預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖路用性能及其基于三軸CT試驗(yàn)的力學(xué)特性

曾鈴，史振寧，付宏淵，何忠明，胡慶國

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預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖路用性能及其基于三軸CT試驗(yàn)的力學(xué)特性

曾鈴1, 2，史振寧3，付宏淵2, 4，何忠明3，胡慶國3

(1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)橋梁工程安全控制技術(shù)與裝備湖南省工程技術(shù)研究中心，湖南長(zhǎng)沙，410114；2. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410114；3. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410114；4. 現(xiàn)代公路交通基礎(chǔ)設(shè)施先進(jìn)建養(yǎng)技術(shù)湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南長(zhǎng)沙，410114)

為研究預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的路用性能及其在三軸應(yīng)力條件下的力學(xué)特征，利用室內(nèi)基本物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)與三軸CT同步掃描實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：炭質(zhì)泥巖礦物組成主要為伊利石、石英、高嶺石，壓實(shí)度是控制回彈模量的主要因素，具有與土相似的性質(zhì)，不同工點(diǎn)所取試樣具有不同的CBR；試件壓實(shí)度越高，峰值強(qiáng)度越大，偏應(yīng)力陡增段CT掃描層CT數(shù)增大速率比應(yīng)力應(yīng)變曲線平緩段的大，表明試驗(yàn)前期試件密度增大速率比試驗(yàn)后期的大；試驗(yàn)前，試件具有較多細(xì)小孔洞及裂紋，密度存在較大差異，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，密度差異性降低，炭質(zhì)泥巖顆粒在圍壓及偏應(yīng)力的作用下存在擠密、錯(cuò)動(dòng)、融合的現(xiàn)象。

預(yù)崩解；炭質(zhì)泥巖；路用性能；三軸CT試驗(yàn)

炭質(zhì)泥巖廣泛分布于我國西南部地區(qū)，是由軟弱灰?guī)r、砂巖、頁巖和頁巖互層等沉積類巖石構(gòu)成的地質(zhì)體，因沉積巖中多數(shù)富含碳而呈灰黑色，具有遇水易崩解、強(qiáng)度降低、變形增大的特點(diǎn)[1]。在高速公路建設(shè)中，該類軟巖常視為不良填料而廢棄。但工程實(shí)踐表明，廢棄該類巖石不僅占用大量土地，而且易造成環(huán)境污染。考慮到經(jīng)濟(jì)與環(huán)保，常采用經(jīng)預(yù)崩解后的炭質(zhì)泥巖作為路堤填料[2]。目前，關(guān)于炭質(zhì)泥巖等軟巖用于路堤填料的相關(guān)研究還不多見，目前開展的研究?jī)?nèi)容大多集中在同類型巖石填料崩解過程中顆粒級(jí)配的變化和基本物理性質(zhì)上[3?6]，而針對(duì)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖路堤填料的路用性能以及在三軸條件下的應(yīng)力變形特征的研究則很少。三軸CT試驗(yàn)主要從試件的宏觀應(yīng)力、應(yīng)變以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化這3個(gè)方面來共同反映試件在三軸應(yīng)力下的物理力學(xué)性質(zhì)。一些學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，如：WONG等[7]探討了巖石裂隙發(fā)育程度、顆粒粒度與單軸抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系；WU 等[8]利用高倍光學(xué)鏡片與掃描電子顯微鏡相結(jié)合研究了壓縮過程中砂巖的各向異性損傷的細(xì)觀力學(xué)演化過程；黃質(zhì)宏等[9]通過三軸CT同步掃描試驗(yàn)從土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、裂隙發(fā)育、CT圖像、應(yīng)力?應(yīng)變曲線等對(duì)紅黏土力學(xué)特性進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析。此外，李廷春等[10?12]利用三軸CT掃描技術(shù)對(duì)凍土、砂巖等材料在受力條件下的損傷破裂過程進(jìn)行了研究。基于炭質(zhì)泥巖所具有的特殊物理力學(xué)性質(zhì)，本文作者將室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)與三軸CT實(shí)時(shí)試驗(yàn)相結(jié)合，進(jìn)行一些列室內(nèi)試驗(yàn)，以期從宏-細(xì)觀角度對(duì)其路用性能及應(yīng)力?應(yīng)變特征進(jìn)行探討。

