泥巖路基填料強度的干濕循環效應

董　波　汪洪星　左清軍　談云志

(三峽大學 三峽庫區地質災害教育部重點實驗室， 湖北 宜昌　443002)

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泥巖路基填料強度的干濕循環效應

董波汪洪星左清軍談云志

(三峽大學 三峽庫區地質災害教育部重點實驗室， 湖北 宜昌443002)

摘要：泥巖是一類遇水易崩解的巖土材料，崩解前呈現巖石特征，但崩解后呈現泥質特性．故實際工程中需要掌握泥巖崩解前后的力學性能變化幅度．以取自洞新高速泥巖為研究對象，開展了擊實和強度試驗，并進行直剪強度的干濕循環效應研究．結果表明，泥巖遇水泥化，強度急劇衰減；擊實曲線呈明顯的雙峰特征．干濕循環對泥巖的強度特性有著顯著的影響，粘聚力隨干濕循環次數的增加而增大(增長幅度為95.8%)，內摩擦角則隨干濕循環次數增加而減小(減小幅度為26.5%)，但總體上還是弱化了泥巖的抗剪強度．結合試驗結果分析，建議取最大含水率22.6%，最大干密度1.56 g/cm3為實際填筑的控制標準．研究同時表明，當干濕循環次數達到12次附近時，干濕循環對泥巖粘聚力和內摩擦角作用的影響程度減弱．

關鍵詞：泥巖；強度；干濕循環

泥巖是一類工程特性易受環境影響而發生急劇衰減的巖土材料[1-4]．當經歷大氣降雨和蒸發的反復作用時，易發生崩解、破碎、甚至泥化等現象[5-6]；特別是耦合上覆荷載作用時，更易誘發大量的工程災變行為[7-8]．因此，一般應盡量少用這類特殊巖土體材料．但受環境保護和工程投資的限制，實踐中又要盡可能地利用這類性能易受環境影響泥巖[9-11]．當前，運用此巖類土體作路基填充材料施工時，主要采取預先噴水崩解破碎，然后再進行填筑壓實．顯然，如何控制好泥巖的崩解程度，對保證工程的長期穩定性具有十分重要的意義[12-13]．因為崩解過度，則其強度將會完全喪失；而崩解不夠，后期性能會很不穩定．

湖南洞新高速公路某路段分布有大量的泥巖，為了大面積推廣利用泥巖填筑，進行了試驗路建設．圖1(c)為壓路機壓實過后的表面，可以看出荷載作用下泥巖容易被壓粉化；但灌砂法測壓實度時，發現試坑下部的泥巖依然呈粗顆粒狀，如圖1(d)所示．可見，掌握泥巖崩解前后的特性具有十分重要的工程意義．為此，通過開展承載比強度、直接剪切強度等試驗，模擬大氣干濕循環作用下泥巖路基填料強度的演化規律，為泥巖路基修筑提供科學合理的建議．

圖1　洞新高速泥巖試驗路

1泥巖的基本特性

泥巖試樣取自湖南洞新高速公路第20合同段，受湖南炎熱多雨氣候的影響，泥巖表層風化明顯．泥巖未受雨水浸泡時強度較高，類似巖石的特征；但遭受水分侵蝕后崩解成泥狀，又類似于黏土的特征．考慮到泥巖的不穩定性，以及論文主要研究泥巖崩解后的性能，故物理力學性能測試均以崩解泥化后的泥巖作為研究對象．為此，按《公路土工試驗規程》(JTGE40-2007)進行有關指標的測試．崩解后的泥巖物理力學性能指標，見表1．從液塑限指標分析，泥巖遇水浸泡后表現為黏土特性．

表1　泥巖基本物性指標

2泥巖的擊實特性

為了確定泥巖填筑的壓實度控制標準，根據《公路土工試驗規程》(JTGE40-2007)的規定，將洞新高速泥巖晾曬后，經過5 mm的圓孔篩篩分后放入烘箱內進行干燥，烘箱溫度設置為105℃，干燥時間為8 h．脫水完成后，利用噴水壺均勻濕潤試樣至預定的含水率．裝入塑料袋密封燜料24 h，然后按照重型擊實標準進行擊實，每層98擊．進行了寬范圍含水率和窄范圍含水率的擊實試驗，干密度與含水率的關系，如圖2所示．

