壓實(shí)紅層泥巖填料強(qiáng)度與剛度軟化和衰減特性研究

劉先峰，潘申鑫，袁勝洋，陳康，馬杰，陳憶涵

(1. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2. 西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；3. 新疆工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830023)

西南地區(qū)因缺乏優(yōu)質(zhì)填料，加上山地丘陵多、地形起伏大等諸多因素造成運(yùn)輸成本顯著提高，采用廣泛分布在西南地區(qū)的紅層泥巖代替A和B組優(yōu)質(zhì)填料對(duì)高速鐵路建設(shè)意義重大。高速鐵路路基一般由基床表層、基床底層、路基本體和地基組成，既有研究表明:紅層泥巖在最優(yōu)含水率條件下壓實(shí)后，強(qiáng)度高，壓縮模量大，力學(xué)特性滿足高速鐵路路基本體填料要求[1]，同時(shí)既有高速鐵路線路如遂渝線、達(dá)成線[2-4]驗(yàn)證了紅層泥巖用作高速鐵路路基本體填料的可行性。但紅層泥巖具有透水性弱、親水性強(qiáng)，遇水易軟化、失水易崩解的特性使其遇水后強(qiáng)度顯著降低、剛度急劇下降[5-7]，易產(chǎn)生沉陷、開裂、邊坡垮塌與剝蝕、表層松散、承載力不足等路基病害[8-11]。處于低圍壓下的路基基床尤其是基床表層填料直接承受列車動(dòng)荷載的作用，又極易受到外界環(huán)境的影響，因此對(duì)基床填料性能要求更為嚴(yán)苛，而低圍壓下的紅層泥巖剛度表現(xiàn)出強(qiáng)軟化性[12-13]，其能否作為路基基床填料還需進(jìn)一步研究。因此，針對(duì)上述問題，對(duì)全風(fēng)化紅層泥巖進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，確定了最大干密度和最優(yōu)含水率。此后，制備不同壓實(shí)度和含水率試樣，并進(jìn)行低圍壓(5 kPa)三軸UU 剪切試驗(yàn)，討論上述條件對(duì)全風(fēng)化紅層泥巖的強(qiáng)度、剛度軟化和衰減特性的影響。同時(shí)，針對(duì)剛度衰減特性建立紅層泥巖剛度雙曲線預(yù)測(cè)模型，分析含水率和干密度與模型指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性。研究結(jié)果可為紅層泥巖路基填料設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的全風(fēng)化紅層泥巖取四川成都天府新區(qū)地表淺層1～3 m，該泥巖屬于侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)。試驗(yàn)方法按照《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程(TB10102—2010)》進(jìn)行，共取4 個(gè)盛土箱中上、中、下部土樣，采用馬爾文激光粒度儀對(duì)土壤粒徑進(jìn)行測(cè)量，測(cè)定紅層泥巖級(jí)配及擊實(shí)特性，如圖1 和圖2 所示，其基本物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 紅層泥巖基本物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Basic physical properties of red mudstone

1.2 試驗(yàn)方法與方案

根據(jù)達(dá)成線和遂渝線高速鐵路紅層泥巖路基現(xiàn)場(chǎng)工況[1-2]，選擇2倍擊實(shí)功下所得的紅層泥巖基本參數(shù)制備試樣。為了模擬高速鐵路路基基床表層填料的應(yīng)力狀態(tài)，采用土側(cè)壓力系數(shù)K0對(duì)基床表層填料圍壓進(jìn)行估算，該方法與聶如松等[14-15]對(duì)基床不同深度范圍內(nèi)圍壓估算方法相同。但土側(cè)壓力系數(shù)與土的物理性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特性、應(yīng)力歷史、加荷和卸荷路徑等因素有關(guān)，目前一般通過室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確立的經(jīng)驗(yàn)公式得到[16]。根據(jù)SCHMIDT[17]經(jīng)驗(yàn)公式可計(jì)算出紅層泥巖土側(cè)壓力系數(shù)K0約為0.42，根據(jù)聶如松等[14]計(jì)算道床上覆靜荷載估算出紅層泥巖路基基床填料淺層圍壓約為6.8 kPa，故采用5 kPa 圍壓模擬紅層泥巖路基基床淺層應(yīng)力狀態(tài)。