1 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖常規(guī)試驗(yàn)研究

1.1 炭質(zhì)泥巖化學(xué)組成及物理指標(biāo)

在廣西六寨—河池高速公路炭質(zhì)泥巖路堤工點(diǎn)K18+500和K20+400處取炭質(zhì)泥巖原狀樣，進(jìn)行室內(nèi)干濕循環(huán)崩解試驗(yàn)，使其充分預(yù)崩解。在崩解試驗(yàn)過程中，用篩分法記錄崩解后顆粒級(jí)配的變化，當(dāng)2次干濕循環(huán)級(jí)配變化較小時(shí)則認(rèn)為預(yù)崩解完成。將崩解完成后的炭質(zhì)泥巖試樣進(jìn)行X線衍射分析，其X線衍射圖譜見圖1，化學(xué)成分組成見表1。

(a) K18+500取樣點(diǎn)；(b) K20+400取樣點(diǎn)

表1 取樣點(diǎn)炭質(zhì)泥巖主要礦物成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

Table 1 Main mineral compositions of carbon mudstone in sample location %

從表1可以看出：預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的礦物組成主要為伊利石、石英、高嶺石，其余各礦物成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均≤5%。由于高嶺石屬于典型的黏土礦物，因此，經(jīng)預(yù)崩解后的炭質(zhì)泥巖填料具有一定的黏性。

對(duì)工點(diǎn)K18+500和K20+400預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖試樣進(jìn)行基本物理力學(xué)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過預(yù)崩解后的炭質(zhì)泥巖與土具有類似的擊實(shí)性能，具有最大干密度、最佳含水量等。試驗(yàn)結(jié)果見表2。根據(jù)JTGD 30—2004“公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范”[13]，取樣點(diǎn)各物理力學(xué)參數(shù)如表2所示，滿足路堤填料的一般要求。

表2 取樣點(diǎn)炭質(zhì)泥巖基本物理指標(biāo)

Table 2 Basic physical indexes of carbon mudstone in sample location

1.2 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖回彈模量

為了研究預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖路堤填料回彈模量在多種影響因素下的變化特征，設(shè)計(jì)一組能夠考慮壓實(shí)度、粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、干密度變化影響的室內(nèi)回彈試驗(yàn)方案。由于在實(shí)際工程中，路基壓實(shí)度基本為93%~96%，因此，設(shè)計(jì)93%，94%，95%和96%這4種壓實(shí)度。將上述3種影響因素進(jìn)行兩兩正交，以達(dá)到考察其上述影響因素對(duì)回彈模量影響程度的目的，試驗(yàn)方案參數(shù)如表3~4所示。在室內(nèi)進(jìn)行32組不同參數(shù)的回彈模量測(cè)試試驗(yàn)。

表3 壓實(shí)度與干密度正交試驗(yàn)參數(shù)

Table 3 Orthogonal test parameters of compaction and dry density

表4 壓實(shí)度與粗粒含量正交試驗(yàn)參數(shù)

Table 4 Orthogonal test parameters of compaction and coarse-grained content

圖2~5所示為壓實(shí)度、干密度、粗粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)與壓實(shí)度兩兩正交進(jìn)行室內(nèi)回彈模量試驗(yàn)所得的變化規(guī)律及三維關(guān)系圖。由圖2和圖4可知：在試驗(yàn)擬定的方案范圍內(nèi)回彈模量最大值為75.9 MPa，最小值為42.3 MPa，分別對(duì)應(yīng)的是最大壓實(shí)度與最大干密度以及最小壓實(shí)度與最小干密度影響時(shí)的回彈模量，其余各個(gè)試驗(yàn)方案對(duì)應(yīng)的回彈模量在42.3 Pa與75.9 Pa之間按照非線性曲面分布。綜合分析圖2~5可知：干密度、粗粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、壓實(shí)度的增大都在另2個(gè)變量一定的條件下引起回彈模量增大，其中由壓實(shí)度的變化引起回彈模量變化梯度明顯大于由干密度與粗粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化引起的回彈模量梯度。因此，可以推斷壓實(shí)度、干密度、粗粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)都是控制炭質(zhì)泥巖路堤填料回彈模量的控制因素，但壓實(shí)度則是主控因素，干密度與粗粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響相對(duì)較小。

