軟巖填料濕化變形規(guī)律

殷坤垚, 杜秦文, 劉 輝

(長安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710064)

粗粒料的濕化變形指材料浸水后由于軟化及顆粒破碎、滑動(dòng)等作用而重新排列引起的變形，其計(jì)算是設(shè)計(jì)中急需解決而沒有完全解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一[1]。長期以來，眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究[2-7]。張少宏等[8]認(rèn)為濕化應(yīng)力與濕化變形之間存在雙曲線關(guān)系，但濕化應(yīng)力-應(yīng)變的初始切線模量與周圍壓力之間的關(guān)系并不完全符合Janbu公式。丁艷輝等[9]重點(diǎn)研究了堆石料濕化變形的過程、特性及發(fā)生機(jī)制，認(rèn)為可將堆石料濕化變形劃分為濕化瞬時(shí)變形和濕態(tài)流變變形兩個(gè)部分。姜景山等[10]采用CT三軸濕化變形試驗(yàn)探討了濕化變形的細(xì)觀機(jī)理。周雄雄等[11]認(rèn)為濕化體變與濕化軸變的比值k、平均主應(yīng)力p和廣義剪應(yīng)力q三者滿足扭面關(guān)系，認(rèn)為濕化軸變與濕化應(yīng)力水平呈雙曲線關(guān)系。傅華等[12]分析了不同密度、不同圍壓、不同應(yīng)力水平狀態(tài)對(duì)堆石料進(jìn)行浸水后變形特性的規(guī)律，指出在圍壓和應(yīng)力水平增加超過某一范圍后，堆石料的濕化軸向應(yīng)變明顯增大。

以往研究工作大多是針對(duì)壩體硬質(zhì)巖石堆石料進(jìn)行的，對(duì)于軟質(zhì)巖石濕化變形的研究工作相對(duì)不充分。公路行業(yè)一般認(rèn)為原巖的飽和單軸抗壓強(qiáng)度為5～30 MPa的為軟質(zhì)巖石[13]。荷載作用下軟質(zhì)巖石填料無疑會(huì)發(fā)生更大的濕化變形[14]。張小洪等[15]認(rèn)為軟質(zhì)巖石的濕化變形機(jī)理可能發(fā)生了變化，導(dǎo)致軟巖與硬質(zhì)巖石粗粒料的濕化變形存在差異。張丹等[1]指出固定圍壓條件下，當(dāng)對(duì)軟巖粗粒土試樣進(jìn)行增濕時(shí)，含水率5%就能引發(fā)幾乎全部的增濕變形。劉新喜等[16]研究了強(qiáng)風(fēng)化軟巖作用路基填料的適宜性，認(rèn)為其所研究的強(qiáng)風(fēng)化軟巖填料的軸向應(yīng)變臨界值約為2%，強(qiáng)風(fēng)化軟巖的濕化不僅產(chǎn)生較大的附加軸向應(yīng)變，而且還能引起相當(dāng)大的附加體積應(yīng)變和偏應(yīng)變。王剛等[17]采用鄧肯-張E-B模型和有限元方法分析了軟巖填料壩體的變形。劉永軍[18]、杜秦文等[19]和杜艷艷等[20]采用大型三軸、室內(nèi)三軸等方法，研究了秦巴山區(qū)不同種類的軟巖填料濕化變形規(guī)律，提出了濕化變形經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。

由上可知，軟質(zhì)巖石濕化變形規(guī)律有其自身的特點(diǎn)，但目前的研究工作還遠(yuǎn)未充分。山區(qū)公路建設(shè)實(shí)踐中，一般要求將隧道棄渣和削坡棄方盡量全部用于路堤填筑。對(duì)其機(jī)理和規(guī)律進(jìn)行更加深入和細(xì)致的分析工作，在研究和實(shí)踐中都具有重要價(jià)值。對(duì)取自秦嶺北麓的軟巖填料的變形和濕化變形規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以期得出濕化變形計(jì)算公式。

1 軟巖濕化變形試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)設(shè)備

圖1 試驗(yàn)材料及正交偏光下巖石顯微結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)用料如圖1(a)所示，利用正交偏光顯微鏡觀察經(jīng)磨片機(jī)磨片后的試樣原巖，如圖1(b)所示，通過偏光試驗(yàn)分析原巖的礦物成分及含量，試驗(yàn)結(jié)果如下：巖石具有角礫狀結(jié)構(gòu)，鱗片狀變晶結(jié)構(gòu)，石英含量為45%～50%；絹云母含量為35%～45%，碳酸鹽礦物含量為10%～15%，定名為灰褐色絹英巖。

試樣的單軸飽和抗壓強(qiáng)度為26.13 MPa。規(guī)范[13]規(guī)定單軸飽和抗壓強(qiáng)度為5～30 MPa的巖石為軟巖。集料篩分后得到級(jí)配如圖2所示，試樣最大粒徑20 mm，不均勻系數(shù)Cu=5.3，曲率系數(shù)Cs=1.47。

