酸性環(huán)境對(duì)紅層泥巖公路路基填料崩解特性的影響研究

阮 毅，柳光磊,2*，劉志芳，文 憑

(1.興義民族師范學(xué)院物理與工程技術(shù)學(xué)院，貴州 興義 562400；2.湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

紅層泥巖在貴州興義地區(qū)分布廣泛，該紅層泥巖在施工現(xiàn)場(chǎng)裸露出來(lái)之后極容易發(fā)生風(fēng)化，其遇水崩解性質(zhì)較強(qiáng)。由于該地區(qū)常年濕潤(rùn)、降雨頻繁，從而加速了該地區(qū)紅層泥巖的崩解。紅層泥巖經(jīng)過(guò)人工破碎之后用于公路路基填料能產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益，然而其內(nèi)部大顆粒的崩解會(huì)導(dǎo)致公路路基填料的工程性質(zhì)發(fā)生變化，從而對(duì)公路路基的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。因此，紅層泥巖崩解特性的研究一直都是巖土工程的熱點(diǎn)問(wèn)題。

酸雨是我國(guó)主要的環(huán)境問(wèn)題之一，其主要是由燃燒大量含硫高的煤炭以及汽車(chē)尾氣的大量排放所導(dǎo)致。酸雨對(duì)巖土體的影響已受到眾多學(xué)者的關(guān)注，如劉永勝研究發(fā)現(xiàn)水化學(xué)腐蝕能降低巖石強(qiáng)度；丁梧秀等研究認(rèn)為化學(xué)溶液會(huì)導(dǎo)致巖石產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損傷；Zhang等研究發(fā)現(xiàn)酸雨能夠加速微生物對(duì)有機(jī)物的分解，導(dǎo)致巖石滑帶的抗剪強(qiáng)度降低而引發(fā)滑坡；黃明等研究了不同酸堿環(huán)境中軟巖崩解的能量耗散；鄧濤等研究了酸堿環(huán)境對(duì)泥質(zhì)頁(yè)巖崩解的影響。此外，干濕交替作用對(duì)軟巖崩解的影響也受到眾多學(xué)者的關(guān)注。

然而，現(xiàn)有的研究中對(duì)于酸雨侵蝕條件下紅層泥巖公路路基填料崩解性質(zhì)的影響研究較為不足?？紤]到紅層泥巖分布地區(qū)發(fā)生的自然災(zāi)害及其對(duì)工程建筑的影響，本文采用室內(nèi)干濕循環(huán)崩解的試驗(yàn)方法，對(duì)貴州興義地區(qū)的紅層泥巖試樣在不同pH值溶液中的崩解特性展開(kāi)了試驗(yàn)研究，并對(duì)紅層泥巖試樣崩解之后崩解物各粒組累計(jì)百分含量以及各組紅層泥巖試樣崩解后崩解物基于質(zhì)量與粒徑關(guān)聯(lián)的分形維數(shù)的變化情況進(jìn)行深入分析，研究了酸性條件下紅層泥巖公路路基填料崩解試驗(yàn)的干濕循環(huán)效應(yīng)與分形特征。

1 紅層泥巖干濕循環(huán)崩解試驗(yàn)

1.1 工程概況

擬建公路位于貴州省興義市，擬建場(chǎng)地屬于構(gòu)造、剝蝕低中山丘陵地貌，原始地形復(fù)雜，起伏變化較大，經(jīng)過(guò)一定程度的挖填方整平施工，現(xiàn)狀地形稍有起伏。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘以及搜集周邊資料，推測(cè)擬建場(chǎng)地地層結(jié)構(gòu)屬多層型，地表為人類(lèi)近期活動(dòng)形成的耕植土，上部為比較厚的第四系人工素填土層(Q)和殘坡積(Q)粉質(zhì)黏土(全風(fēng)化紅層泥巖)層和塊石層，其下分布的是三疊系上統(tǒng)大箐組上段(T

dq

)強(qiáng)至中風(fēng)化粉砂巖。在該公路路基填筑過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)有大量的紅層泥巖分布，因此路基的填筑大多采用該土層。擬建公路路基填筑現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