圖2　干密度與含水率的關系

圖2(a)可見，泥巖擊實曲線呈現明顯的雙峰特性，并且不對稱；峰值①干密度較大，含水率變化小；峰值②干密度小，但含水率變化范圍寬．圖2(b)為該公路標段施工單位獲得的試驗結果，其值也與圖2(a)中峰值②相吻合．

造成雙峰曲線的原因主要有：1)含水率較低時泥巖未充分崩解，呈現粗粒料特性，且級配不良．大顆粒含量較多，而小顆粒含量少，擊實后顆粒間的間隙缺少細顆粒充填，故造成“搭積木”似的暫穩狀態．2)含水率較低時泥巖顆粒的強度較高，擊實后會出現峰值①，而此時含水率所對應的泥巖顆粒強度較大，擊實功還不足以將其破碎粉化；隨著含水率的增加，泥巖顆粒強度降低，擊實作用使得顆粒發生破碎，并促進破碎顆粒進一步靠攏，從而出現峰值②．

泥巖擊實曲線呈現雙峰特性，路基填筑時的填筑控制標準到底應該選擇峰值①還是峰值②，值得進一步的探討．如果能保證路基長期處于干燥狀態，顯然按照峰值①對應的標準，即按最大含水率為10.4%，最大干密度為1.60 g/cm3進行控制；實際上泥巖大都分布在熱帶多雨地區，路基很難處于理想的干燥環境，因此按照峰值②的標準控制更加符合實際情況．為了說明二者的差異性，后續進行了兩種最優含水率(10.4%和22.6%)狀態下的強度試驗．

3泥巖承載比強度

根據加州承載比強度表征峰值②處，最優含水率附近泥巖試樣表現出的強度特性與公路段施工單位獲得試驗結果峰值相吻合這一特征，設計了以下試驗：在大于最佳含水率范圍內配制了3種含水率(22.0%、25.5%和28.2%)，3種擊實功(30擊、50擊和98擊)的CBR強度試驗，結果見表2．

表2　承載比強度

《公路路基設計規范》(JTGD30-2004)中規定，路堤填料選擇的首要依據為CBR強度指標．從表2可以看出，所有浸水試樣的CBR值都小于3%，按照規定這類泥巖不能作為路基填料．但泥巖在不泡水條件下其抗壓強度比較高，泥巖能否直接用作路堤填料，關鍵要根據路基工程的受力特點及其周邊水文條件確定合理的填筑部位，并采取正確的工程措施來保持其強度和穩定性．

4泥巖抗剪強度的干濕循環效應

為了說明泥巖初始填筑狀態偏干時，抗壓強度受大氣干濕循環作用的影響．開展了干濕循環作用下，初始含水量為圖2(a)中①處最優含水率試樣的強度演化規律試驗．

4.1試樣制備

將試驗用料進行翻曬，錘擊后過2 mm篩后，將其置于烘箱內烘干，烘箱溫度設置為105℃，烘烤時間為8h．取烘干后的土樣，選取3種含水率進行配水即10.4%，8%和13%，拌合均勻后密封靜置24 h，以達到混合均勻的目的．每種含水率選用3種壓實度，即100%、96%、90%，壓實成環刀試樣(61.8 mm×20 mm)．

4.2干濕循環循環試驗控制

干濕循環試驗控制過程，如圖3所示．

圖3　干濕循環過程

操作過程：將制備好的環刀樣放入飽和器并對其進行稱量，記錄好質量后置于蒸餾水中進行浸泡，浸泡時間為24h．浸泡完成后將其取出置于烘箱內烘烤，溫度設置為50℃，干燥過程中定期將其取出進行稱量，若質量與初始質量相近(誤差不超過5%)即可認為完成一次干濕循環．