對(duì)烘干后的全風(fēng)化紅層泥巖摻入一定質(zhì)量的水配置不同條件下的土樣，密封保存24 h 后采用擊實(shí)錘分3層手動(dòng)擊實(shí)制備Φ 38 mm×h76 mm的三軸試樣，并采用抽氣飽和的方式得到飽和試樣，然后采用GDS 三軸試驗(yàn)儀對(duì)制備好的試樣進(jìn)行三軸低圍壓(5 kPa)UU剪切試驗(yàn)，方案如表2所示。

表2 三軸試驗(yàn)方案Table 2 Triaxial test programs

研究最優(yōu)含水率和飽和狀態(tài)下的不同壓實(shí)度；K95壓實(shí)度下的不同含水率，對(duì)紅層泥巖填料的強(qiáng)度和剛度軟化與衰減特性的影響。試驗(yàn)控制軸向加載速率為0.032 mm/min(2.5%/h)[18]，軸向應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)認(rèn)為試樣已經(jīng)破壞。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 壓實(shí)度和含水率對(duì)強(qiáng)度的影響

路基基床作為高速鐵路持力層，直接承受軌道和列車荷載，同時(shí)又極易受到外界不利因素干擾(如降雨)，因此有必要研究壓實(shí)度和含水率對(duì)紅層泥巖強(qiáng)度的影響。由圖3 和圖4 可知，低圍壓下非飽和紅層泥巖從加載至破壞過程中應(yīng)力出現(xiàn)先增大后減小再趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象。在加載初期，應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈明顯的陡增趨勢(shì)，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到1%～2%時(shí)非飽和紅層泥巖達(dá)到峰值應(yīng)力，此后應(yīng)力迅速減少到殘余應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定，且峰值強(qiáng)度越大，破壞時(shí)應(yīng)力衰減越顯著、脆性破壞特征越明顯，故在設(shè)計(jì)紅層泥巖作為高速鐵路基床填料時(shí)，應(yīng)留有較大的安全儲(chǔ)備，避免基床上部荷載應(yīng)力達(dá)到填料峰值強(qiáng)度時(shí)，路基產(chǎn)生突然的塌陷破壞。

隨著干密度的增加，試樣的抗壓強(qiáng)度逐漸增大，主要是因?yàn)樵嚇涌紫侗葴p小，試樣顆粒之間接觸面積變大而導(dǎo)致試樣顆粒與顆粒之間接觸更加緊密，這與馬金蓮等[19]對(duì)壓實(shí)黃土細(xì)觀結(jié)構(gòu)與土體抗剪強(qiáng)度關(guān)系研究結(jié)論一致。對(duì)于最優(yōu)含水率下的各試樣，壓實(shí)度為K92 時(shí)的峰值強(qiáng)度為404.38 kPa，低于K95 峰值強(qiáng)度的60%，但當(dāng)紅層泥巖在最優(yōu)含水率下壓實(shí)度達(dá)到K95 以上時(shí)，紅層泥巖具有較高強(qiáng)度、峰值應(yīng)變基本維持不變。而隨著含水率的增加，紅層泥巖峰值強(qiáng)度逐漸減小，應(yīng)力-應(yīng)變曲線前期陡增趨勢(shì)減小，切線模量降低，峰值應(yīng)變逐漸增大。主要是因?yàn)楫?dāng)含水率增加時(shí)，非飽和土的基質(zhì)吸力減小[20]，土樣的強(qiáng)度也隨之減小，這與張俊然等[21-23]對(duì)膨脹土吸力與強(qiáng)度關(guān)系研究結(jié)論一致。而飽和試樣的峰值強(qiáng)度約為同等壓實(shí)度條件下試樣在最優(yōu)含水率狀態(tài)下的峰值強(qiáng)度的30%，強(qiáng)度峰值點(diǎn)消失，應(yīng)力軟化現(xiàn)象明顯，其飽和試樣壓實(shí)度達(dá)到K100 時(shí)強(qiáng)度不滿足高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范所要求的基床填料強(qiáng)度要求，故紅層泥巖作為高速鐵路路基基床填料時(shí)一定要做好防水措施。