干密度/(g·cm?3)：1—2.00；2—2.05；3—2.10；4—2.15。

圖3 回彈模量與壓實(shí)度和干密度之間的關(guān)系

壓實(shí)度/%：1—93；2—94；3—95；4—96。

圖5 回彈模量與壓實(shí)度和粗粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系

1.3 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖CBR分析

以表2所示試驗(yàn)參數(shù)為背景分別對(duì)取樣點(diǎn)K18+500和K20+400所取巖樣制備壓實(shí)度為93%，94%和96%的3組試樣進(jìn)行CBR試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。由表5可知：K18+500取樣點(diǎn)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖試樣CBR為7.5~9.2，膨脹率隨著壓實(shí)度的增大而降低，滿足JTG D30—2004“公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范”所規(guī)定的最低值5%。而K20+400取樣點(diǎn)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖試樣CBR小于5%，膨脹率隨壓實(shí)度的增大而增大，因此，不適宜用作路堤填料。

表5 不同壓實(shí)度條件下的CBR與膨脹率

Table 5 CBR and expansion rate under different compaction degrees

通過室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)可知，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖填料具有如下性質(zhì)：1) 崩解試樣礦物成分主要為伊利石、高嶺石、石英，其余各礦物成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小，崩解產(chǎn)物遇水具有一定的親水及黏性特征；2) 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖具有與土類似的擊實(shí)性能，具有最大干密度、最佳含水量等物理指標(biāo)；3) 壓實(shí)度、干密度、粗粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)都是控制炭質(zhì)泥巖路堤填料回彈模量的控制因素，但壓實(shí)度則是主控因素，干密度與粗粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響相對(duì)較小；4) 預(yù)崩解試樣在不同的壓實(shí)度下，其CBR與膨脹率是變化的，需通過試驗(yàn)確定是否滿足規(guī)范要求。

2 三軸條件下的CT掃描試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原理與裝置

在三軸試驗(yàn)過程中，利用X線對(duì)選定的試件橫、縱斷面進(jìn)行掃描，獲取X線經(jīng)某層面不同物質(zhì)衰減后的信息，再利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析解算，得到試件內(nèi)部截面的CT圖像、CT數(shù)、方差等信息。該技術(shù)現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于材料內(nèi)部組成與結(jié)構(gòu)信息的無損、動(dòng)態(tài)和定量檢測(cè)[14?15]。

本次試驗(yàn)在中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所材料無損檢測(cè)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)采用PHILIPS X線螺旋CT機(jī)，空間分辨率為0.35 mm× 0.35 mm，最低掃描層厚度為1 mm，空間可識(shí)別體積為0.12 mm3，密度對(duì)比分辨率為0.3%。三軸加載裝置示意圖見圖6。

1—應(yīng)力傳感器；2—試件；3—圍壓進(jìn)油口；4—傳動(dòng)進(jìn)油口；5—固定螺栓；6—油壓傳動(dòng)裝置；7—移傳感器。

2.2 三軸CT試驗(yàn)方案及初始條件

將取樣點(diǎn)K18+500所取巖樣經(jīng)預(yù)崩解后作為試驗(yàn)材料。試驗(yàn)前，利用應(yīng)變控制試樣機(jī)制備成3個(gè)壓實(shí)度分別為93%，94%和96%的圓柱形試件，定義為試件1、試件2、試件3。試樣直徑與高度分別為 61.8 mm和105 mm。在試驗(yàn)過程中，其圍壓由高靈敏度液壓控制儀以200 kPa分別施加于試件1~3，使之充分固結(jié)。試驗(yàn)過程以油壓控制裝置采用三軸等應(yīng)變壓縮，壓縮速率為0.3 mm/min，當(dāng)試件應(yīng)變率達(dá)到12%時(shí)停止試驗(yàn)。對(duì)加載過程中的6個(gè)應(yīng)變時(shí)刻點(diǎn)(應(yīng)變率分別為0，2%，4%，6%，8%和10%)進(jìn)行同等條件CT掃描，掃描條件見表6。

