荷載與干濕循環(huán)作用下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖抗剪強(qiáng)度及滲透特性

耿帆，劉杰

(1.長(zhǎng)沙理工大公路工程試驗(yàn)檢測(cè)中心，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院)

1 引言

炭質(zhì)泥巖廣泛分布于中國(guó)西南地區(qū)，是由軟弱灰?guī)r、砂巖、頁(yè)巖和頁(yè)巖互層等沉積類(lèi)巖石構(gòu)成的地質(zhì)體。由于炭質(zhì)泥巖具有風(fēng)化快、強(qiáng)度低等特點(diǎn)，進(jìn)行路堤填筑之前須先對(duì)其進(jìn)行充分的預(yù)崩解，即預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖。已有研究表明，季節(jié)性反復(fù)降雨后，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖產(chǎn)生持續(xù)崩解及強(qiáng)度劣化，堵塞路堤排水管道，導(dǎo)致路堤內(nèi)部處于荷載與浸水環(huán)境，產(chǎn)生超限變形，甚至引發(fā)路堤失穩(wěn)，危害行車(chē)安全。因此，為避免或減少炭質(zhì)泥巖路堤失穩(wěn)等災(zāi)害，有必要全面深入地研究荷載與干濕循環(huán)條件下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖抗剪強(qiáng)度及滲透特性。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)巖土體的抗剪強(qiáng)度及滲透特性已開(kāi)展一些研究。在抗剪強(qiáng)度方面，毛瑞等研究了剪切速率對(duì)剪碎帶土體抗剪強(qiáng)度的影響，剪碎帶土體抗剪強(qiáng)度的增大不僅在剪切速率由慢變快時(shí)發(fā)生，且在快速剪切速率減小時(shí)也發(fā)生；吳珺華等利用現(xiàn)場(chǎng)大型直剪試驗(yàn)研究了干濕循環(huán)對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷干濕循環(huán)作用后的膨脹土，峰值剪應(yīng)力與未經(jīng)歷干濕循環(huán)作用的相比明顯減小，而軟化特征不明顯；S.K.Vanapalli對(duì)非飽和土抗剪強(qiáng)度的預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)3種不同的基質(zhì)吸力的計(jì)算，對(duì)比分析了非飽和剪切強(qiáng)度的測(cè)量值與預(yù)測(cè)值；Ulusay R等進(jìn)行了干濕循環(huán)作用下不同巖土體的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究，對(duì)干濕循環(huán)前后巖土體的強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)比，表明干濕循環(huán)后巖土體的抗剪強(qiáng)度均有一定程度的下降；Mario Torres從物理、化學(xué)、力學(xué)和成分組成等角度研究了干濕循環(huán)對(duì)哥倫比亞安第斯山脈泥巖力學(xué)性能的影響。土體滲透系數(shù)與邊坡穩(wěn)定性存在重要聯(lián)系，是反映土壤滲透特性的一項(xiàng)綜合指標(biāo)。陳偉等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和原位試驗(yàn)等方法對(duì)降雨條件下路堤巖土滲透系數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行了深入的研究；苗強(qiáng)強(qiáng)、蔡國(guó)慶等依次針對(duì)路堤在荷載作用下其滲透系數(shù)的變化規(guī)律做了大樣本的室內(nèi)試驗(yàn)研究，初步掌握了在荷載作用下巖土體的滲透系數(shù)變化規(guī)律。上述研究雖取得了較為豐碩的成果，促進(jìn)了巖土體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)及相關(guān)理論的發(fā)展，但仍有一些問(wèn)題有待研究。首先，現(xiàn)有研究主要針對(duì)粗顆粒、膨脹土、剪碎帶土體等，而關(guān)于預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖抗剪強(qiáng)度的室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算及理論研究卻鮮見(jiàn)報(bào)道；其次，季節(jié)性降雨使得路堤經(jīng)受反復(fù)干濕循環(huán)，長(zhǎng)期處于荷載與干濕循環(huán)條件下，對(duì)路堤的變形和穩(wěn)定產(chǎn)生不可忽視的影響，而關(guān)于荷載與干濕循環(huán)共同作用下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的抗剪強(qiáng)度及滲透特性研究較少。

鑒于此，該文利用一套可施加豎向荷載的巖土干濕循環(huán)試驗(yàn)裝置，并利用直接剪切儀、滲透儀分別開(kāi)展預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖直剪試驗(yàn)及滲透試驗(yàn)，分析各因素對(duì)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖抗剪強(qiáng)度及滲透特性的影響，以期為炭質(zhì)泥巖路堤工程實(shí)踐提供一定參考和依據(jù)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)材料與試樣制備