圖1 擬建公路路基填筑現(xiàn)場(chǎng)Fig.1 Subgrade filling site of the proposed highway

1.2 研究問(wèn)題的提出

隨著公路施工進(jìn)度的推進(jìn)，紅層泥巖越來(lái)越多地裸露在空氣中，如圖2所示。裸露在空氣中的紅層泥巖在季節(jié)性降雨條件下極容易發(fā)生解體，其在路基填筑之后將對(duì)路基的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。此外，由該地區(qū)的水質(zhì)分析結(jié)果可知，該地區(qū)酸雨較為頻繁，裸露在空氣中的紅層泥巖常常受到酸雨的侵蝕。因此，本文開(kāi)展了酸性條件下紅層泥巖公路路基填料崩解試驗(yàn)的干濕循環(huán)效應(yīng)與分形特征研究。

圖2 裸露在空氣中的紅層泥巖Fig.2 Red mudstone exposed in air

1.3 紅層泥巖基本物理力學(xué)性質(zhì)

本試驗(yàn)采用的紅層泥巖取自上述工程現(xiàn)場(chǎng)，取樣后運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室立即加工成所需試樣開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)研究。先將紅層泥巖加工成所需試樣，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行剪切試驗(yàn)研究，得到紅層泥巖試樣的天然重度為20.5 kN/m，黏聚力為45.5 kPa，內(nèi)摩擦角為13.2°；然后對(duì)多組紅層泥巖粉末進(jìn)行X-射線衍射(XRD)試驗(yàn)，得到紅層泥巖試樣的礦物成分(見(jiàn)圖3)以及紅層泥巖試樣各組成礦物的百分含量(見(jiàn)表1)。

圖3 紅層泥巖試樣的X-射線衍射(XRD)試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 X-ray diffraction analysis of the red mudstone samples

表1 紅層泥巖試樣中各組成礦物的百分含量Table 1 Percentage content of constituent mineral of the red mudstone samples

由表1可知，該地區(qū)紅層泥巖中主要礦物為石英和方解石，其含量分別為37.61%和29.37%，同時(shí)也含有蒙脫石、伊利石、高嶺石等黏土礦物。

1.4 試驗(yàn)方案

軟巖崩解與試驗(yàn)樣品的關(guān)聯(lián)性很大，為了保證各試驗(yàn)樣品的結(jié)構(gòu)和裂隙等基本保持一致，本試驗(yàn)所采用的紅層泥巖樣品均取自同一施工現(xiàn)場(chǎng)的同一位置，不同試驗(yàn)樣品的加工方法均相同。本次紅層泥巖試樣的室內(nèi)干濕循環(huán)崩解試驗(yàn)方案參考《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5368—2007)進(jìn)行設(shè)計(jì)，試驗(yàn)方法包括：飽水操作、干燥操作、干濕循環(huán)次數(shù)的選取和崩解后樣品尺寸統(tǒng)計(jì)等過(guò)程，詳細(xì)的操作步驟如下：

(1) 飽水操作：參考黃明等、鄧濤等在酸堿環(huán)境中對(duì)軟巖崩解的研究，采用pH值分別為3、5、7的溶液對(duì)紅層泥巖試樣進(jìn)行飽水，對(duì)應(yīng)的紅層泥巖試樣編號(hào)分別為DP01、DP02、DP03?？紤]文章篇幅，圖4(a)僅給出了pH值為3時(shí)溶液中紅層泥巖試樣的飽水過(guò)程。

(2) 干燥操作：飽水操作完成后將紅層泥巖試樣在105～110℃的環(huán)境中干燥，直至試樣質(zhì)量恒定不變。

(3) 干濕循環(huán)次數(shù)的選取：干濕循環(huán)次數(shù)的選取考慮了紅層泥巖試樣崩解的進(jìn)程，選取試樣崩解基本穩(wěn)定后的干濕循環(huán)次數(shù)，本試驗(yàn)取10次干濕循環(huán)試驗(yàn)。

