砂泥巖混合料的流變特性試驗研究

楊 洋，王俊杰，張鈞堂，劉云飛

(1.重慶交通大學 國家內河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074；2.重慶交通大學 水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074)

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砂泥巖混合料的流變特性試驗研究

楊 洋1，2，王俊杰1，2，張鈞堂1，2，劉云飛1，2

(1.重慶交通大學 國家內河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074；2.重慶交通大學 水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074)

針對砂泥巖混合料高填方工程的長期工后沉降問題，利用自行研制的土體飽水-疏干循環壓縮試驗系統，對4種混合比的砂泥巖顆粒混合料進行了考慮濕化作用的壓縮流變試驗，研究了軸向壓力以及砂泥巖混合比對流變的影響，對試驗后的試樣測算了相應的顆粒破碎率，分析了顆粒破碎率與軸向壓力及最終流變變形的關系。試驗結果表明：最終流變量及顆粒破碎率與軸向壓力之間均具有較好的線性關系，流變與時間的關系可近似地用冪函數表達，巖性組成對砂泥巖混合料的流變具有較大影響。

巖土工程；砂泥巖混合料；濕化作用；側限壓縮；流變特性；顆粒破碎

0 引 言

砂泥巖互層結構地層的分布很廣，以位于長江上游的重慶為例，形成于三疊系上統、侏羅系和白堊系下統的砂泥巖互層結構地層的總厚度達2 294～6 440 m。在該地區的各類高填方工程建設中，砂泥巖混合料已成為常用的建筑填料，如重慶江北國際機場、重慶南川金佛山水庫大壩，此外包括位于英國Blindwells的一條路基填方高度達60 m的公路[1]等，都大量的采用砂泥巖混合料作為填筑材料。如何科學合理地預測和控制砂泥巖混合料填方體的工后沉降變形，已成為巖土工程界亟待解決的關鍵問題之一。

對砂泥巖混合料的壓實特性、強度及變形特性、滲透特性以及濕化變形等方面，已通過室內試驗進行了較深入的研究[2-6]。然而，以砂泥巖混合料作為主要填料的高填方工程，其工后長期沉降變形方面研究目前尚少。目前對濕化變形和流變的研究主要采用室內試驗方法。E.M.D.NEVES[7]在壓縮儀上曾對碎石料進行了流變試驗；G.F.SOWERS等[8]曾對干燥和被水浸濕的砂巖粗粒料分別進行了流變試驗；P.AHNTHINIAC等[9]通過試驗研究，分析了影響濕化變形的因素；殷宗澤[10]通過大型三軸試驗，研究了粗粒料的流變特性并提出了雙屈服面模型；梁軍等[11]針對堆石料開展了壓縮流變試驗，并根據顆粒破碎情況對堆石料流變產生的機理進行了研究。

筆者針對涉水高填方工程的長期工后沉降問題，通過考慮濕化作用的流變試驗，對砂泥巖顆粒混合料在側限壓縮條件下的流變特性及顆粒破碎特性進行了研究，分析了軸向壓力及泥巖含量對砂泥巖混合料長期流變及顆粒破碎的影響，探討了試樣最終流變量與顆粒破碎的關系。

1 試驗方法

1.1 試驗儀器

砂泥巖顆粒混合料的流變試驗，是在重慶交通大學國家內河航道整治工程技術研究中心自行研制的土體飽水-疏干循環壓縮試驗儀上進行的。該儀器由機架、軸向加載系統、試樣容器、控制柜、溫度測量傳感器、軸向變形量測傳感器、試驗數據自動采集處理系統組成。該儀器可在壓縮固結試驗過程中，通過位于儀器上部的水箱，從試樣底部通水進行水頭飽和，通過位于試樣底部的排水孔輔以空氣壓縮機，從試樣頂部通入干燥空氣排水疏干，實現對試樣的濕化或飽水-疏干循環的功能。該儀器可用于常規壓縮固結試驗、考慮濕化作用的流變試驗以及周期性飽水-疏干循環試驗，進一步研究經過上述試驗的土顆粒的裂化、破碎情況及規律。

