紅層泥巖在不同浸水條件下填料強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究

白志鵬， 馬天馳， 尹紅亮， 文良東， 吳國(guó)慶， 靖振帥

(1.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，西安 710054；2.西安科技大學(xué)煤炭綠色開(kāi)采地質(zhì)研究院，西安 710054；3.中交基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司，北京 100088)

0 引言

紅層泥巖是在我國(guó)西南地區(qū)廣泛分布的一種極其特殊的軟巖。在四川宜賓“長(zhǎng)江生態(tài)保護(hù)·宜賓臨港退岸入園”項(xiàng)目城市次級(jí)干路(縱二路一段)的公路工程建設(shè)中，沿線削坡及隧道挖方會(huì)產(chǎn)生大量紅層泥巖，以就地取材的原則將其作為路基回填材料使用[1]的同時(shí)也存在承載力的問(wèn)題。由于紅層泥巖多為泥質(zhì)膠結(jié)，且礦物成分中含有大量膨脹性黏土礦物與可溶性礦物，使其在降水量變化或地下水影響下具有露天風(fēng)化嚴(yán)重、遇水易軟化、失水易崩解的特性，從而引起路基填料局部喪失強(qiáng)度，造成路基塌陷、開(kāi)裂以及隧道底鼓等工程問(wèn)題[2-4]?？梢?jiàn)，水是影響紅層泥巖物理結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵因素，研究不同浸水條件和干濕循環(huán)下紅層泥巖強(qiáng)度劣化規(guī)律具有重要意義[5-8]。

紅層泥巖在不同環(huán)境介質(zhì)下力學(xué)性能變化一直是工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[9-11]，許多學(xué)者針對(duì)這類(lèi)情況做了大量的試驗(yàn)研究。如周其健等基于不同加熱方式、不同溫度及不同浸水時(shí)間等因素模擬了地?zé)嵯到y(tǒng)作用，通過(guò)測(cè)試觀察巖樣宏觀力學(xué)特性和微觀結(jié)構(gòu)特征，得出紅色泥巖在地?zé)嵯到y(tǒng)作用下會(huì)發(fā)生微觀結(jié)構(gòu)劣化導(dǎo)致其軟化后發(fā)生延性破壞的特性[12]；邱恩喜等通過(guò)溶蝕試驗(yàn)并觀察巖樣的溶蝕特征，得出紅層泥巖在腐蝕性環(huán)境介質(zhì)下可溶成分之間溶解、流失導(dǎo)致裂隙增大和滲水性增強(qiáng)，造成紅層內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的損傷[13]；謝小帥等采用X射線衍射技術(shù)測(cè)得不同保水狀態(tài)下巖樣的礦物成分，分析了紅層泥巖的遇水軟化過(guò)程，得出了紅層泥巖的力學(xué)性能損傷是由礦物的溶蝕、黏土礦物的吸水膨脹與崩解、泥巖與水作用導(dǎo)致顆粒間膠結(jié)連結(jié)破壞造成的[14]；阮毅等開(kāi)展紅層泥巖在不同pH值溶液條件下的干濕循環(huán)試驗(yàn)，通過(guò)推導(dǎo)崩解物質(zhì)量與分形維數(shù)分析了酸性條件對(duì)泥巖力學(xué)特性與崩解規(guī)律，得出酸性條件會(huì)加劇紅層泥巖崩解[15]；梁冰等基于泥巖凍-融循環(huán)試驗(yàn)，通過(guò)分析不同環(huán)境循環(huán)次數(shù)崩解物顆粒級(jí)配，得出凍融作用會(huì)縮短泥巖崩解周期，且使泥巖崩解速率增加[16]；張志敏通過(guò)模擬紅層泥巖在持續(xù)荷載下遇水軟化試驗(yàn)，探究荷載-水化耦合作用下紅層泥巖變形和強(qiáng)度特征，得出荷載-水化作用發(fā)生于遇水一段時(shí)間后，破壞具有突然性且呈現(xiàn)脆性破壞特征[17]。