表6 CT機(jī)掃描條件

Table 6 CT scanning conditions

將試件安裝在圖6~7所示的加載裝置中，掃描分為上、中、下3個(gè)層位，試件安裝定位及掃描定位線如圖7所示(掃描層5，17和29)。通過動(dòng)態(tài)三軸CT試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算各試驗(yàn)狀態(tài)試樣的相對(duì)密度及通過典型層位CT圖像分析壓實(shí)度與試件應(yīng)力?應(yīng)變之間的關(guān)系，從宏?細(xì)觀相結(jié)合的方式分析預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖路堤填料的破壞機(jī)理。

圖7 試樣安裝CT圖像和掃描定位線

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖重塑試件偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線如圖8所示。本文只列出各試樣掃描層17的CT數(shù)、CT數(shù)方差與應(yīng)變之間的關(guān)系，見圖9和圖10。典型掃描層CT掃面圖像見圖11。

壓實(shí)度/%：1—93；2—94；3—96。

Fig. 8 Relationship between stress and strain of prior crumbling carbonaceous mudstone under pressure of 200 kPa

壓實(shí)度/%：1—93；2—94；3—96。

壓實(shí)度/%：1—93；2—94；3—96。

應(yīng)變率/%：(a) 0；(b) 4；(c) 8；(d) 10

從圖8可以看出：在保持圍壓為200 kPa時(shí)，隨著偏應(yīng)力增大，各試件軸向應(yīng)變迅速增大，試件在偏應(yīng)力達(dá)到一定值后，其應(yīng)力?應(yīng)變曲線由陡增階段進(jìn)入平緩階段。試件1在應(yīng)變率為8%時(shí)偏應(yīng)力降低明顯，表明試件1破裂失載(由于失載突然，試件橡膠膜破裂，提供圍壓的油進(jìn)入試件，CT圖像變異較大)。試件2和3的偏應(yīng)力在應(yīng)力?應(yīng)變曲線平緩階段仍然緩慢上升，直到試件變形率達(dá)到12%時(shí)停止試驗(yàn)。

掃描層17 CT數(shù)與應(yīng)變的關(guān)系如圖9所示，掃描層17的CT數(shù)方差與應(yīng)變的關(guān)系如圖10所示。從圖9和圖10可以看出：試件在偏應(yīng)力陡增段，各試件典型掃描層17 CT數(shù)相應(yīng)地增大，應(yīng)力?應(yīng)變曲線進(jìn)入平緩階段后，CT數(shù)增大速率也隨之放緩。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因?yàn)椋涸嚰S向應(yīng)變率為3%之前，試件主要以顆粒間壓縮擠密為主，橫向膨脹變形為輔，在該階段由顆粒壓縮擠密引起的密度增加量遠(yuǎn)大于橫向膨脹變形引起的密度減小量；在試件軸向應(yīng)變率大于3%后，由試件橫向膨脹變形引起密度減小迅速，而由顆粒壓縮擠密引起的密度增加變緩，因此，在應(yīng)力?應(yīng)變曲線進(jìn)入平緩階段后CT數(shù)變化不明顯。特別地，試件1(壓實(shí)度為93%)在應(yīng)變率達(dá)到8%時(shí)CT數(shù)出現(xiàn)陡降現(xiàn)象，這是由試件破裂失載造成掃描剖面出現(xiàn)裂紋、橫截面增大導(dǎo)致密度降低引起的。

圖11所示為試件2掃描層17 在試驗(yàn)過程中的CT圖像。掃描層面在初始狀態(tài)下具有較多細(xì)小孔洞及裂紋，密度存在較大差異(白色為高密度區(qū)、黑色為低密度區(qū))，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，橫剖面局部顆粒受擠壓密度增加，高密度區(qū)范圍也明顯增大，密度差異在一定程度上有所降低。從圖11可見：在1~4和1~4范圍內(nèi)，局部白色區(qū)域隨著試驗(yàn)的進(jìn)行不斷向外擴(kuò)展，表明試件顆粒在圍壓與偏應(yīng)力的作用下存在擠密、錯(cuò)動(dòng)、融合的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