2.2 壓實(shí)度和含水率對(duì)剛度的影響

由圖5～6 可知，非飽和紅層泥巖從加載至破壞全階段過程中剛度變化特性表現(xiàn)出一致性：第Ⅰ階段：應(yīng)變?cè)?%以內(nèi)時(shí)，割線模量較大并緩慢減小，試樣具有較大的剛度；第Ⅱ階段：應(yīng)變達(dá)到1%～3%時(shí)，割線模量迅速下降至10 MPa附近；第Ⅲ階段：應(yīng)變大于3%時(shí)，試樣割線模量變化趨于穩(wěn)定。含水率和壓實(shí)度對(duì)紅層泥巖剛度軟化和衰減特性的影響主要體現(xiàn)在第Ⅰ和第Ⅱ階段。

第Ⅰ階段：低應(yīng)變下非飽和紅層泥巖試樣割線模量較大，試樣具有較大的剛度。相同條件下試樣初始剛度隨著壓實(shí)度(干密度)的增加而增大，隨著含水率的增大而減小，表現(xiàn)出一定的軟化特性，這是由于壓實(shí)度的增大，試樣孔隙比減小，土顆粒接觸緊密，試樣抵抗變形能力增強(qiáng)，而含水率影響土體的基質(zhì)吸力，含水率增大，土體的基質(zhì)吸力減小，土體抵抗變形能力減弱，與馬金蓮等[19]、張俊然等[21]分別對(duì)黃土和膨脹土研究結(jié)論相同。最優(yōu)含水率下K92 試樣的初始割線模僅為K95初始模量的64%，壓實(shí)度達(dá)到K95以上時(shí)，試樣的割線模量增長(zhǎng)放緩。故在實(shí)際施工過程中，要保證紅層泥巖路基填料在最優(yōu)含水率附近、壓實(shí)度達(dá)到95%以上，可以很大程度上減少路基的沉降變形，這與《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范(TB10001—2016)》中對(duì)基床表層填料壓實(shí)度要求一致。此外，隨著含水率的增加，水對(duì)紅層泥巖的軟化作用逐漸體現(xiàn)，試樣的割線模量逐漸減小，含水率為12%時(shí)的初始割線模量?jī)H為最優(yōu)含水率下(8.7%)的60%，而對(duì)比相同壓實(shí)度下的飽和試樣，試樣的剛度僅為最優(yōu)含水率下的30%～40%，軟化現(xiàn)象明顯，所以通過控制紅層泥巖填料的含水率可以控制其割線模量在一定范圍內(nèi)，保證填筑路基的剛度及變形達(dá)到規(guī)范要求，在實(shí)際工程中需要做好防排水措施，防止因含水量過高引發(fā)路基病害。

第Ⅱ階段：試樣的割線模量衰減速率開始增大，達(dá)到峰值應(yīng)變后，試樣開始破壞，衰減的速率進(jìn)一步增大；當(dāng)應(yīng)變達(dá)到殘余應(yīng)變時(shí)，割線模量衰減速率開始減少并逐步趨于穩(wěn)定。對(duì)比不同含水率和壓實(shí)度的試樣：干密度越大、含水率越低，割線模量下降的速率越快，破壞時(shí)表現(xiàn)出的脆性特征越明顯。而飽和試樣，下降段割線模量變化并不顯著，破壞后具有一定的延性。

紅層泥巖剛度軟化和衰減特性受含水率和壓實(shí)度影響較顯著，壓實(shí)度達(dá)到K95 以上時(shí)雖具有較高的剛度，但其遇水后剛度顯著下降，不滿足基床填料水穩(wěn)定性的要求，因此將紅層泥巖填料作為基床填料時(shí)，必須解決紅層泥巖填料的防水問題。