4.3試驗結果與討論

1)不同壓實度和含水率對泥巖內摩擦角的影響

不同工況下粘聚力的變化關系曲線，如圖4所示．

圖4　粘聚力變化

圖4表明，粘聚力均隨含水率和干密度的增加而增大．粘聚力的大小取決于與土體間的連接程度，泥巖試樣壓實越密，泥巖顆粒間粘聚力越大．已有理論顯示：泥巖遇水后部分鉀長石變為高嶺石，試樣表面的裂紋數目、寬度隨遇水-風干次數的增加而增加．鉀長石是鋁硅酸鹽礦物，晶體慣態為固態，兩組完全解理；而高嶺石是一種含水的鋁硅酸鹽粘土礦物，晶體慣態為黏土狀，無解理．泥巖泥化前后物態與性質發生了巨大變化，粘土顆粒變小、變多．同時，泥巖主要成分伊利石是介于云母和高嶺石及蒙脫石間的中間礦物，是一種類似云母的有層狀結構的粘土礦物，伊利石黏粒遇水后水分子進入黏粒晶胞之間，引起晶格膨脹，黏粒表面吸附的水膜導致黏粒間距增加；泥巖遇水過程中在水的物理、化學作用下內部產生大量次生孔隙并且體積膨脹；風干過程中泥巖表層風干速度大于內部風干速度，表層局部黏粒富集區域體積收縮產生裂紋，隨著遇水-風干循環次數的增加，泥巖內部裂紋的數量和尺寸逐漸增加，當裂紋貫穿試樣時試樣斷裂，此過程同樣形成了更多、更小顆粒的黏土顆粒．試驗結果正好與此理論相吻合：由于試樣初始為非飽和狀態，隨著含水率的增加，泥巖遇水泥化后的細微顆粒增多，顆粒間相互的接觸面積增大，使得顆粒間連接程度增強，故而粘聚力增大．

不同工況下內摩擦角變化曲線，如圖5所示．

圖5　內摩擦角變化

圖5表明，內摩擦角隨含水率和壓實度的增加而逐漸減小．究其原因，泥巖是一種易風化崩解的軟巖，壓實程度越大外界施加的荷載就越大，受荷載作用后泥巖顆粒發生崩解破碎，即粗糙程度降低．隨著壓實度的增加孔隙比雖減小，但顆粒被壓碎后其粗糙程度降低，故內摩擦角隨干密度的增加反而減小．

2)干濕循環次數對泥巖強度的影響

巖的泥化崩解作用對其強度特性有著顯著的影響，圖6為初始含水率8%、壓實度96%試樣的強度參數隨干濕循環次數的演化規律．

圖6　強度參數與干濕循環次數的關系

圖6(a)表明，粘聚力隨著干濕循環次數的增加呈現逐步增大到趨于穩定的過程．泥巖在干濕循環過程中大顆粒崩解成小顆粒，甚至出現了泥化，從而顆粒間的接觸面積增加，而粘聚力的大小取決于與土體間的連接程度，故粘聚力出現了增大的現象；當干濕循環次數達到12次附近時，試驗所用泥巖的崩解泥化過程基本完成，即泥巖顆粒大小不再有顯著變化，顆粒間的接觸面積隨之不變，試樣結構性趨于穩定，因此粘聚力的變化不大．結合泥巖遇水泥化機制的理論，不同種類泥巖應該具有同種性質，即在干濕循環作用下，泥巖崩解泥化過程中粘聚力隨干濕循環次數的增加而逐步增大，當到達一定程度后該過程基本完成，并趨于穩定，粘聚力不再變化．

圖6(b)表明，內摩擦角隨干濕循環次數的變化減小．干濕循環作用實際是不斷破碎了泥巖的顆粒，因此內摩擦角逐漸減小．雖然干濕循環作用使試樣的孔隙比減小，一定程度上使內摩擦角增大，但其增量不足以抵消顆粒破碎引起的弱化效應，故總體上表現為內摩擦角減小．

5結論

1)泥巖擊實曲線是明顯的雙峰曲線，鑒于泥巖易崩解特征，為保證工程質量標準，建議采用最大含水率為22.6%，最大干密度為1.56 g/cm3作為控制標準．

2)干濕循環對泥巖試樣的強度特性有著顯著的影響，粘聚力隨干濕循環次數的增加而增大，內摩擦角則隨干濕循環次數增加而減小．當干濕循環次數達到一定次數時，試樣結構趨于穩定，干濕循環作用的影響減弱．

3)干濕循環作用破壞了原有泥巖的顆粒架構，一方面它增強了崩解后泥巖的凝聚力，增長幅度為95.8%；另一方面卻減少了內摩擦角，減小幅度為26.5%，但總體上還是弱化了泥巖的抗剪強度．

參考文獻：

[1]Katti D R，Schmidt S R，Ghosh P，et al． Molecular Modeling of the Mechanical Behavior and Interactions in Dry and Slightly Hydrated Sodium Montmorillonite Interlayer[J]． Candian Geotechnical Journal，2007，44(4)：425-435．