1) 在廣西對(duì)六寨—河池高速公路炭質(zhì)泥巖路堤工點(diǎn)K18+500和K20+400處所取炭質(zhì)泥巖原狀樣進(jìn)行預(yù)崩解后，其礦物組成主要為伊利石、石英、高嶺石，其余礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少。崩解試樣具有與土類似的擊實(shí)性能，具有最大干密度、最佳含水量等物理參數(shù)。壓實(shí)度、干密度、粗粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)都是控制炭質(zhì)泥巖路堤填料回彈模量的控制因素，但壓實(shí)度則是主控因素，干密度與粗粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響相對(duì)較小。不同工點(diǎn)炭質(zhì)泥巖路堤填料具有不同的加州承載比CBR，K18+500處炭質(zhì)泥巖崩解后CBR滿足“公路路堤設(shè)計(jì)規(guī)范”規(guī)定值，可直接用于93區(qū)路堤填筑。

2) 試件壓實(shí)度越高，峰值強(qiáng)度越大。試驗(yàn)初期，各試件偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變呈正比例上升的趨勢(shì)；試件在偏應(yīng)力達(dá)到一定值后，其應(yīng)力?應(yīng)變曲線由陡增階段進(jìn)入平緩階段，其應(yīng)力?應(yīng)變特征與黏土的類似。

3) 在偏應(yīng)力陡增段，各試件典型掃描層17 CT數(shù)增大明顯；應(yīng)力?應(yīng)變曲線進(jìn)入平緩階段后，CT數(shù)增大速率隨之放緩，表明壓縮試驗(yàn)前期試件密度增大速率比試驗(yàn)后期的大。試件在壓縮過程中CT數(shù)方差一直處于降低狀態(tài)，表明掃描層面平均CT數(shù)差異性 降低。

4) 試件在初始狀態(tài)下密度存在較大差異。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，橫剖面局部顆粒受擠壓密度增加，同時(shí)高密度區(qū)范圍明顯增大。試件顆粒在圍壓與偏應(yīng)力的作用下存在擠密、錯(cuò)動(dòng)、融合的現(xiàn)象。

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(編輯 陳燦華)

Road performance of preliminarydisintegration of carbon mudstone and mechanical characteristics based on CT-Triaxial test

ZENG Ling1, 2, SHI Zhenning3, FU Hongyuan2, 4, HE Zhongming3, HU Qingguo3

(1. Hunan Province Research Center for Safety Control Technology and Equipment of Bridge Engineering,Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China;2. School of Civil Engineering and Architecture, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China;3. School of Traffic and Transportation Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China;4.Co-innovation Center for Advanced Construction and Maintenance Technology of Modem Transportation Infrastructural Facility, Changsha 410114, China)

In order to study the road performance of preliminary disintegration of carbon mudstone and its mechanical characteristics under triaxial stress condition, the indoor basic physical and mechanical test and triaxial computerized tomography were carried out with synchronous scanning test. The results show that the mineral composition of carbon mudstone mainly contains illite, quartz and kaolinite, and CBR is the main factor of controlling the resilient modulus, with the similar properties to earth, the CBR is different at different work sites. Peak strength increases with the increase of compaction degree, and the increase rate of CT number with CT scanning layer in spurt stage of deviatoric stress is greater than that of the smooth stage of stress-strain curve, which reveals the increase rate of test sample density in the early stage is greater than that in the later stage. Before the test, the density of test sample with many fine holes and cracks differs obviously, and the density difference reduces, and carbon mudstone particles have compacting, dislocation and fusion phenomenon under the action of confining pressure and deviatoric stress.

preliminary disintegration; carbon mudstone; road performance; triaxial computerized tomography(CT) test

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.06.029

TU457

A

1672?7207(2016)06?2030?07

2015?08?10；

2015?10?22

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278067，51508040，51508042，51508079)；湖南省教育廳科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(14A007)；長(zhǎng)沙理工大學(xué)橋梁工程安全控制技術(shù)與裝備湖南省工程技術(shù)研究中心開放基金資助項(xiàng)目(14KC04)(Projects(51278067, 51508040, 51508042, 51508079) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(14A007) supported by the Key Project of Science Research of Hunan Department of Education of Hunan Province; Project(14KC04) supported by the Open Fund of Hunan Province Research Center for Safety Control Technology and Equipment of Bridge Engineering, Changsha University of Science & Technology)

曾鈴，博士，從事邊坡工程、路堤穩(wěn)定性等研究；E-mail：zlbingqing3@126.com