該儀器試樣尺寸為φ100×H30 mm，軸向變形范圍為0～15 mm，軸向壓力通過砝碼以杠桿方式加載，最大可施加軸向壓力2.4 MPa。試驗儀器如圖1。

圖1 試驗儀器Fig. 1 Test apparatus

1.2 試驗材料

試驗采用的砂巖、泥巖采自三峽水庫重慶庫區附近，屬侏羅系中統沙溪廟組，其中砂巖為弱風化，呈淺灰色，巖石表面無明顯裂紋、層理清晰，泥巖為弱風化，呈紫紅色。試驗前對所采石料進行破碎至筆者試驗所需的顆粒粒徑，經篩分后按試驗設計級配取料制樣。試樣干密度為1.8 g/cm3，制樣含水率為8%，試樣顆粒級配曲線如圖2，最大粒徑為5 mm，平均粒徑d50=0.83 mm，不均勻系數為25.56，曲率系數為1.16，各粒組含量見表1。

圖2 試樣級配曲線Fig. 2 Gradation curve of the tested samples

表1 試驗土料級配Table 1 Grading of the tested soil

1.3 試驗方案

由于涉水高填方工程填筑過程中，難免受到風吹雨淋的影響，即經歷濕化作用并產生了一定的濕化變形，故筆者在流變試驗開始前，對試樣進行一次飽水-疏干循環，目的在于扣除流變過程中的濕化變形部分。通過對8∶2、6∶4、4∶6、2∶8等4種不同混合比的砂泥巖顆粒混合料試樣。分別在軸向壓力100、200、400、800、1 200、1 600 kPa作用下，開展考慮濕化作用的流變試驗。研究砂泥巖顆粒混合料的流變特性、顆粒破碎特性以及流變與顆粒破碎的關系。

1.4 試驗方法

試驗前，把篩分好的土料進行風干，按設計的級配及混合比配土。為便于裝樣，對土樣按設計含水率加入一定量的水，拌合均勻后分3層加入試樣容器并逐層擊實。為保證試樣與儀器上下各部件之間接觸良好，應施加1 kPa的預壓壓力然后對變形讀數清零。

試驗時，分別對4種不同混合比的砂泥巖顆粒混合料試樣，按快速固結方法加載至設計的軸向壓力水平。在試樣達到變形穩定后，對試樣從底部通水進行水頭飽和1 h。變形穩定后打開位于試樣底部的排水孔進行排水，同時從試樣頂部的通風孔通入干燥空氣對試樣進行排水1 h。以變形速率不超過0.005 mm/h為變形穩定控制標準。對經過初次飽水-疏干循環，達到變形穩定的試樣進行5～6 d的壓縮流變試驗，流變試驗前10 h每隔1 h讀數一次，之后每隔6 h讀數一次，整個流變試驗過程始終在排水條件下進行。

試驗后，對卸下的試樣進行烘干、篩分，分析不同粒徑的顆粒含量并計算顆粒破碎率。

2 試驗結果及分析

2.1 流變試驗結果及分析

經過首次飽水-疏干循環的試樣在相應軸向壓力下，維持流變變形5～6 d后變形基本穩定。通過對試驗結果整理，得出本試驗中4種砂泥巖顆粒混合比試樣，在各級軸向壓力作用下扣除濕化變形的流變量與時間的關系，如圖3。4種砂泥巖混合比試樣的最終流變量與軸向壓力的關系，如圖4。

圖3 軸向應變與時間的關系Fig. 3 Relationship between axial strain and time

由圖3可知，在流變試驗開始的前10 h內，不同混合比的砂泥巖顆粒混合料的流變量隨時間的增加快速增加，基本可以用線性關系來描述；但隨著試驗時間的延長，流變量隨時間的增長速率變緩并不再滿足線性關系，而更趨向于冪函數關系；試樣的流變變形大約在100 h時趨于穩定而不再發展。從圖3還可看出，隨著試驗時間的延長，流變的發展規律經歷快速—平穩—快速—穩定等4個階段。這主要是由于砂巖顆粒和泥巖顆粒的差異裂化所致，流變過程中泥巖顆粒在一定壓力下首先發生破碎、滑移并充填顆粒孔隙，當軸向壓力穩定達到一定時長后，由大粒徑砂巖顆粒的破碎而產生第2次快速變形，當粗顆粒破碎至一定程度后，試樣達到新的變形穩定狀態。