[2]Assouline S． Modelling the Relationship Between Soil Bulk Density and the Water Retention Curve[J]． Vados Zone Journal，2006(5)：554-562．

[3]Shao Yubao，Guo Yinghai，Qin Yong， et al． Distribution Characteristic and Significance of Rare Earth Elements in Lopingian Mudstone of Permian， Panxian Country， Guizhou Province[J]． Mining Science and Technology(China)，2011，21(4)： 469-476．

[4]孟召平，彭蘇萍．煤系泥巖組分特征及其對巖石力學性質的影響[J]．煤田地質與勘探，2004，32(2)：14-16．

[5]黃宏偉，車平．泥巖遇水軟化微觀機理研究[J]．同濟大學學報：自然科學版，2007，35(7)：866-870．

[6]劉長武，陸士良．泥巖遇水崩解軟化機理的研究[J]．巖土力學，2000，21(1)：28-31．

[7]楊建林，王來貴，李喜林，等．遇水-風干循環作用下泥巖斷裂的微觀機制研究[J]．巖石力學與工程學報，2014，33(增刊)：3606-3612．

[8]許寶田，錢七虎，閻長虹，等．泥巖損傷特性試驗研究[J]．工程地質學報，2010，18(4)：534-537．

[9]陳濤，張文慧，藍日彥，等．風化泥巖路基填料水穩定性室內試驗研究[J]．科學技術與工程，2012，12(35)：9580-9590．

[10] 劉建，李建朋．谷竹高速公路原狀片巖抗剪強度的水敏性研[J]．巖土力學，2012，33(6)：1719-1723．

[11] 卿啟湘，王永和，趙明華．軟巖填料的長期沉降變形特性及分析[J]．巖土工程技術，2002，12：282-286．

[12] 談云志，喻波，吳翩，等．不同濕度狀態下高液限粉土的強度特性[J]．廣西大學學報：自然科學版，2012，37(4)：775-780．

[13] 李汝成，王復明．降雨入滲對泥巖-土混填路堤穩定性的影響[J]．巖石力學與工程學報，2008，27(11)：2260-2266．

[責任編輯周文凱]

收稿日期：2015-09-05

基金項目：國家自然科學基金(41402259)；三峽大學碩士學位論文培優基金(2015PY013)

通信作者：談云志(1979-)，男，副教授，博士，主要從事特殊土方面的教學與科研工作．E-mail：yztan@ctgu.edu.cn

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.01.008

中圖分類號：TU411

文獻標識碼：A

文章編號：1672-948X(2016)01-0037-04

Wetting-drying Cycle Effects on Filler Strength of Mudstone Subgrade

Dong BoWang HongxinZuo QingjunTan Yunzhi

(Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area，Ministry of Education，China Three Gorges Univ., Yichang 443002，China)

AbstractAs a kind of geotechnical material, mudstone's road performance vary widely; many unfavorable engineering properties appear under the wetting-drying cycles in atmospheric particularly. However, it is difficult to avoid to use mudstone as roadbed filler material in actual project. To reveal the effect of the mechanism of wetting-drying cycle effect will have important significance in the control of the embankment filling. Taking the mudstone in Dongxin high-speed subgrade as objects, the direct shear strength variation research of mudstone at different degrees of compaction and moisture conditions are carried out; and typical working conditions are selected to explore its direct shear strength under wetting-drying cycle effects; and analyzed its water sensitivity from compaction curve, particle composition, contrast liquid and plastic limit, CBR intensity changes. The results show that the mudstone begins to mud when suffer water; its strength attenuates sharply. Mudstone's compaction curve is obviously a bimodal curve, in view of characteristics that mudstone can easily disintegrate, in order to ensure standards of project quality, maximum moisture content of 22.6% is recommended; taking the maximum dry density of 1.56 g/cm3 as control standards. Wetting-drying cycles have a significant effect on the strength properties of mudstone. Its cohesion increases with the increase of wetting-drying cycles; while the internal friction angle decreases with the increase of wetting-drying cycles. The sample structure begins to stabilize when the number of cycles up to 12, the effect of wetting-drying cycle weakens. The real effects of wetting-drying cycles is the destruction of the original particle structure; on the one hand it enhances the cohesion of the disintegrating mudstone, the growth reaches 95.8%, on the other hand the internal friction angle reduces, the reduction is 26.5%. In general, wetting-drying cycles weaken the shear strength of mudstone.

Keywordsmudstone;strength;wetting-drying cycle