干濕作用對砂泥巖混合料壓縮特性的影響

李 輝，王 杰

（重慶交通大學a.河海學院；b.機電與車輛工程學院，重慶 400074）

砂泥混合料是我國西南地區(qū)砂巖和泥巖地層中，經(jīng)過爆破開挖形成的砂巖和泥巖顆?；旌衔铮?］。泥巖由于具有遇水軟化甚至泥化的特殊性質(zhì)［2］，其形成的砂泥巖混合料在涉水工程中會有較大的工后沉降變形。反復的降雨、暴曬對砂泥巖的物理性質(zhì)影響較大［3］，這也會增大沉降位移。因此，對干濕循環(huán)作用下的砂泥巖混合壓縮特性的研究尤為重要。

相關(guān)學者對土體的壓縮性能進行了大量研究。劉文化等［4］通過對不同干密度土體經(jīng)過干濕循環(huán)后開展三軸剪切試驗，得出干濕循環(huán)作用受土體初始干密度影響；王帥等［5］通過將水泥摻入紅砂巖土并進行干濕循環(huán)，得出水泥使紅砂巖的彈性模量和峰值強度提高；張清振等［6］對堆石料進行了干濕循環(huán)試驗，得出堆石料試樣在干濕循環(huán)過程中發(fā)生的變形隨循環(huán)次數(shù)逐漸增加，并趨于穩(wěn)定；何葉［7］通過對泥巖進行干濕循環(huán)試驗，得出泥巖單軸抗壓強度隨著循環(huán)次數(shù)的增加，各項強度指標都呈較平穩(wěn)的下降趨勢，折減規(guī)律基本符合指數(shù)分布；薛晶晶等［8］通過對細砂巖和變泥質(zhì)砂巖進行干濕循環(huán)試驗，得出自身礦物成分以及巖樣膠結(jié)物含量的不同影響強度及破壞形式；簡富獻等［9］得出長時間浸水會增加砂泥巖混合的壓縮變形，其浸水飽和與抽真空飽和相差不明顯。綜上可見，對研究砂泥巖混合料反復干濕循環(huán)作用下的壓縮特性研究較少，研究砂泥巖混合料在干濕循環(huán)作用下的壓縮特性對預防填筑料沉降是有重要意義的。

鑒于此，本文基于砂泥巖混合料在干濕循環(huán)作用的壓縮試驗，考慮泥巖含量、干濕循環(huán)次數(shù)、浸水時間等因素，分析沉降位移、孔隙比及壓縮指標的演化規(guī)律，以期為砂泥巖混合料的工程運用提供科學參考。

1 試驗準備及方案制定

1.1 試驗材料

試驗材料取自重慶某建筑工地，經(jīng)過試驗室測得其基本物理力學性質(zhì)如表1所示。

表1 砂泥巖顆粒的物理力學性質(zhì)

1.2 粒徑與級配選取

砂巖、泥巖粒徑分別為5、2、1、0.5、0.25、0.075 mm，相應顆粒級配如圖1所示。

圖1 粒徑級配

1.3 試驗方法

1.3.1 干濕循環(huán)試驗方法

采用浸泡-烘干試驗方法，浸水時間為2 h，烘干1 h，一次干濕循環(huán)周期為3 h左右。

1.3.2 單向壓縮試驗方法

試驗在GYS-20型三聯(lián)式單向壓縮儀器中進行。該儀器由機架、底座、陶土板、壓力室，軸向加載系統(tǒng)和位移傳感器組成。試樣尺寸?100 mm×30 mm，壓縮試驗所施加軸向荷載為50、100、200、400、800、1 200、1 600 kPa等7組不同的荷載，具體試驗方案如表2所示。

表2 試驗方案

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 泥巖質(zhì)量分數(shù)對砂泥巖混合料壓縮特性的影響

圖2為不同泥巖質(zhì)量分數(shù)的位移（ε）與荷載（p）曲線。

圖2 不同泥巖質(zhì)量分數(shù)下ε-p曲線

由圖2可知，位移均隨荷載的增加而增大，位移曲線斜率在0＜σ＜200 kPa時，斜率較大；隨著荷載的增加，斜率逐漸減小。相同荷載下，泥巖質(zhì)量分數(shù)越少，其壓縮量就越小。泥巖質(zhì)量分數(shù)為30%的混合料比泥巖質(zhì)量分數(shù)為70%的混合料位移減少0.489 mm，相對軸向應變減少1.63%。