上述研究多集中于不同含水條件下紅層泥巖的力學(xué)特性變化規(guī)律、劣化機(jī)制、微觀結(jié)構(gòu)變化特征等。針對(duì)紅層泥巖的干濕環(huán)境交替的強(qiáng)度特性變化規(guī)律研究較少，揭示其在不同浸水條件下強(qiáng)度及崩解性變化規(guī)律，可對(duì)紅層泥巖填筑以及隧道掘進(jìn)穩(wěn)定性提供技術(shù)參考?；诖耍疚氖紫葘⒓t層泥巖樣品制成三組進(jìn)行不同干濕環(huán)境的模擬試驗(yàn)，記錄在不同條件試樣的單軸抗壓強(qiáng)度并拍照分析其破壞形態(tài)，通過(guò)浸水循環(huán)試驗(yàn)，模擬紅色泥巖試樣在干濕交替環(huán)境下的崩解過(guò)程，最后基于試驗(yàn)結(jié)果對(duì)紅層泥巖的強(qiáng)度性能損傷機(jī)制作進(jìn)一步探討。

1 試樣制備及試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

本試驗(yàn)樣品由四川省宜賓市“長(zhǎng)江生態(tài)保護(hù)·宜賓臨港退岸入園”項(xiàng)目城市次級(jí)干路(縱二路一段)的工地選取，為粉砂質(zhì)泥巖，膠結(jié)情況為泥質(zhì)膠結(jié)。

按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)要求[18]，試樣制成尺寸為直徑D=50mm，高H=100mm的圓柱狀樣品，兩端面不平行誤差小于0.005mm，兩端面不平整體誤差小于0.02mm，直徑誤差小于0.3mm，用于不同浸水時(shí)間下紅層泥巖單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。浸水循環(huán)試驗(yàn)所用樣品由巖石鉆樣機(jī)鉆取，使用巖石切割機(jī)和巖石打磨機(jī)切割打磨，使試樣底面平整。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

為研究不同浸水條件下抗壓強(qiáng)度變化的過(guò)程，模擬干濕交替變化的環(huán)境條件，將9個(gè)樣品進(jìn)行編號(hào)并分為3組。第I組試樣為干燥狀態(tài)，第II組試樣為浸泡24h后在室溫條件中靜置24h，第III組為完全浸水狀態(tài)。

第I組試樣測(cè)其烘干前后的質(zhì)量變化，得到自然狀態(tài)下含水率；第II組試樣的“浸泡-靜置”循環(huán)作用設(shè)計(jì)為：考慮到巖體的干濕交替環(huán)境，將烘干后的樣品采用自由浸水的方法進(jìn)行吸水，將試樣設(shè)置放入浸泡桶中將試樣完全浸入水中，24h后取出樣品，在室溫環(huán)境中放置24h，稱(chēng)質(zhì)量，測(cè)其含水率；第III組將試樣浸水時(shí)間延長(zhǎng)至48h，浸水完成后稱(chēng)其質(zhì)量，得到含水率，用保鮮膜將樣品包裹，立即對(duì)其進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

試驗(yàn)前對(duì)每組試驗(yàn)樣品不同浸水條件下前后的質(zhì)量、含水率進(jìn)行測(cè)試記錄(表1)。

表1 不同浸水條件下樣品含水率

處理完成后每組試樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，探究不同浸水條件對(duì)于試樣強(qiáng)度損傷的影響。試驗(yàn)步驟如下：首先將不同浸水條件的試樣置于剛性墊塊之間，然后將位移傳感器調(diào)整至合適位置，最后施加軸向荷載至試樣破壞。

1.2.2 浸水循環(huán)試驗(yàn)

通過(guò)浸水循環(huán)試驗(yàn)探究紅層泥巖在不同浸水條件下的強(qiáng)度性能變化規(guī)律，模擬干濕交替環(huán)境的浸水條件，對(duì)試樣進(jìn)行浸水循環(huán)處理，采取“浸水—烘干篩分—再浸水—再烘干篩分”的作用模式。

