泥頁巖重塑樣三向膨脹力試驗

王 雄 朱寶龍 石方超 汪 鍇

(西南科技大學土木工程與建筑學院 四川綿陽 621010)

我國膨脹巖分布廣泛，其工程性質十分復雜[1]。膨脹性泥頁巖為膨脹巖的一種，具有遇水膨脹的特性，當周圍有束縛時會向四周產生膨脹力。國內外許多專家學者對膨脹巖土的膨脹特性進行了試驗研究[2-6]。張穎鈞[7]使用自行研制的三向脹縮儀研究了典型膨脹土的三向膨脹力，研究了原狀土水平膨脹力與豎向膨脹力的關系。李獻民等[8]對湖南邵陽膨脹土擊實樣進行研究，得出了膨脹力、膨脹量與干密度和初始含水率的關系。謝云等[9]研究了南陽陶岔重塑膨脹土豎向膨脹力與干密度、初始含水率的關系，闡述了應變對膨脹力的影響。秦冰等[10]研究了高廟子膨潤土膨脹力時程曲線與試樣初始狀態的關系，分析了豎向和水平向膨脹力之間的關系，并探討了膨脹力隨時間變化的規律。歐孝奪等[11]對南寧膨脹性泥巖重塑樣進行不同變形量的微變形膨脹力試驗，建立了膨脹力與干密度、初始含水率之間的雙因素關系，研究了微變形條件下膨脹力變化機制。

本文試驗所用的泥頁巖取自內蒙古準格爾旗南坪隧道滑坡滑面處，為強風化膨脹性泥頁巖，膠結弱，遇水極易軟化崩解成碎屑狀，具有一定的膨脹性。準格爾膨脹性泥頁巖雖然定性為泥頁巖，但其風化程度較高，具有強度低、膠結弱、曝露幾天即龜裂崩解、遇水幾小時后即崩解為碎屑狀等特點。其原狀樣單軸抗壓強度僅為600～800 kPa，強度極低。內蒙古準格爾旗露天煤礦是亞洲最大的露天煤礦，煤層覆土開挖后產生大量具有膨脹性的泥頁巖碎屑狀棄土，棄土堆放形成的邊坡極易因膨脹產生破壞。當該類泥頁巖充當回填料時，回填土遇水膨脹后其側向膨脹力會引起路基、路堤、管道、涵道、擋墻等設施的破壞。為研究膨脹泥頁巖的遇水膨脹力大小的變化規律，本試驗將取出的泥頁巖制成9個重塑樣進行三向膨脹力試驗。

1 試驗概況

1.1 試驗儀器

本試驗采用西南科技大學自行研制的巖土三向膨脹力儀作為試驗儀器。該儀器主要由試樣箱、膨脹應力與應變量測系統、溫度控制系統等組成。該巖土三向膨脹力儀通過透水活塞和主體框架形成4 cm×4 cm×4 cm完全側限的空間，在X,Y,Z方向上活塞桿的另一端安裝測力計，膨脹力通過透水活塞和活塞桿作用到測力計上從而測出在側限情況下膨脹力的大小。透水墊板為銅質并設有小而密的孔洞直接和試樣接觸，可以起透水石的作用也可以傳導膨脹力而不引起變形，透水活塞上亦設有小孔透水。

1.2 試驗方案

試驗用樣取自準格爾旗南坪隧道滑坡滑面處，重塑制樣。按照含水率(質量分數，下同)10%，12.5%，15%分別制備干密度1.5，1.6，1.7 g/cm3試樣。將原狀泥頁巖在105 ℃下恒溫烘干，烘干時間不低于8 h，且每小時質量變化不超過0.01 g。用粉碎機粉碎并過2 mm篩，在盤中均勻鋪開，用噴壺噴水，每噴灑適量蒸餾水后攪拌均勻，噴水過程中不斷用電子天平稱量加入蒸餾水的質量，直到目標含水率為止，然后將土中大塊顆粒碾碎裝入密封袋中，放置24 h使水分均勻分布。重塑樣尺寸為4 cm×4 cm×4 cm，由特制的壓樣模具制備而成。為避免試樣壓實不均采取分層壓樣的方法進行壓實，將配置好的土樣分成4份，分為4層壓制，每層壓至高度1 cm，壓板取出后用小刀將表面按井字格劃毛，然后放下一層，以下步驟同上。試樣壓制成型后用千斤頂將試樣從壓樣筒中推出，如圖1所示。

圖1 壓樣筒及壓制成型的試樣Fig.1 The mould and sample

試樣制成后將其放入三向膨脹儀中，然后依次放置濾紙、透水墊板、透水活塞及密封蓋，轉動調節螺栓，施加1 kPa初始壓力，使試樣與儀器各部分緊密接觸。試樣加水后前60 min每隔10 min記錄一次數據，后面每隔60 min記錄一次數據，每隔5～6 h添加適量水，當膨脹力差值每小時小于0.01 kPa時就屬穩定，此時的膨脹力就是試樣的最大膨脹力。

2 試驗結果分析

2.1 膨脹力時程曲線

由實驗結果可知，徑向的兩個膨脹力大致相同，為方便研究豎向力和徑向力的關系本文取徑向兩個膨脹力的平均值為徑向膨脹力。由于各組試驗得出的膨脹力隨時間變化規律曲線的變化趨勢都大致相同，故本文只給出初始含水率12.5%時不同干密度的膨脹力時程曲線進行分析，見圖2。