試驗(yàn)設(shè)備采用英國GDS公司生產(chǎn)的電機(jī)控制靜三軸儀，該儀器主要由五部分組成，如圖3所示，可通過應(yīng)力應(yīng)變兩種控制方式完成三軸壓縮試驗(yàn)。該儀器的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖2 試驗(yàn)材料的級(jí)配曲線

①為壓力室；②為壓力室底座；③為反壓控制器；④為圍壓控制器；⑤為計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

表1 GDS三軸儀主要技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

試樣尺寸為φ101 mm×200 mm，制樣干密度控制為2.1 g/cm3，采用分層擊實(shí)法進(jìn)行制樣[9,14]，制備完成的試樣如圖4所示。在50、150、200、300 kPa圍壓條件下，分別對(duì)風(fēng)干及飽和試樣均進(jìn)行固結(jié)排水試驗(yàn)，飽和樣采用飽和水頭法[21]進(jìn)行飽和。試驗(yàn)中軸向剪切速率為0.2 mm/min，至軸向應(yīng)變達(dá)15%卸載。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

如圖5所示為4種圍壓條件風(fēng)干及飽和狀態(tài)試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

εa表示試樣的軸向應(yīng)變，σ1-σ3為軸向偏應(yīng)力，下同

可以看出：①4種圍壓條件下，風(fēng)干與飽和狀態(tài)試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律類似，隨著圍壓的增大，相同的豎向偏應(yīng)力增量引起的軸向應(yīng)變增量呈減小趨勢；②相同豎向偏應(yīng)力下飽和狀態(tài)填料軸向應(yīng)變更大，這是由于試驗(yàn)過程中，飽和狀態(tài)填料發(fā)生了更多的濕化變形，包括更多的破碎等；③風(fēng)干狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上豎向偏應(yīng)力具有“峰值”，類似于“軟化型”曲線規(guī)律；對(duì)應(yīng)于從小到大的4種圍壓，其峰值分別約為428、999、1 214、1 466 kPa，可以看出，隨著圍壓的增大，曲線對(duì)應(yīng)的峰值在逐漸增加，但增加幅度呈減小趨勢；對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變分別約為9.73%、8.67%、7.07%、6.89%，即達(dá)到峰值時(shí)期軸向應(yīng)變逐漸減小。這與圍壓的約束作用有關(guān)；④飽和狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，除在試驗(yàn)中最低圍壓50 kPa條件下的曲線略呈現(xiàn)出“峰值”外，其他三種更高圍壓下的曲線“峰值”不明顯，類似于“硬化型”曲線特征。這與飽和狀態(tài)下填料發(fā)生了更多的軟化、破碎，以及填料顆粒間因?yàn)樗臐櫥菀装l(fā)生相對(duì)位移有關(guān)；⑤隨著圍壓的增大，無論是風(fēng)干狀態(tài)還是飽和狀態(tài)的填料，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線均有由“軟化型”向“硬化型”發(fā)展的趨勢，即其曲線上的“峰值”由較明顯向不明顯發(fā)展，這是圍壓的約束作用所造成。

2.2 濕化變形規(guī)律

采用雙線法研究試驗(yàn)中填料的濕化變形發(fā)展規(guī)律：將同一應(yīng)力狀態(tài)下風(fēng)干及飽和條件下試樣的應(yīng)變差值，作為試樣在該應(yīng)力狀態(tài)下的軸向濕化應(yīng)變：

(1)

圖6 不同圍壓下Δεa與σ1-σ3關(guān)系曲線

可以看出：①不同圍壓下的濕化應(yīng)變曲線均存在“拐點(diǎn)”，將濕化應(yīng)變曲線分為兩個(gè)階段，隨著豎向偏應(yīng)力增加，初始階段中濕化應(yīng)變增加較??；②在各曲線“拐點(diǎn)”之前的初始階段中，不同圍壓條件下的各條曲線非常貼近，說明該階段中，圍壓不是濕化變形大小的主要影響因素。該特點(diǎn)在其他軟巖填料濕化變形研究成果中也有表現(xiàn)[1,18,20]。這一特點(diǎn)可能也與其原巖礦物成分、含量等因素有關(guān)，值得提出并進(jìn)行更進(jìn)一步的探討；③不同圍壓條件下各曲線的“拐點(diǎn)”位置不同，隨著圍壓增大，濕化應(yīng)變曲線上“拐點(diǎn)”位置逐漸向后移動(dòng)，表明圍壓的約束作用，使?jié)窕瘧?yīng)變大量發(fā)生所需要的豎向偏應(yīng)力更大。圍壓對(duì)濕化變形過了“拐點(diǎn)”進(jìn)入第二階段后的發(fā)展規(guī)律影響明顯。

以豎向偏應(yīng)力和圍壓的比值χ，作為無量綱偏應(yīng)力，如式(2)所示，整理繪制χ-Δεa關(guān)系曲線，如圖7所示。

(2)