由圖4可知，在軸向壓力相同時，最終流變量隨試樣中泥巖含量的增加而增大，不同混合比的砂泥巖混合料試樣的最終流變量與軸向壓力存在較好的線性關系。圖中4條直線的擬合相關度均大于0.95，4條擬合直線的斜率基本一致，說明對不同混合比的砂泥巖混合料，流變隨軸向壓力的增長趨勢是一致的。對實際的高填方工程而言，這有利于根據填方體淺層的變形量來預測較深部位的沉降變形。

圖4 最終流變量與軸向壓力的關系Fig. 4 Relationship between final rheological strain and axial pressure

2.2 顆粒破碎試驗結果及分析

顆粒破碎是指在外力作用下，土顆粒結構破裂為多個不等或相等顆粒的現象[12]。目前大多采用對試驗前后試樣中各粒徑組成含量的計算來定義顆粒破碎程度，R.J.MARSAL[13]建議用多粒組差值求和來計算顆粒破碎率。該方法物理意義清晰，計算方法簡單，基本能反映顆粒破碎的全貌，成果精度也能滿足工程要求。因此筆者采用Marsal破碎率作為評價顆粒破碎程度的量化指標，計算公式如式(1)：

(1)

式中：Bg為試驗前后各粒組含量質量之差的正值和；Wki為試驗前某粒組的質量百分含量；Wkf為試驗后該粒組質量百分含量。

4種砂泥巖顆粒混合比的試樣，在不同軸向壓力下的流變試驗后各粒組含量及顆粒破碎率成果如表2；通過對各組試樣的顆粒破碎成果進行整理，得到不同混合比試樣在不同軸壓下的顆粒破碎率與軸向壓力的關系，如圖5，軸向應變與顆粒破碎率的關系如圖6。

圖5 顆粒破碎率與軸向壓力的關系Fig. 5 Relationship between particle breakage ratio and axial pressure

由圖5可知，流變試驗后試樣的顆粒破碎率隨軸向壓力的增大呈線性增長關系。在相同的軸向壓力作用下，顆粒破碎率隨混合料中泥巖含量的增加而增大，這種關系在較高的軸壓水平下更為明顯。圖6為4種不同混合比的砂泥巖混合料在每級軸向壓力作用下的試驗后顆粒破碎情況(顆粒破碎率)與該級壓力下的最終流變量之間的關系。圖中從左至右的6個數據點分別為100、200、400、800、1 200、1 600 kPa等6級軸向壓力作用下流變試驗結束后的的軸向應變和顆粒破碎率。由圖6可知，不同混合比試樣的最終流變量均隨顆粒破碎率的增大而增大，其關系可以較好地用線性關系擬合，當試樣發生相同的流變變形時，泥巖含量多的試樣顆粒破碎更為嚴重。

表2 試驗后各粒組含量及顆粒破碎率Table 2 Grain content and particle breakage ratio after tests

圖6 軸向應變與顆粒破碎率的關系Fig. 6 Relationship between axial strain and particle breakage ratio

3 砂泥巖混合料流變機理分析

由于砂泥巖顆粒混合料的顆粒組成和顆粒接觸形式與普通的單一巖性堆石料不同，所以其流變機理與堆石料的流變機理不同。砂泥巖顆粒混合料的流變特性受試樣的巖性組成影響較大，在流變特別是經過濕化作用的流變過程中，砂巖顆粒和泥巖顆粒發生差異裂化。由于砂巖的強度遠大于泥巖，且水對砂巖顆粒和泥巖顆粒的影響也截然不同，浸水后的泥巖顆粒在較低的壓力水平下就發生破碎、軟化甚至泥化。大粒徑泥巖顆粒破碎后，顆粒之間的接觸應力得以釋放，顆粒發生滑移并充填粗顆粒孔隙。而砂巖顆粒的強度高，軟化系數比泥巖大許多，水理性質穩定，在浸水后顆粒強度變化較小，試驗中的顆粒破碎程度小。這種水理性質差異造成了流變過程中砂泥巖混合料劣化機理與堆石料有較大差別。流變發展速度趨于平緩，隨著軸向壓力進一步加大，至砂巖顆粒之間的接觸應力達到極限強度后，砂巖粗顆粒隨之發生破碎。最后砂巖顆粒和泥巖顆粒達到新的平衡狀態。在新的平衡狀態下，隨著軸向壓力的增大，顆粒間接觸應力繼續增大，直至發生新一輪的顆粒破碎。