取廣西六寨-河池高速公路沿線某路堤處預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖用于此試驗(yàn)，將其進(jìn)行X射線衍射分析，發(fā)現(xiàn)炭質(zhì)泥巖主要由綠泥石、石英、黑色綠泥石、高嶺石組成，其他礦物成分含量均低于7%，化學(xué)成分以SiO2、Al2O3、Fe2O3為主。

預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖最大干密度為2.09 g/cm3，最佳含水率為10.56%，土粒密度為2.66 g/cm3，液限為32.9%，塑限為25.3%，塑性指數(shù)為7.6。

選取崩解完全的炭質(zhì)泥巖土樣，過(guò)2 mm土工篩，悶料24 h后制作直徑10 cm、高度20 cm的試樣。通過(guò)數(shù)顯式壓力試驗(yàn)機(jī)并采用分層制樣法分5層壓樣成型，靜壓完成后須讓千斤頂繼續(xù)施加壓力并穩(wěn)定一段時(shí)間后再卸載以防止試樣回彈。最后，用其他墊塊從底部把試樣慢慢頂出。壓樣前鋼模內(nèi)須涂抹少許凡士林以便減少脫模時(shí)試樣與鋼模間的摩擦力。試樣成型后用保鮮膜密封，封裝好后放入保濕箱內(nèi)靜置以備試驗(yàn)使用。

2.2 試驗(yàn)方案

結(jié)合炭質(zhì)泥巖路堤的工程實(shí)際，采用控制變量法研究豎向荷載(p)、循環(huán)時(shí)間(t)及循環(huán)次數(shù)(n)對(duì)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖抗剪強(qiáng)度的影響，各變量設(shè)置4個(gè)水平，共12組試驗(yàn)，考慮到土工試驗(yàn)可能存在一定誤差，故每組試驗(yàn)做3組平行試驗(yàn)，結(jié)果取平均值。根據(jù)JTG F10—2006《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》，土質(zhì)高速公路路堤壓實(shí)度大于等于94%，故控制試樣壓實(shí)度為96%，初始含水率取10%(最佳含水率附近)?？紤]路堤深度一般不超過(guò)10 m，故豎向荷載可取0、50、100、200 kPa；考慮干濕循環(huán)影響，循環(huán)時(shí)間取0、24、48、72 h；試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)循環(huán)次數(shù)6次后，變形基本穩(wěn)定，故循環(huán)次數(shù)分別取0、2、4、6次。試驗(yàn)變量水平及試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

2.3 試驗(yàn)儀器與操作步驟

2.3.1 試驗(yàn)儀器

自主研發(fā)了一套可施加豎向荷載的巖土干濕循環(huán)試驗(yàn)儀器，其主要由加載系統(tǒng)、干濕循環(huán)系統(tǒng)兩部分組成，裝置實(shí)圖見(jiàn)圖1。通過(guò)試驗(yàn)裝置的通水孔控制試驗(yàn)儀器的水位，模擬炭質(zhì)泥巖在水循環(huán)中的環(huán)境，豎向荷載通過(guò)砝碼及杠桿加載。

表1 正交試驗(yàn)方案

圖1 考慮荷載的干濕循環(huán)試驗(yàn)裝置

利用應(yīng)變控制式直接剪切儀進(jìn)行室內(nèi)快剪試驗(yàn)；采用變水頭滲透儀進(jìn)行滲透系數(shù)研究。

2.3.2 試驗(yàn)步驟

(1)調(diào)平：調(diào)節(jié)試驗(yàn)儀器左端杠桿上的調(diào)平砝碼位置，使之與未加砝碼前右端杠桿保持平衡，并用螺母將其固定。

(2)裝樣：將制好的試樣從保濕箱內(nèi)取出，緩慢裝入筒壁帶有孔眼的內(nèi)筒，裝入內(nèi)筒前須給內(nèi)筒涂抹凡士林，保持潤(rùn)滑以減少筒壁與試樣的摩擦力，注意裝樣過(guò)程中勿破壞試樣。

(3)加載：將裝好試樣的內(nèi)筒放入外筒，下部墊上直徑10 cm的透水石，上部放置加載蓋，調(diào)節(jié)加壓桿為豎直方向并在內(nèi)筒中央位置，施加砝碼進(jìn)行加載。

(4)干濕循環(huán)：先將試樣在無(wú)水環(huán)境下加載1個(gè)循環(huán)時(shí)間，然后將外筒灌滿水，使整個(gè)試樣泡在水中1個(gè)循環(huán)時(shí)間，此為一個(gè)干濕循環(huán)。進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)時(shí)，需將試樣連同內(nèi)筒取出放進(jìn)烤箱內(nèi)烘干(50 ℃)，剛開(kāi)始烘干時(shí)，每間隔5 h稱(chēng)量一次，當(dāng)含水率與初始含水率之差小于10%時(shí)，每間隔1 h稱(chēng)量一次，當(dāng)誤差絕對(duì)值小于0.5%時(shí)，認(rèn)為完成由濕到干的過(guò)程。反復(fù)循環(huán)，直至干濕循環(huán)次數(shù)完成。