試驗(yàn)步驟如下：①將試樣放入浸泡桶中并加水使試樣完全浸入水中，浸水24h后使用0.075mm篩過(guò)濾水溶液防止細(xì)顆粒固結(jié)；②將試樣在烘箱內(nèi)使用35℃烘干12h直至質(zhì)量穩(wěn)定，分別使用5mm、2.5mm、2mm、0.5mm、0.2mm、0.075mm的標(biāo)準(zhǔn)篩網(wǎng)篩分樣品崩解物，記錄各粒徑崩解物顆粒質(zhì)量并分析顆粒級(jí)配；③將所有粒徑大于0.075mm的試樣重復(fù)浸水-烘干過(guò)程直至崩解物級(jí)配變化不明顯，試驗(yàn)結(jié)束。記錄多次浸水循環(huán)試樣崩解過(guò)程，分析試樣在干濕循環(huán)中的崩解過(guò)程。

2 結(jié)果與分析

2.1 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

巖石在干濕環(huán)境交替的水巖相互作用后，其單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果會(huì)發(fā)生改變，通過(guò)對(duì)比不同浸水狀態(tài)下泥巖的抗壓強(qiáng)度和彈性模量的變化，確定不同浸水條件對(duì)巖石的損傷程度。

2.1.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

從圖1可以看出：①與干燥狀態(tài)下的巖樣相比，隨著樣品浸水時(shí)間的增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線末端應(yīng)力跌落不明顯，說(shuō)明樣品內(nèi)部黏結(jié)力使破壞過(guò)程變緩；②浸水后巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在極限強(qiáng)度后線形增長(zhǎng)，主要原因是在浸水初期，試樣沿層面方向首先出現(xiàn)裂隙，裂隙寬度隨著浸水時(shí)間的增加逐漸擴(kuò)展、延伸，但試樣沒(méi)有破壞，呈現(xiàn)出延性特征。

(a)第I組試樣 (b)第II組試樣 (c)第III組試樣

2.1.2 抗壓強(qiáng)度與彈性模量變化

表2為干-濕循環(huán)對(duì)于紅層泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。由表2可知：①隨著浸水時(shí)間的增加，三組巖石的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和峰值應(yīng)變都呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)；②樣品單次干濕循環(huán)中抗壓強(qiáng)度隨浸泡時(shí)間的大幅減少，樣品在多次干濕循環(huán)后完全崩解，其崩解原因主要由紅層泥巖的水巖相互作用產(chǎn)生，膨脹裂隙對(duì)巖石的損傷是逐漸累加進(jìn)行的且不可修復(fù)；③紅層泥巖的彈性模量隨著浸水時(shí)間的增加而降低，而經(jīng)過(guò)靜置后的試樣彈性模量高于完全浸水試樣，這可能是由于浸水初期導(dǎo)致的層間裂隙在靜置脫水過(guò)程的進(jìn)行逐漸閉合，顆粒結(jié)合水膜變薄，顆粒間由于水膜的張力作用產(chǎn)生黏合效應(yīng)，使得整體微裂縫顆粒發(fā)生運(yùn)動(dòng)黏合，脫水后形成新的似連續(xù)介質(zhì)，整體性增強(qiáng)。

表2 單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

2.1.3 單軸壓縮破壞形態(tài)

通過(guò)單軸抗壓試驗(yàn)，不同浸水條件下試樣的破壞形態(tài)不同，以紅層泥巖5、6號(hào)試樣單軸壓縮破壞形態(tài)為例，經(jīng)過(guò)單次不同階段干濕環(huán)境交替處理，在外部荷載作用下試樣呈現(xiàn)出主要的兩種破壞形態(tài)(圖2)。

