)過程中，這些顆粒并不崩解，所以填料的級配并不會發(fā)生顯著變化，因此填料的強度不會顯著降低。

(2)受限的巖塊在經(jīng)歷干濕循環(huán)后，邊角容易被碰落，原因應(yīng)是巖塊強度下降所致。這說明在經(jīng)歷干濕循環(huán)后，紅層填料中粗顆粒的邊角在圍壓作用下更容易破碎，這對處于圍壓環(huán)境下的紅層填料微觀結(jié)構(gòu)的自我調(diào)整和改善有利。在三軸試驗固結(jié)階段以及真實路基應(yīng)力環(huán)境中，粗顆粒的邊角往往是應(yīng)力集中的位置，大顆粒在干濕循環(huán)后強度降低，邊角的位置更容易碎裂，這些碎裂產(chǎn)物能進一步填充試樣內(nèi)部孔隙，有利于改善土的微觀結(jié)構(gòu)，使土體在受剪切時表現(xiàn)出更高強度。

4 干濕循環(huán)下紅層填料強度變化機理分析

三軸試驗表明，紅層填料在經(jīng)歷第1、2次干濕循環(huán)時試樣強度會降低，2次干濕循環(huán)后，試樣強度會開始恢復(fù)和上升，其強度變化特性不同于一般巖土材料。綜合本研究試驗成果，可推測出紅層填料的強度變化中存在3種機制。

(1)強度下降機制：紅層填料也是巖土材料的一種，第1、2次干濕循環(huán)時試樣強度的降低原因可能與一般巖土類似，即：干濕循環(huán)對土的結(jié)構(gòu)具有普遍破壞作用，一般認(rèn)為這種作用是土中親水礦物干縮濕脹破壞了土體內(nèi)部顆粒聯(lián)結(jié)所致[9-10]，這種作用導(dǎo)致的強度下降將隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減弱。

(2)強度穩(wěn)定機制：受限條件下的紅層軟巖經(jīng)歷干濕循環(huán)后雖然強度會下降，但其仍保持原來的完整性，而且能保持一定強度(8次干濕循環(huán)后仍具有896 kPa的抗壓強度)，說明試樣干濕循環(huán)后的顆粒組成并不會發(fā)生太大變化，顆粒強度也遠大于填料強度，因此試樣強度不會發(fā)生顯著降低。

(3)強度上升機制：由于紅層填料中各種粒徑的粗顆粒在干濕循環(huán)作用下強度降低，在固結(jié)壓力下，由于邊角應(yīng)力集中，局部應(yīng)力可能大于顆粒的強度，使顆粒邊角被破碎形成微觀結(jié)構(gòu)調(diào)整，這使得試樣變得更加密實，最終導(dǎo)致填料抗剪強度上升。需要指出的是，干濕循環(huán)作用下紅層填料的強度上升，是以固結(jié)階段更大的體積變形為代價的。

上述下降、穩(wěn)定、上升機制的組合，決定了紅層填料強度在干濕循環(huán)作用下先下降后上升的特性。

工程實踐表明，采用紅層軟巖填料填筑的道路經(jīng)多年運營后，即便經(jīng)過多次路面重建，仍會受到路基不均勻沉陷導(dǎo)致的路面裂縫的困擾，但是路堤邊坡失穩(wěn)的現(xiàn)象卻不多見。本研究表明，由于填料中顆粒能崩解，紅層填料強度具備隨干濕循環(huán)次數(shù)下降后能恢復(fù)和上升的特性，因此，工程中不需擔(dān)心紅層填料路堤邊坡的失穩(wěn)問題。但是紅層填料強度的上升是以填料總體積減小為代價的，所以干濕循環(huán)作用下，路基在自重和荷載作用下產(chǎn)生進一步的固結(jié)變形和沉降就不可避免了。

5 結(jié)論

紅層填料因內(nèi)部含有可繼續(xù)崩解的顆粒，導(dǎo)致其在干濕循環(huán)條件下的強度具有獨特性質(zhì)，通過三軸試驗和巖塊受限崩解試驗研究，得出以下結(jié)論：

(1)在干濕循環(huán)作用下，相同圍壓下不同干濕循環(huán)次數(shù)的紅層填料試樣峰值強度表現(xiàn)為先下降后逐漸上升的規(guī)律，其特性與一般巖土填料不同。

(2)受限條件下的紅層軟巖在干濕循環(huán)作用下強度會降低，但并不會發(fā)生顯著崩解，這有利于填料保持強度穩(wěn)定；而其邊角更容易被不均勻的接觸應(yīng)力破碎，又有利于改善填料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，有利于填料強度提高。所以在干濕循環(huán)作用下紅層填料的強度變化不僅存在下降機制，還存在上升和穩(wěn)定機制，這3種機制綜合作用，形成了干濕循環(huán)條件下紅層填料強度變化的特殊規(guī)律。