紅層泥質(zhì)巖干濕循環(huán)下的變形特性試驗研究

李凱甜， 鄧榮貴， 文琪鑫， 潘玉杰

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

1 概述

紅層泥質(zhì)巖作為一種工程性質(zhì)較差的軟質(zhì)巖，具有易風(fēng)化、易崩解的特性。紅層泥質(zhì)中富含的礦物成分包括石英、云母、高嶺石等粘性土礦物[1,2]，具有一定的膨脹性，尤其對于風(fēng)化后的泥巖，其內(nèi)部產(chǎn)生較多裂隙，吸水性顯著增強。西南地區(qū)紅層泥質(zhì)巖分布廣泛，主要以侏羅系和白堊系地層為主，本文中泥質(zhì)巖是指砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖和泥巖的總稱。四川盆地紅層泥質(zhì)巖分布區(qū)建成的成都至重慶高速鐵路、西安至成都高速鐵路、成都至達州快速鐵路和在建的成都至貴陽高速鐵路，多個深挖路塹路基和隧道底部路基地段自聯(lián)調(diào)和運營變形監(jiān)控開始，出現(xiàn)了至今持續(xù)數(shù)年的上拱變形，尚無收斂穩(wěn)定的跡象，這是是普速鐵路不被引起注意的現(xiàn)象，致使動車降速至200～80 km/s運行，待弄清路基持續(xù)上拱變形的原因和徹底根治處理后恢復(fù)設(shè)計速度運行。泥質(zhì)巖路基如此長期持續(xù)上拱變形是路基泥質(zhì)巖“開挖卸荷-吸水(風(fēng)化)-膨脹變形累積”為主，還是“卸荷-流變(模型及參數(shù)劣化)-蠕變累積”為主或者兩者的占比，以及路基上拱變形的時間過程特征尚無定論，為盡快解決高速鐵路降速和安全隱患問題，本試驗研究即為配合相關(guān)研究工作進行的泥質(zhì)巖原狀試樣干濕循環(huán)膨脹變形特性試驗研究。

現(xiàn)階段對紅層泥質(zhì)巖的研究主要表現(xiàn)在其物理力學(xué)特性、膨脹特性兩個方面。王其海等[3]結(jié)合南瀏醴高速公路的實際工程，對紅層泥巖邊坡進行室內(nèi)物理力學(xué)試驗，探究紅層軟巖的物理力學(xué)性能，得到了軟巖在干濕循環(huán)作用下的干燥抗壓強度與飽和抗壓強度隨循環(huán)次數(shù)變化的規(guī)律。魏永幸等[4,5]通過室內(nèi)試驗以及現(xiàn)場試驗對紅層泥巖的工程特性以及變形特性進行了研究，得到了其作為高速鐵路路基填料的適用性。季明等[6]對灰質(zhì)泥巖浸水膨脹變形進行了室內(nèi)試驗研究，并提出巖石膨脹穩(wěn)定的時間閾值。武科等[7]利用改進的收縮儀對膨脹土進行常溫?zé)o荷載情況下的干濕循環(huán)試驗，證明了隨著循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹土孔隙率隨之增大，導(dǎo)致其體積增大。孫得安等[8]對膨脹土進行室內(nèi)干濕循環(huán)試驗，探究了膨脹土濕脹干縮變形隨循環(huán)次數(shù)變化的規(guī)律。胡文靜等[9]通過對重慶地區(qū)紅層泥巖膨脹性的研究發(fā)現(xiàn)，隨豎向荷載增加，膨脹率降低迅速，并且含水量也對泥巖膨脹變形有控制作用。馬麗娜等[10]進行了不同含水率以及不同干密度情況下泥巖的膨脹位移室內(nèi)試驗，發(fā)現(xiàn)泥巖的膨脹位移受原狀泥巖的原始結(jié)構(gòu)影響。大多學(xué)者對重塑土以及膨脹土進行了室內(nèi)膨脹試驗分析研究[11-13]，但是對于原狀泥巖的膨脹特性而言研究較少，而原狀泥巖的內(nèi)部裂隙以及結(jié)構(gòu)嚴重影響了整個泥質(zhì)巖的膨脹以及收縮變形特性，由于泥巖所處地區(qū)的差異性，其力學(xué)特性以及變形特性差別較大，需要根據(jù)具體工程進行實地取樣分析。

本文通過對成渝客運專線某段路基上拱變形處取回的巖樣進行室內(nèi)試驗，探究紅層泥質(zhì)巖在干濕循環(huán)作用下變形特性與循環(huán)次數(shù)以及含水率之間的關(guān)系。試驗?zāi)M路基或邊坡開挖后在有側(cè)向約束狀態(tài)中泥質(zhì)巖在外界條件下經(jīng)歷干濕循環(huán)后所產(chǎn)生的變形特性，以期為西南地區(qū)類似工程提供參考依據(jù)。