由圖2可以看出：①未經(jīng)浸水處理的泥巖試樣在單軸荷載作用下發(fā)生破壞時(shí)，破壞面相對(duì)分散，說(shuō)明未經(jīng)浸水的試樣內(nèi)部孔隙并非完全連通；②經(jīng)過(guò)“浸水-靜置”處理后，破壞面相對(duì)集中，說(shuō)明試樣在破壞時(shí)內(nèi)部孔隙在水巖相互作用下已有少量貫通；③在完全浸水條件下，隨著浸水時(shí)間的增長(zhǎng)，試樣內(nèi)部孔隙逐漸貫通，內(nèi)部裂隙不斷發(fā)育且破壞面的松散顆粒軟化，并在裂隙處假黏結(jié)(表3)。

(a)5號(hào)試樣破壞形態(tài) (b)6號(hào)試樣破壞形態(tài)

表3 單軸壓縮試驗(yàn)軟化分析

2.2 浸水循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.2.1 干濕循環(huán)下樣品的崩解過(guò)程

圖3為第2次至第12次“浸水-風(fēng)干”循環(huán)紅層泥巖試樣崩解過(guò)程。從圖3可以看出：①隨著浸水循環(huán)次數(shù)的增加，崩解物形態(tài)由碎塊、碎片狀逐漸轉(zhuǎn)化為碎屑狀、泥狀，粒徑不斷減??；②隨著浸水循環(huán)過(guò)程的進(jìn)行，水巖相互作用使試樣內(nèi)部裂隙貫通，垂直層理方向裂隙與平行層理方向裂隙同時(shí)發(fā)育，試樣破碎現(xiàn)象不斷進(jìn)行直至破碎達(dá)到臨界平衡；③篩分過(guò)濾溶液泥質(zhì)成分不斷增加并逐漸趨于穩(wěn)定，崩解物可溶礦物成分減少。

圖3 試樣不同浸水條件下單軸壓縮破壞形態(tài)

2.2.2 干濕循環(huán)下樣品崩解物顆粒級(jí)配曲線

圖4為第2次至第12次“浸水-風(fēng)干”循環(huán)紅層泥巖試樣顆粒粒徑級(jí)配曲線變化圖。從圖4可以看出：①隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，顆粒級(jí)配曲線逐漸向上移動(dòng)，崩解物由>10mm粒徑的顆粒不斷崩解為細(xì)顆粒；②第六次循環(huán)為樣品崩解速率的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，崩解物粒徑>3mm的顆粒粒徑崩解速率緩慢降低，顆粒級(jí)配逐漸趨于穩(wěn)定。

圖4 泥巖試樣顆粒粒徑級(jí)配曲線變化

2.3 礦物成分分析

本次研究利用X衍射儀(XRD)分析上述試驗(yàn)紅層泥巖試樣的礦物成分，其中伊利石為22%，高嶺石為13%，石英為22%，鈉長(zhǎng)石為25%，方解石為7%，赤鐵礦為2%，綠泥石為9%。樣品的X射線衍射礦物分析譜如圖5。

圖5 紅層軟巖試樣 X 射線粉晶衍射譜

從礦物成分的分析可以看出：①碎屑物鈉長(zhǎng)石、石英含量最高，其次為伊利石、高嶺石，最后為少量綠泥石、方解石和赤鐵礦。②泥巖易呈現(xiàn)崩解特性主要與黏土礦物含量有關(guān)，其中伊利石為較強(qiáng)親水性黏土礦物，高嶺石濕潤(rùn)時(shí)具有可塑性、黏著性和體積膨脹性，影響泥巖試樣強(qiáng)度特性和破壞形態(tài)。

綜上所述，在路基工程中，紅層泥巖作為筑路材料，或?yàn)樗淼绹鷰r主要成分時(shí)，往往會(huì)因降水及其他原因發(fā)生局部較大變形導(dǎo)致公路的開(kāi)裂及圍巖失穩(wěn)等各種病害，嚴(yán)重影響了公路的正常使用。導(dǎo)致各種病害的主要原因是紅層泥巖的礦物組成易發(fā)生水巖相互作用導(dǎo)致填料的承載能力與穩(wěn)定性降低。因此，研究紅層泥巖不同浸水條件條件下強(qiáng)度劣化及崩解規(guī)律具有重要的工程意義。通過(guò)研究結(jié)果分析，解決紅層泥巖本身遇水失穩(wěn)問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)以改善巖體含水條件與排、防水保護(hù)措施等方面著手：①加速紅層泥巖排水固結(jié)可進(jìn)行強(qiáng)夯處理，以降低水的滲入；②巖體裸露面層覆蓋隔水材料以及巖體內(nèi)部排水疏導(dǎo)；③紅層泥巖路基填筑完成后應(yīng)當(dāng)進(jìn)行路基表面進(jìn)行疏水處理，防止地表水聚集并長(zhǎng)期浸泡。