圖3為不同泥巖含量下孔隙比（e）與荷載（p）曲線。

圖3 不同泥巖質(zhì)量分數(shù)下e-p曲線

由圖3可知，在初始孔隙比為0.41時，孔隙比均隨荷載的增加而減小，e-p曲線斜率在0＜σ＜200 kPa時，斜率較大；隨著荷載的增加，斜率逐漸減小至穩(wěn)定。相同荷載下，泥巖質(zhì)量分數(shù)越小，其孔隙比越大。泥巖質(zhì)量分數(shù)為70%的混合料比泥巖含量為30%的混合料孔隙比減少0.022 98，相對應變減少5.604%。

圖4為不同泥巖質(zhì)量分數(shù)的壓縮系數(shù)（av）與荷載（p）曲線。

圖4 不同泥巖質(zhì)量分數(shù)a v-p曲線

由圖4可知，壓縮系數(shù)均隨荷載的增加而減小，位移曲線斜率在0＜σ＜200 kPa時，斜率較大；隨著荷載的增加，斜率逐漸減小趨于穩(wěn)定。相同荷載下，泥巖質(zhì)量分數(shù)越少，其壓縮系數(shù)越小。初始階段，泥巖質(zhì)量分數(shù)為70%的混合料比泥巖質(zhì)量分數(shù)為30%的壓縮系數(shù)增大0.12 MPa-1，最大荷載下，壓縮系數(shù)相差0.01 MPa-1，說明此時土體處于壓實狀態(tài)。

圖5為不同泥巖質(zhì)量分數(shù)的壓縮模量（Es）與荷載曲線（p）。

圖5 不同泥巖質(zhì)量分數(shù)E s-p曲線

由圖5可知，壓縮模量均隨隨荷載的增加而增大，位移曲線斜率在0＜σ＜200 kPa時，斜率較大；隨著荷載的增加，斜率逐漸減小。相同荷載下，泥巖質(zhì)量分數(shù)越少，其壓縮模量越大。在最大荷載下，泥巖質(zhì)量分數(shù)為30%的混合料比泥巖質(zhì)量分數(shù)為70%的混合料壓縮模量增大14.79 MPa。

2.2 不同干濕循環(huán)次數(shù)對砂泥巖混合料壓縮特性影響

圖6為不同干濕循環(huán)次數(shù)的位移（ε）荷載（p）曲線。

圖6 不同干濕循環(huán)次數(shù)ε-p曲線

由圖6可知，位移均隨荷載的增加而增大，位移曲線斜率在0＜σ＜200 kPa時，斜率較大；隨著荷載的增加，斜率逐漸減小。在相同荷載下，干濕循環(huán)次數(shù)越多，其壓縮量就越大。最大荷載下，10次干濕循環(huán)下壓縮位移比未干濕循環(huán)下壓縮位移增大1.102 mm，相對軸向應變增大3.67%。

圖7為不同干濕循環(huán)次數(shù)下孔隙比與荷載曲線。

圖7 不同干濕循環(huán)次數(shù)e-p曲線

由圖7可知，在初始孔隙比為0.41時，孔隙比均隨荷載的增加而減小，e-p曲線斜率在0＜σ＜200 kPa時，斜率較大；隨著荷載的增加，斜率逐漸減小至穩(wěn)定。在相同荷載下，干濕循環(huán)次數(shù)越多，其孔隙比越小。10次干濕循環(huán)下孔隙比較未干濕循環(huán)下孔隙比減小0.051 7，相對應變減少12.63%。

圖8為不同干濕循環(huán)次數(shù)下壓縮系數(shù)與荷載曲線。

圖8 不同干濕循環(huán)次數(shù)a v-p曲線

由圖8可知，壓縮系數(shù)均隨荷載的增加而減小，位移曲線斜率在0＜σ＜200 kPa時，斜率較大；隨著荷載的增加，斜率逐漸減小趨于穩(wěn)定。在相同荷載下，干濕循環(huán)次數(shù)越少，其壓縮系數(shù)越小，混合料壓縮性越低。初始階段，10次循環(huán)下壓縮系數(shù)較未干濕循環(huán)下增大0.304 MPa-1，此時土體易被壓縮。在最大荷載下，壓縮系數(shù)相差0.013 MPa-1。