(4) 崩解后樣品尺寸統(tǒng)計(jì)：每次干濕循環(huán)之后，采用標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)紅層泥巖試樣崩解后崩解物樣品的各粒組百分含量進(jìn)行稱(chēng)量?？紤]文章篇幅，圖4(b)僅給出了pH值為3時(shí)溶液中紅層泥巖試樣崩解后的崩解物。

圖4 紅層泥巖試樣室內(nèi)干濕循環(huán)崩解試驗(yàn)Fig.4 Laboratory dry and wet cycle disintegration test of the red mudstone samples

2 紅層泥巖崩解試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 紅層泥巖崩解物各粒組累計(jì)百分含量分析

根據(jù)以上不同酸性溶液中紅層泥巖室內(nèi)干濕循環(huán)崩解試驗(yàn)結(jié)果，可以得到紅層泥巖試樣崩解后崩解物的級(jí)配分布情況，圖5為3組紅層泥巖試樣干濕循環(huán)10次過(guò)程中每次干濕循環(huán)之后崩解物的級(jí)配分布曲線。

圖5 紅層泥巖崩解物各粒組累計(jì)百分含量與粒徑的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curves between accumulated percentage content and particle size of fractions of red mudstone disintegration in solution of different pH values

由圖5可以看出:

(1) DP01、DP02試樣崩解物級(jí)配分布曲線的形狀具有一定的相似性，該曲線的形狀為S形[見(jiàn)圖5(a)、(b)]，說(shuō)明紅層泥巖崩解物的級(jí)配分布比較均勻，在各粒組均有一定含量的顆粒分布，表明紅層泥巖試樣的崩解比較充分。

(2) DP03試樣崩解物級(jí)配分布曲線的形狀則稍有不同，該曲線的形狀表現(xiàn)出了雙曲線特征[見(jiàn)圖5(c)]，說(shuō)明紅層泥巖崩解物主要為大粒徑的顆粒，小粒徑顆粒的含量很少，以至于粒徑較小時(shí)對(duì)應(yīng)的級(jí)配分布曲線非常平緩，表明紅層泥巖試樣的崩解不充分。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，pH值越小,溶液中紅層泥巖崩解物的級(jí)配分布越均勻，崩解越充分,反之則崩解物以大顆粒為主，崩解不充分；3組紅層泥巖試樣各粒組累計(jì)百分含量與粒徑的關(guān)系曲線整體上均表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，可歸納如下：隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，紅層泥巖崩解物的級(jí)配分布曲線的形狀基本保持不變，但該曲線整體逐漸向上移動(dòng)，干濕循環(huán)次數(shù)越多其增量越小，反映出其崩解速率緩慢降低，最終將會(huì)趨于某一定值，從而達(dá)到穩(wěn)定。

2.2 紅層泥巖崩解物的分形維數(shù)研究

2.2.1 軟巖崩解物分形維數(shù)的計(jì)算方法

軟巖崩解物的級(jí)配分布滿足分形理論，其結(jié)構(gòu)演化的幾何特征或物理力學(xué)演化的數(shù)學(xué)特征都具有自相似特征。分形維數(shù)

D

的定義如下：

(1)

式中：

x

為尺度；

N

(

x

)為該尺度下獲得的測(cè)量值；

D

為研究對(duì)象的分形維數(shù)。

分形維數(shù)可以通過(guò)數(shù)量分形理論進(jìn)行求解，但要準(zhǔn)確測(cè)量紅層泥巖崩解后的碎塊數(shù)量是相當(dāng)困難的，因此本文采用篩孔直徑來(lái)確定紅層泥巖崩解后的顆粒粒徑大小，并稱(chēng)量顆粒質(zhì)量來(lái)計(jì)算分形維數(shù)。

令

M

為紅層泥巖崩解后崩解物試樣的總質(zhì)量，

ε

為標(biāo)準(zhǔn)篩的孔徑，

M

(

ε

)為粒徑小于

ε

的崩解物試樣質(zhì)量。紅層泥巖崩解后崩解物可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)室篩分得到

M

(

ε

)，崩解物滿足如下分布函數(shù)：

(2)

其中，

σ

為與平均尺度相關(guān)的量，當(dāng)

ε/σ

≤1時(shí)，上式可表示為

(3)