2.4 工程應(yīng)用實(shí)例

2021年3月至7月，在四川省宜賓市臨港經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)東部產(chǎn)業(yè)園區(qū)內(nèi)臨港退岸入園項(xiàng)目縱二路一段工程建設(shè)中，中交基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)集團(tuán)聯(lián)合西安科技大學(xué)共同推進(jìn)的“高填方路基強(qiáng)夯施工參數(shù)優(yōu)化與質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)”科研項(xiàng)目在該工程建設(shè)中開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、取樣和室內(nèi)試驗(yàn)等研究，且試驗(yàn)研究所得成果在實(shí)際工程中得到具體應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，自然降水引起強(qiáng)夯路基發(fā)生小幅沉降對(duì)工程建設(shè)的影響較小，紅層泥巖經(jīng)過(guò)強(qiáng)夯處理可削弱其自然崩解的不良影響，力學(xué)特性可達(dá)到所需建設(shè)要求。根據(jù)研究成果，為減少降水對(duì)強(qiáng)夯路基承載力的影響，優(yōu)化了強(qiáng)夯施工工藝。具體方案：①在施工之前測(cè)試填土含水率，通過(guò)填料平鋪碾壓并晾曬3d，控制填料含水率在16%～18%，以減少膨脹性黏土發(fā)生水巖作用使填料結(jié)構(gòu)劣化，增加填料黏聚力；②施工過(guò)程中通過(guò)路基滲溝排水，降水時(shí)覆蓋防水篷布，以降低路基巖體地下水位；③施工完成后，灌砂試驗(yàn)測(cè)試壓實(shí)度達(dá)96.8%；動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果得出強(qiáng)夯路基填料試樣錘擊平均數(shù)為18.2， 容許承載力大于0.66MPa；沉降量監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示該路段1周含降水條件下總沉降量降至100 mm以下，與未處理填料的路段沉降量相比減少約40%。由此可見(jiàn)，優(yōu)化后的各項(xiàng)施工技術(shù)指標(biāo)滿足公路規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

本文以紅層泥巖為研究對(duì)象，對(duì)不同浸水條件作用下紅層泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度、崩解劣化規(guī)律進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

1)在單次浸水條件下，樣品含水率在浸水過(guò)程中不斷增加，使泥巖在浸水條件下由于樣品內(nèi)部礦物膨脹，產(chǎn)生不均勻分布的拉應(yīng)力，使得顆粒間裂隙發(fā)育并導(dǎo)致單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量降低。

2)樣品在靜置脫水階段，對(duì)于泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量有一定恢復(fù)效果，但恢復(fù)效果遠(yuǎn)不及劣化作用結(jié)果，表現(xiàn)為泥巖在多次干濕循環(huán)后呈現(xiàn)破壞更為顯著，說(shuō)明水巖作用的損傷主要發(fā)生在每次干濕循環(huán)交替的浸水過(guò)程中。

3)在多次浸水-風(fēng)干循環(huán)下，泥巖試樣因?yàn)榭扇苄缘V物與黏土礦物的水巖相互作用，逐漸崩解，崩解物由較大塊徑片狀顆粒逐漸軟化分解成小塊徑顆粒，可溶性物質(zhì)消失，剩余泥質(zhì)成分增加，在第六次循環(huán)后顆粒級(jí)配逐漸趨于穩(wěn)定，巖石強(qiáng)度完全喪失。