圖7 各圍壓條件下χ與Δεa,ur關(guān)系曲線

類似圖6、圖7所示不同圍壓下曲線也都存在“拐點(diǎn)”。將圖7中各曲線“拐點(diǎn)”對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)Δεa，定義為“臨界濕化應(yīng)變”，用Δεa,ur表示；對(duì)應(yīng)的χ用χur表示，可稱為“無量綱臨界偏應(yīng)力”?？梢钥闯?，圖7中各曲線發(fā)展到臨界值χur之后，不同圍壓下，濕化應(yīng)變相對(duì)大小情況較為復(fù)雜，這是因?yàn)閳D7中各曲線達(dá)到“臨界濕化應(yīng)變”的先后不同，即對(duì)應(yīng)的χur值的大小不同。

由圖7中數(shù)據(jù)可得，圍壓分別為50、150、200、300 kPa情況下，Δεa,ur分別為0.40%、0.65%、0.90%、0.92%，對(duì)應(yīng)的χur分別約為4.03、3.71、3.54、3.51?？梢钥闯鲭S著圍壓的增大，“臨界濕化應(yīng)變”呈現(xiàn)逐漸增大并趨于穩(wěn)定的規(guī)律；“無量綱臨界偏應(yīng)力”減小并也呈現(xiàn)出趨于穩(wěn)定的趨勢。

3 濕化變形公式

不同圍壓下σ1-σ3與Δεa的關(guān)系曲線形態(tài)類似雙曲線關(guān)系，即：Δεa與Δεa/(σ1-σ3)呈線性關(guān)系，如圖8所示。將其表達(dá)為如式(3)形式：

(3)

式(3)中：a、b均為擬合參數(shù)，可得到各圍壓條件下參數(shù)a、b的值，如表2所示。

圖8 各圍壓下Δεa/(σ1-σ3)與Δεa關(guān)系曲線

表2 各圍壓下參數(shù)a、b的值

可以看出：參數(shù)a隨著圍壓的增大逐漸減小，參數(shù)b隨圍壓的增大逐漸增加，a、b與圍壓均近似成線性關(guān)系，令：

(4)

式(4)中：m1、m2、n1、n2為擬合參數(shù)；σ3為圍壓，Pa=101 kPa。根據(jù)圍壓為50、150、200 kPa條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得：

(5)

將式(1)代入式(3)得：

(6)

將式(4)、式(5)代入式(6)，可得飽和狀態(tài)下該軟巖填料的應(yīng)變與圍壓之間的經(jīng)驗(yàn)公式：

(7)

將式(7)的計(jì)算結(jié)果與圍壓200 kPa條件下的另一組獨(dú)立的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果如圖9所示，二者吻合較好。

圖9 200 kPa圍壓下試驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

主要分析了風(fēng)干和飽和狀態(tài)軟質(zhì)巖石填料在不同圍壓條件下的變形規(guī)律；采用雙線法，分析了其濕化變形發(fā)展規(guī)律，得到了以下主要結(jié)論。

(1)圍壓不但對(duì)軟巖填料應(yīng)變規(guī)律有影響，還對(duì)其濕化應(yīng)變規(guī)律有影響；相較風(fēng)干狀態(tài)填料，其對(duì)飽和狀態(tài)下填料的變形及濕化變形影響更大。

(2)風(fēng)干和飽和狀態(tài)下填料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征分別呈現(xiàn)出類似“軟化型”和“硬化型”曲線的特點(diǎn)；隨著圍壓增大，都表現(xiàn)出由“軟化型”向“硬化型”發(fā)展的趨勢。

(3)填料濕化應(yīng)變發(fā)展表現(xiàn)出兩個(gè)階段，隨著豎向偏應(yīng)力增加，初始階段濕化應(yīng)變增大相對(duì)平緩，直到“臨界濕化應(yīng)變”后的第二階段，濕化應(yīng)變迅速增加，工程實(shí)踐應(yīng)對(duì)此給予足夠重視。

(4)在濕化應(yīng)變的初始階段，圍壓不是其主要影響因素，該規(guī)律在其他軟巖填料濕化變形研究工作中也有體現(xiàn)，值得提出并進(jìn)一步研究。

(5)濕化應(yīng)變在過了臨界值后的第二階段，隨豎向偏應(yīng)力的增加而顯著增加，此階段中圍壓對(duì)其影響作用明顯：隨著圍壓的增加，“臨界濕化應(yīng)變”逐漸增大并趨于穩(wěn)定；對(duì)應(yīng)的“無量綱臨界偏應(yīng)力”逐漸減小并也呈現(xiàn)趨于穩(wěn)定的趨勢。

(6)變質(zhì)軟巖濕化應(yīng)力與應(yīng)變呈現(xiàn)雙曲線關(guān)系，利用3種圍壓條件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了濕化應(yīng)變計(jì)算公式，并與獨(dú)立的第4種圍壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行的比較，結(jié)果吻合較好。該公式可用于考慮浸水影響的軟巖填料路堤變形分析。