圖9為不同干濕循環(huán)次數(shù)下壓縮模量與荷載曲線。

圖9 不同干濕循環(huán)次數(shù)E s-p曲線

由圖9可知，壓縮模量均隨隨荷載的增加而增大，位移曲線斜率在0＜σ＜200 kPa時，斜率較大；隨著荷載的增加，斜率逐漸減小并趨于平緩。在相同荷載下，干濕循環(huán)次數(shù)越多，其壓縮模量越小，土體壓縮性越高。在最大荷載下，10次干濕循環(huán)下混合料壓縮模量比未干濕循環(huán)次壓縮模量減少21.34 MPa。

2.3 不同浸水時間對砂泥巖混合料壓縮特性影響

圖10為不同浸泡時間下的荷載位移曲線。

圖10 不同浸泡時間ε-p曲線

由圖10可知，位移均隨荷載的增加而增大，位移曲線斜率在0＜σ＜200 kPa時，斜率較大；隨著荷載的增加，斜率逐漸減小。相同荷載下，浸泡時間越長，其壓縮量就越大。最大荷載下，浸泡48 h壓縮位移比浸泡2h壓縮位移增大1.13，相對軸向應變增大3.77%。

圖11為不同浸泡時間下的孔隙比與荷載曲線。

圖11 不同浸泡時間e-p曲線

由圖11可知，在初始孔隙比為0.41時，孔隙比均隨荷載的增加而減小，e-p曲線斜率在0＜σ＜200 kPa時，斜率較大；隨著荷載的增加，斜率逐漸減小至穩(wěn)定。相同荷載下，浸泡時間越長，其孔隙比越小，浸泡48 h混合料孔隙比較未浸泡2 h混合料孔隙比減小0.053 1，相對應變減少12.95%。

圖12為不同浸泡時間下壓縮系數(shù)與荷載曲線。

圖12 不同浸泡時間a v-p曲線

由圖12可知，壓縮系數(shù)均隨荷載的增加而減小，位移曲線斜率在0＜σ＜200 kPa時，斜率較大；隨著荷載的增加，斜率逐漸減小趨于穩(wěn)定。相同荷載下，浸泡時間越長，其壓縮系數(shù)越大，混合料壓縮性越高。初始階段，浸泡48 h混合料壓縮系數(shù)較未浸泡2 h混合料壓縮系數(shù)增大0.263 1 MPa-1，此時土體易被壓縮。最大荷載下，壓縮系數(shù)相差0.010 7 MPa-1。

圖13為不同浸泡時間下壓縮模量與荷載曲線。

圖13 不同浸泡時間E s-p曲線

由圖13可知，壓縮模量均隨隨荷載的增加而增大，位移曲線斜率在0＜σ＜200 kPa時，斜率較大；隨著荷載的增加，斜率逐漸減小并趨于平緩。相同荷載下，浸泡時間越長，其壓縮模量越小，土體壓縮性越高。最大荷載下，浸泡48 h混合料壓縮模量比浸泡2 h混合料壓縮模量減少14.79 MPa。

3 結(jié) 論

本文通過對砂泥巖混合料進行壓縮試驗，查明了不同泥巖摻量下試樣的壓縮特性，研究了干濕循環(huán)次數(shù)、浸水時間對砂泥巖混合料的影響，得出結(jié)論如下。

（1）泥巖質(zhì)量分數(shù)不同，影響該混合料的壓縮特性。當泥巖質(zhì)量分數(shù)為30%時，沉降位移最小，孔隙比減小較少。因此作為填方路堤，適當減少泥巖質(zhì)量分數(shù)有助于增大壓實度，減小沉降位移。

（2）經(jīng)過第一次干濕循環(huán)，混合料劣化程度較為顯著，沉降位移及孔隙比減小幅度對于未經(jīng)過干濕循環(huán)較大；隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，沉降位移逐漸增大，孔隙比逐漸減小。在應力為0＜σ＜200 kPa時，荷載與位移、孔隙比、壓縮系數(shù)以及壓縮模量曲線斜率較大；隨著荷載的增加，斜率逐漸減小并趨于平緩，呈現(xiàn)對數(shù)關(guān)系。

（3）浸水時間影響干濕循環(huán)下砂泥巖混合料壓縮特性的重要因素，隨著浸水時間的增加，浸泡48 h的混合料位移、壓縮系數(shù)比浸泡2 h混合料大，壓縮模量及孔隙比較2 h混合料小，說明浸泡時間越長，混合料壓縮特性越高。