試樣浸水后，隨時間增長膨脹力迅速增加，在前60 min內，時間與膨脹力大致呈線性關系，而后膨脹力增速逐漸減小，最終膨脹力達到最大值基本保持不變。從圖2中可以看出膨脹力時程曲線大致可分為3個階段：(1)快速膨脹階段，前60 min內3種干密度的膨脹力增長速度極快，曲線接近直線。(2)減速膨脹階段，3種干密度的曲線都呈一段外凸弧線，膨脹力增長速度不斷減小。(3)穩定膨脹階段，試樣充分吸水接近飽和，膨脹基本完成，曲線上升趨勢已經非常平緩，膨脹力變化很小。這種曲線特征是準格爾膨脹泥頁巖的礦物成分和土體結構決定的[12]。

2.2 豎向膨脹力與徑向膨脹力關系

由圖2中曲線可以看出豎向膨脹力總是大于徑向膨脹力，并且豎向膨脹力增長速度大于徑向，達到穩定的時間基本一致。這可以解釋為試樣制備過程中單向壓縮使試樣產生了各向異性即豎向密度大于徑向密度，試樣豎向土顆粒密度較大則其膨脹潛勢也較大，所以表現出來的膨脹力也就越大。制樣過程的單向壓縮過程和回填土的壓實過程是相似的，因此回填壓實的土體也具有各向異性。文獻[10]從微觀結構各向異性的角度討論了單向壓縮試樣產生各向異性的原因。

為更好研究徑向膨脹力和豎向膨脹力的關系，將徑向膨脹力與豎向膨脹力的比值K列于表1中。

圖2 豎向及徑向膨脹力時程曲線Fig.2 Vertical and radial expansive force time curves

從表1可以看出，控制含水率不變時，干密度越大K值越小，說明土體單向壓縮越密實各向異性越明顯。控制干密度不變時，K值隨初始含水率變化不明顯，說明初始含水率對土體各向異性影響不大。

表1 徑向和豎向膨脹力及其比值KTable 1 Vertical and radial expansive force and ratio K

2.3 豎向膨脹力與干密度關系

圖3為初始含水率ω=12.5%時不同干密度的豎向膨脹力時程曲線，從圖3可以看出，干密度越大豎向膨脹力越大。豎向膨脹力隨干密度增大而增大的現象可以理解為：干密度越大則相同體積的土顆粒也越多，試樣膨脹潛勢也就越大。值得注意的是干密度達到1.7 g/cm3時豎向膨脹力遠遠大于干密度1.5,1.6 g/cm3時的豎向膨脹力。

圖4為不同初始含水率下干密度與豎向膨脹力的關系曲線，可以用指數函數表示為：

Pz=aebρd

(1)

其中：Pz為豎向膨脹力，ρd為干密度，ω為初始含水率，a,b為擬合參數。擬合參數見表2。

圖3 豎向膨脹力時程曲線Fig.3 Vertical expansion force-time curves

圖4 豎向膨脹力與干密度的關系Fig. 4 Relationship between vertical expansive force and dry density

以干密度1.6 g/cm3為界限，當干密度大于1.6 g/cm3時，減小干密度可有效減小豎向膨脹力，當干密度小于1.6 g/cm3時，減小干密度對降低豎向膨脹力作用不明顯。

表2 干密度與豎向膨脹力擬合參數Table 2 Fitting parameters with dry density and vertical expansive force

根據表2所列數據進行回歸分析，得到初始含水率和擬合參數a,b的回歸關系式見表3。由此可以得出豎向膨脹力與干密度及初始含水率的關系式：

Pz=(1.47×10-3+2.28×10-4ω)e(7.652-0.054ω)ρd

(2)

其中：PZ為豎向膨脹力，ω為初始含水率，ρd為干密度。

表3 初始含水率與擬合參數的回歸關系式Table 3 The formulas of initial moisture content and fitting parameter

2.4 豎向膨脹力與初始含水率關系

由表1數據作出不同干密度下初始含水率與豎向膨脹力關系曲線，見圖5。從圖5可以看出當控制干密度不變時，豎向膨脹力隨初始含水率增大而減小，并且呈線性關系。對曲線進行回歸分析得到如下公式：

Pz=c+dω

(3)

其中：Pz為豎向膨脹力，ω為初始含水率，c,d為擬合參數。擬合參數見表4。

圖5 豎向膨脹力與初始含水率的關系Fig.5 Relationship between vertical expansive force and initial moisture content

干密度/g·cm-3擬合參數及相關系數cdR21.5251.66-5.7640.9971.6395.73-9.6250.9991.7931.98-25.1250.981

從表4可以看出干密度越大時，初始含水率與豎向膨脹力關系的回歸分析式斜率絕對值越大，說明干密度越大，膨脹力隨初始含水率的變化速率就越大，并且曲線呈線性增長。

3 結論

(1)經過單向壓縮的重塑樣存在各向異性，徑向膨脹力與豎向膨脹力比值K小于1說明豎向膨脹力大于徑向膨脹力，隨著干密度增大K值變大說明各向異性更加顯著。(2)膨脹力隨干密度增大呈指數增大，隨初始含水率增大呈線性減小。給出了豎向膨脹力與初始含水率和干密度的關系式，可為相關工程的穩定分析提供依據。(3)干密度越大，膨脹力隨初始含水率的變化速率就越大，即干密度越大時含水率變化對膨脹力的影響就越大。