則有：

d

M

∝

ε

-1d

ε

(4)

結(jié)合公式(1)，可得：

d

N

(

x

)∝

ε

--1d

ε

(5)

故分形維數(shù)

D

為

D

=3-

b

(6)

2.2.2 紅層泥巖崩解物的分形維數(shù)計(jì)算及分析

根據(jù)上述不同pH值溶液中紅層泥巖崩解的試驗(yàn)結(jié)果，采用紅層泥巖崩解物的分形理論，計(jì)算得到各組紅層泥巖試樣崩解物的分形維數(shù)，并給出了采用分形理論對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合分析的擬合優(yōu)度

R

，見(jiàn)表2。

表2 不同pH值溶液中紅層泥巖試樣崩解物的分形維數(shù)(D)和擬合度(R2)Table 2 Fractal dimension (D) and goodness of fit (R2) of disintegration of red mudstone samples in solution of different pH values

由表2可知，采用分形理論能夠很好地分析紅層泥巖的崩解情況，各組紅層泥巖試樣的擬合優(yōu)度均在0.951 2以上。

圖6給出了不同pH值溶液中紅層泥巖試樣崩解物的分形維數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線。

圖6 不同pH值溶液中紅層泥巖試樣崩解物的分形維數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship of fractal dimension of red mudstone samples disntegration and dry-wet cycle numbers in solution of different pH values

由圖6可見(jiàn)，不同pH值溶液中紅層泥巖試樣崩解物的分形維數(shù)在干濕循環(huán)次數(shù)較少時(shí)增長(zhǎng)迅速，在第2次干濕循環(huán)后試樣崩解物的分形維數(shù)增長(zhǎng)速率開(kāi)始減小，并在第6次干濕循環(huán)之后緩慢達(dá)到穩(wěn)定，其分形維數(shù)基本不變，這與上述對(duì)紅層泥巖試樣崩解物級(jí)配分布的分析結(jié)果是一致的；隨著溶液pH值的減小，紅層泥巖試樣崩解物的分形維數(shù)逐漸增大，且當(dāng)溶液pH值從7減小到5時(shí)試樣崩解物的分形維數(shù)的增量大于溶液pH值從5減小到3時(shí)試樣崩解物分形維數(shù)的增量，說(shuō)明分形維數(shù)越大則紅層泥巖試樣崩解物中細(xì)顆粒含量越多，崩解速率越快。

上述研究表明，酸雨能夠加速紅層泥巖公路路基填料的崩解，故在酸雨較嚴(yán)重的地區(qū)，可選擇在雨季到來(lái)時(shí)將路基填料充分淋雨，待其加速崩解完成后且崩解性能基本趨于穩(wěn)定時(shí)再將其進(jìn)行路基填筑，這將可以在一定程度上減輕已填筑路基中大顆粒的崩解現(xiàn)象，從而提高路基的穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

在室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)條件下對(duì)貴州興義地區(qū)的紅層泥巖試樣在不同pH值溶液中的崩解特性展開(kāi)了試驗(yàn)研究，并對(duì)紅層泥巖試樣崩解后崩解物各粒組累計(jì)百分含量以及各組紅層泥巖試樣崩解后崩解物基于質(zhì)量與粒徑關(guān)聯(lián)的分形維數(shù)的變化情況進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論：

(1) pH值越小，溶液中紅層泥巖崩解物的級(jí)配分布越均勻，崩解越充分；反之則崩解物以大顆粒為主，崩解不充分。

(2) 在干濕循環(huán)次數(shù)較少時(shí)，不同pH值溶液中紅層泥巖試樣的崩解速率較快，在第2次干濕循環(huán)后其崩解速率開(kāi)始減小，并在第6次干濕循環(huán)之后基本達(dá)到穩(wěn)定。

(3) 隨著溶液pH值的減小，紅層泥巖試樣崩解物的分形維數(shù)逐漸增大，說(shuō)明紅層泥巖試樣崩解物中細(xì)顆粒含量逐漸增多，崩解速率逐漸增大，也就是說(shuō)，酸性環(huán)境能夠加速紅層泥巖試樣的崩解。