2.3 剛度衰減雙曲線模型

2.3.1 模型的建立

劉祖典等[24-25]將土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分為強(qiáng)軟化型、弱軟化型、強(qiáng)硬化型和弱硬化型4種，并給出了相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式；KONDNER[26]提出了弱硬化土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可用雙曲線模型來(lái)擬合，龍萬(wàn)學(xué)等[27]則證實(shí)了中、高圍壓下壓實(shí)紅層泥巖可用該模型，但低圍壓下非飽和紅層泥巖試樣并不屬于弱硬化型，用指數(shù)型曲線模型或傳統(tǒng)雙曲線模型預(yù)測(cè)模擬紅層泥巖在低圍壓下的剛度衰減特性時(shí)誤差較大，因此針對(duì)紅層泥巖剛度衰減的特性，修正傳統(tǒng)的雙曲線模型，引入剛度衰減系數(shù)p，建立低圍壓下紅層泥巖割線模量隨著軸向應(yīng)變變化的剛度預(yù)測(cè)模型，如式(1)所示。

將點(diǎn)εx=εm代入式(1)中，得

式中：Ex為割線模量；E0為彈性模量；p為剛度衰減系數(shù)；εm為試樣參考應(yīng)變；Em為當(dāng)應(yīng)變達(dá)到εm時(shí)的割線模量。

2.3.2 參數(shù)的確定

由于在小應(yīng)變狀態(tài)下GDS 三軸儀測(cè)試結(jié)果并不是很準(zhǔn)確，故采用0.1%時(shí)的割線模量代替彈性模量。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果找出對(duì)應(yīng)的參考應(yīng)變?chǔ)舖，然后對(duì)應(yīng)變?cè)?%以內(nèi)的數(shù)據(jù)的剛度衰減系數(shù)p進(jìn)行擬合，模型具體參數(shù)以及剛度衰減系數(shù)p的擬合值如表3所示，相關(guān)系數(shù)平方均達(dá)到了0.98以上，擬合效果較好。對(duì)擬合出的剛度衰減系數(shù)p進(jìn)行分析，當(dāng)p越大時(shí)，表示試樣破壞時(shí)的脆性越大，割線模量下降段越陡，而含水率和干密度均在不同程度上影響試樣破壞時(shí)的脆性特征，故對(duì)相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行分析。

表3 紅層泥巖試樣剛度模型參數(shù)值Table 3 Stiffness model parameter values of red mudstone

如圖7所示，建立紅層泥巖含水率和干密度與剛度衰減系數(shù)p之間的關(guān)系，如式(3)所示。對(duì)于飽和試樣，表現(xiàn)出不同于其他試樣破壞時(shí)的強(qiáng)軟化性，其剛度衰減系數(shù)p均在1.1 附近，故當(dāng)紅層泥巖試樣達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，其剛度衰減系數(shù)p近似取1.1。

式中：A，B和C為擬合參數(shù)；其余符號(hào)同上。

2.3.3 模型驗(yàn)證

通過上述得到的式(3)及相關(guān)參數(shù)，對(duì)紅層泥巖的剛度衰減系數(shù)p進(jìn)行預(yù)測(cè)，再結(jié)合初始割線模量以及峰值割線模量反算出試樣參考應(yīng)變?chǔ)舖，其相關(guān)參數(shù)如表4 所示，模型預(yù)測(cè)效果如圖8 所示，其預(yù)測(cè)效果相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了0.98 以上，預(yù)測(cè)效果較好，驗(yàn)證了模型的適用性。

表4 割線模量模型預(yù)測(cè)參數(shù)Table 4 Secant modulus model prediction parameters

3 結(jié)論

1) 紅層泥巖在最優(yōu)含水率下壓實(shí)度達(dá)到K95及以上時(shí)，強(qiáng)度和剛度滿足路基基床填料要求，但遇水后強(qiáng)度和剛度顯著降低，不滿足路基基床水穩(wěn)性要求，因此將紅層泥巖作為路基基床填料時(shí)，必須做好防水措施。

2) 低圍壓下非飽和紅層泥巖填料破壞呈現(xiàn)顯著的脆性破壞特征，且隨著強(qiáng)度增大，脆性破壞特征越明顯，因此用紅層泥巖填料填筑高速鐵路路基基床時(shí)需要留有較大的安全儲(chǔ)備。

3) 構(gòu)建了低圍壓下考慮干密度、含水率和剛度衰減系數(shù)p的壓實(shí)紅層泥巖剛度預(yù)測(cè)雙曲線模型，該模型根據(jù)紅層泥巖干密度和含水率指標(biāo)，估算低圍壓下紅層泥巖路基填料剛度，可為高速鐵路路基紅層泥巖填料設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。