(5)直剪試驗(yàn)：采用直剪環(huán)刀對(duì)干濕循環(huán)后的試樣進(jìn)行取樣，取樣完畢后立即進(jìn)行室內(nèi)快剪試驗(yàn)，操作步驟均嚴(yán)格按JTG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》的要求執(zhí)行。

(6)滲透試驗(yàn)：采用滲透環(huán)刀對(duì)干濕循環(huán)后的試樣進(jìn)行取樣，取樣完畢后立即進(jìn)行變水頭滲透試驗(yàn)，操作步驟均嚴(yán)格按JTG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》的要求執(zhí)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 抗剪強(qiáng)度特性

(1)抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律

干濕循環(huán)條件可導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度劣化，進(jìn)而影響路堤穩(wěn)定性，需對(duì)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖抗剪強(qiáng)度特性進(jìn)行研究。

測(cè)試荷載及干濕循環(huán)作用后預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的抗剪強(qiáng)度，可得到各組試樣的剪應(yīng)力-剪切位移(τ-δ)曲線，限于篇幅，僅取典型試樣(試驗(yàn)編號(hào)T1)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，如圖2所示。

圖2 T1試樣剪應(yīng)力-剪切位移曲線

通過(guò)試樣的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線能夠獲取各組預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的抗剪強(qiáng)度值，見(jiàn)表2。

由表2可知：① 各組預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力呈正相關(guān)關(guān)系，隨法向應(yīng)力增加而增大；② 對(duì)比T1～T4的數(shù)據(jù)，循環(huán)時(shí)間及次數(shù)相同時(shí)，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的抗剪強(qiáng)度隨豎向荷載的增加而增大；③ 對(duì)比T5～T8的數(shù)據(jù)，在豎向荷載及循環(huán)次數(shù)不變的情況下，抗剪強(qiáng)度隨循環(huán)時(shí)間的增加而逐漸增大；④ 對(duì)比T9～T12的數(shù)據(jù)，在豎向荷載及循環(huán)次數(shù)一定時(shí)，抗剪強(qiáng)度與循環(huán)次數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨循環(huán)次數(shù)的增加而降低。

表2 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖抗剪強(qiáng)度

(2)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化規(guī)律

內(nèi)摩擦角(φ)和黏聚力(c)是表征土體抗剪強(qiáng)度的兩個(gè)重要指標(biāo)，通過(guò)抗剪強(qiáng)度-法向應(yīng)力關(guān)系曲線可得到炭質(zhì)泥巖的剪切強(qiáng)度指標(biāo)。以T1試樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，抗剪強(qiáng)度-法向應(yīng)力關(guān)系曲線見(jiàn)圖3，利用Origin8.0對(duì)曲線進(jìn)行擬合，可知c=4.8 kPa，tanφ=0.525 9，得φ=27.7°。因此，可得各組試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)表3。

圖3 T1試樣抗剪強(qiáng)度-法向應(yīng)力關(guān)系曲線

由表3可知：在荷載及干濕循環(huán)作用后預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的黏聚力變化范圍為4.8～35.6 kPa，內(nèi)摩擦角的變化范圍為27.7°～44.9°。黏聚力的最小值為最大值的13.48%，降低幅度達(dá)86.52%，內(nèi)摩擦角的最小值為最大值的61.69%，降低幅度僅38.31%；因此，在荷載及干濕循環(huán)條件下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖抗剪強(qiáng)度的變化主要是由于顆粒間黏聚力的變化而引起。

表3 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的c，φ值

各因素對(duì)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖黏聚力的影響見(jiàn)圖4。

圖4 各因素與預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖黏聚力的關(guān)系曲線

由圖4可知：預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的黏聚力與豎向荷載和循環(huán)次數(shù)均具有密切聯(lián)系，與循環(huán)時(shí)間無(wú)明顯規(guī)律，具體規(guī)律為：黏聚力隨豎向荷載先增大后趨于穩(wěn)定，隨循環(huán)次數(shù)的增加而不斷減小。此外，擬合得到了黏聚力與豎向荷載、循環(huán)次數(shù)的函數(shù)關(guān)系式，相關(guān)系數(shù)均大于0.90，可為預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖抗剪強(qiáng)度研究提供一定理論依據(jù)。

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3.2 滲透特性

(1)滲透試驗(yàn)原理

通過(guò)記錄變水頭管內(nèi)水頭變化高度與試驗(yàn)時(shí)間，再利用達(dá)西定律可求得土體滲透系數(shù)。由Darcy定律可知，t時(shí)間內(nèi)滲流量Q由式(1)、(2)決定：