由于組成混合料的砂巖和泥巖顆粒，在受壓前已存在細微裂縫等原始缺陷，這些缺陷在浸水和壓力作用情況下逐漸被放大，直至顆粒發生破碎。所以，砂泥巖顆粒混合料的流變機理，可認為是由于浸水、風干、荷載作用等外部環境作用，導致顆粒中原有裂縫和缺陷被逐漸發展、強度逐漸降低的顆粒裂化過程。

4 結 論

采用自行研制的土體飽水-疏干循環壓縮試驗儀，對砂泥巖顆粒混合料進行了考慮濕化作用的側限壓縮流變試驗。得到如下結論：

1) 砂泥巖顆粒混合料的流變與時間的關系，隨試驗時間的延長由線性關系轉變為冪函數關系，流變量與軸壓之間符合線性關系，隨混合料中泥巖含量的增加而增大。

2) 顆粒破碎率與軸向壓力、流變量與顆粒破碎率之間均存在較好地線性關系。相同壓力水平下，顆粒破碎率隨泥巖含量的增加而增大，這種關系在高應力水平下更為明顯。

3) 砂泥巖顆粒混合料的流變主要經歷3個階段，在較小壓力下粒徑較大的泥巖顆粒先破碎并充填粗顆粒孔隙；當顆粒間的接觸應力達到一定水平后，砂巖粗顆粒發生破碎；最后砂巖顆粒和泥巖顆粒達到新的穩態，隨著軸向壓力的進一步增大，顆粒間接觸應力繼續增大，直至發生新一輪的顆粒破碎。

從試驗成果可知，砂泥巖顆粒混合料的流變主要是由于顆粒的破碎、滑移和充填所引起。而顆粒的破碎貫穿于裝樣—壓縮固結—浸水濕化—流變完成的整個試驗過程中，所指的破碎率為流變試驗結束后的顆粒破碎率，未能區分試驗各階段的砂巖顆粒與泥巖顆粒的級配變化和顆粒破碎情況，這方面還有待進一步研究。

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(責任編輯：朱漢容)

Rheological Behavior of Sandstone-Mudstone Mixture

YANG Yang1，2，WANG Junjie1，2，ZHANG Juntang1，2，LIU Yunfei1，2

(1.National Engineering Research Center for Inland Waterway Regulation，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，P.R.China; 2.Key Laboratory of Hydraulic and Waterway Engineering of Ministry of Education，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，P.R.China)

A self-developed drying-wetting cycle compression test system was used to investigate the long term settlement after construction of high embankment of sandstone-mudstone mixture.Compression rheological tests of sandstone-mudstone particle mixture samples with four mixture ratio were carried out，which considered the wetting effect.The influence of axial pressure and sandstone-mudstone mixture ratio on the rheological test was discussed.The corresponding particle breaking rate of the samples after tests was calculated，and the relationships among the particle breakage rate，the axial pressure and final rheological deformation were analyzed.From the test results，it can be seen that the final rheological strain，the particle breakage rate and the axial pressure have a good linear relationship，and the relationship between the rheological strain and time can be approximately expressed by power function.Lithology composition of the sandstone-mudstone mixture has a great influence on rheological deformation.

geotechnical engineering; sandstone-mudstone particle mixture; wetting effect; confined compression; rheological behavior; particle breakage

2016-01-05；

2016-05-10

國家自然科學基金項目(51479012)；“十二五”國家科技支撐計劃課題項目(2015BAK09B01)；重慶市基礎與前沿研究計劃項目(CSTC2013JCYJA30009)

楊 洋(1982—)，男，黑龍江齊齊哈爾人，高級工程師，博士研究生，主要從事水工結構及巖土方面的研究。E-mail：25742857@qq.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.06.10

TU43

A

1674-0696(2017)06-064-06