Q=kAit

(1)

(2)

式中：k為滲透系數(shù)；A為試樣斷面面積；i為水力梯度；Δh為水頭差；L為滲流路徑。

對(duì)式(1)兩邊進(jìn)行微分：

(3)

設(shè)刻度管橫斷面為S，Q=Sh，則dQ=Sdh，再代入式(3)可得到式(4)：

(4)

若t1時(shí)刻變水頭管內(nèi)水頭高度為h1，t2時(shí)刻為h2，那么對(duì)式(4)進(jìn)行水頭h和時(shí)間t的積分有：

(5)

當(dāng)Δt=t1-t2時(shí)，有：

(6)

則滲透系數(shù)：

(7)

(2)滲透系數(shù)變化規(guī)律

各組預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的滲透系數(shù)見(jiàn)表4。

表4 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖滲透系數(shù)

由表4可知：各組預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的滲透系數(shù)處于1×10-5～1×10-7cm/s量級(jí)，滲透性較低。

可根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)得到預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖滲透系數(shù)隨豎向荷載、干濕循環(huán)時(shí)間及次數(shù)的變化曲線(圖5)。

圖5 各因素與預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖滲透系數(shù)的關(guān)系曲線

由圖5可知：滲透系數(shù)與豎向荷載及干濕循環(huán)時(shí)間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而隨循環(huán)次數(shù)的增加呈正相關(guān)關(guān)系，尤其當(dāng)循環(huán)次數(shù)大于4次時(shí)，滲透系數(shù)急劇增加。此外，擬合得到了預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖滲透系數(shù)與豎向荷載、循環(huán)時(shí)間及循環(huán)次數(shù)的函數(shù)關(guān)系式，相關(guān)系數(shù)均大于0.80，可為預(yù)測(cè)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖滲透系數(shù)提供參考。

3.3 抗剪強(qiáng)度與滲透系數(shù)的關(guān)系

為進(jìn)一步分析荷載及干濕循環(huán)條件下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖抗剪強(qiáng)度與滲透系數(shù)的關(guān)系，根據(jù)表2、4可繪制抗剪強(qiáng)度與滲透系數(shù)的關(guān)系圖，見(jiàn)圖6。為定量分析預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖抗剪強(qiáng)度與滲透系數(shù)的關(guān)系，對(duì)圖6中的數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合，對(duì)比各擬合模型發(fā)現(xiàn)冪函數(shù)擬合度最優(yōu)，通用關(guān)系式為：

τ=a+bk+crk

(8)

式中：τ為抗剪強(qiáng)度(kPa)；k為滲透系數(shù)(1×10-6cm/s)；a、b、c、r為擬合參數(shù)值，見(jiàn)表5。

圖6 抗剪強(qiáng)度與滲透系數(shù)關(guān)系圖

表5 擬合參數(shù)值

由圖6可知:預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖干濕后的抗剪強(qiáng)度與滲透系數(shù)有明顯的非線性關(guān)系，各法向應(yīng)力下抗剪強(qiáng)度先隨滲透系數(shù)的增加急劇降低，隨后抗剪強(qiáng)度仍然隨滲透系數(shù)增加而降低，但降低的速率大大減小。由表9可知:各法向應(yīng)力下關(guān)系式的相關(guān)系數(shù)均高于0.90，表明擬合度較高，式(8)可用于預(yù)測(cè)荷載與浸水條件下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖干濕循環(huán)后的抗剪強(qiáng)度及滲透系數(shù)，為數(shù)值計(jì)算及工程設(shè)計(jì)提供一定參考依據(jù)。

4 結(jié)論

研究了豎向荷載及干濕循環(huán)對(duì)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖抗剪強(qiáng)度與滲透特性的影響，得到以下結(jié)論：

(1)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力呈正相關(guān)關(guān)系，且抗剪強(qiáng)度隨豎向荷載、循環(huán)時(shí)間的增加而增大，隨循環(huán)次數(shù)的增加而降低。

(2)荷載及干濕循環(huán)條件下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖抗剪強(qiáng)度的變化主要是由于顆粒間黏聚力的變化而引起。

(3)滲透系數(shù)與豎向荷載及干濕循環(huán)時(shí)間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而隨循環(huán)次數(shù)的增加呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)循環(huán)次數(shù)大于4次時(shí)，滲透系數(shù)急劇增加。

(4)擬合預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖抗剪強(qiáng)度與滲透系數(shù)的冪函數(shù)關(guān)系模型，可為炭質(zhì)泥巖路堤穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算及工程設(shè)計(jì)提供一定參考。