2 試樣及試驗

2.1 試樣

試驗所用的紅層泥質(zhì)巖試樣取自成都至重慶客運專線某中間站路基持續(xù)上拱變形地段，顏色偏紫紅色，泥質(zhì)膠結(jié)，具有浸水易崩解、易膨脹的特性?，F(xiàn)場底層結(jié)構(gòu)如圖1所示，為紫紅色泥質(zhì)巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖以及灰綠色泥巖、砂巖交錯分布。鑒于泥巖擾動后易影響其物理力學(xué)特性，在現(xiàn)場取得大塊新鮮紅層泥質(zhì)巖后，用保鮮膜小心包裹，放入有減震泡沫的物流箱運至試驗室，在試驗室加工成直徑為50 mm高度100 mm的標準圓柱形試樣以供后續(xù)試驗使用。

圖1 現(xiàn)場地層結(jié)構(gòu)

2.2 泥質(zhì)巖試樣基本特性

為得到試驗所用泥質(zhì)巖的常規(guī)參數(shù)，除需得到密度以及含水率外，還需對其進行常規(guī)單軸、三軸試驗，得到泥巖試樣的彈性模量、泊松比、粘聚力以及內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)。進行單軸及三軸試驗采用的儀器為MTS815型電液伺服巖石試驗系統(tǒng)。對試驗得到的數(shù)據(jù)進行整理分析得到泥質(zhì)巖基本參數(shù)如表1所示。

表1 泥質(zhì)巖基本參數(shù)

取部分試樣浸水崩解試驗，將崩解后的泥巖碎塊進行篩分，得到干濕循環(huán)前試樣的級配曲線，級配曲線如圖2所示，有圖中數(shù)據(jù)可知試驗中顆粒粒徑小于0.075 mm的顆粒含量占總含量的9.96 %。

圖2 顆粒級配曲線

2.3 干濕循環(huán)變形試驗

干濕循環(huán)試驗采用自制的儀器完成，試驗所用的試樣為加工的直徑50 mm，高度100 mm的標準圓柱形試樣，試驗步驟如下：

(1)加工厚度為3 mm的鋼管對試樣提供側(cè)向約束，鋼管外壁有直徑為10 mm的圓孔4排，共4列，以保證水分能夠充分進入試樣內(nèi)部且不影響鋼管的側(cè)向約束強度；(2)試驗前稱量各試樣的初始質(zhì)量，測量各試樣的尺寸，將試樣外包裹幾層PET膜并固定，試樣與PET膜之間涂抹一層凡士林，以減小側(cè)壁摩阻力，將試樣小心放入入鋼管內(nèi)，使試樣與鋼管之間留下盡可能小的縫隙，保證鋼管對試樣的有效側(cè)向約束。試樣完全放入鋼管內(nèi)，然后挖出鋼管壁圓孔處多余的PET膜，如圖3(a)所示；(3)鋼管外纏繞加熱裝置，使試樣處于一個干熱的環(huán)境中，進行干濕循環(huán)試驗；(4)將試樣放入自制透明容器中如圖3(b)所示，試樣上下分別放置一塊透水石以使水分充分進入試樣，分別對4組不同含水率的試樣進行干濕循環(huán)試驗；(5)干濕循環(huán)試驗過程中對試樣先進行浸水飽和24 h左右，然后用加熱裝置給試樣低溫加熱，加熱時間控制在24 h左右，完成一次干濕循環(huán)。整個過程中用千分表記錄試樣的豎向變形量。按照上述步驟操作對試樣進行6次循環(huán)，以第7次循環(huán)浸水24 h結(jié)束。

(a)置入透水鋼管中的試樣 (b)試驗中試樣 圖3 試驗中的試樣

3 試驗結(jié)果分析

3.1 泥質(zhì)巖浸水與失水單個循環(huán)變形特征分析

在單個干濕循環(huán)試驗中可以發(fā)現(xiàn)，泥質(zhì)巖的膨脹變形曲線相同，失水收縮變化曲線也相同。對每單個循環(huán)下泥質(zhì)巖試樣的變形特性進行分析能夠反映泥質(zhì)巖在浸水以及失水條件下的變形特性。

3.1.1 浸水膨脹變形特征

試樣在干燥收縮以及浸水膨脹過程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，試樣表面以及內(nèi)部產(chǎn)生越來越多的微裂隙，為自由水進入試樣提供了通道。為定量分析試樣在整個循環(huán)過程中的膨脹變形特性，引入膨脹率進行衡量，由于試樣表面有側(cè)向約束，忽略直徑方向的變化量，只考慮豎直方向高度的變化，膨脹率計算如下：

δi為第i次循環(huán)中試樣的膨脹率；hwi為第i次循環(huán)中試樣膨脹變形穩(wěn)定后高度；h0為試樣試驗前的初始高度。對試驗數(shù)據(jù)進行處理，得到各試樣膨脹率隨時間的變化，如圖4所示，其中N表示循環(huán)次數(shù)。

由圖中膨脹率與時間的關(guān)系可以看出，浸水初期膨脹率變化較快且能夠在整個試驗過程中20 %的時間內(nèi)達到90 %以上的變形量，隨后膨脹變形基本保持穩(wěn)定。從各個試樣的膨脹變形曲線來看，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試樣達到穩(wěn)定變形所用的時間逐漸減少，即循環(huán)次數(shù)越多試樣的膨脹變形量越快達到穩(wěn)定。

(a)1#試樣膨脹率時程曲線

(b)2#試樣膨脹率時程曲線

(c)3#試樣膨脹率時程曲線

(d)4#試樣膨脹率時程曲線圖4 各試樣膨脹率時程曲線

圖5 各試樣膨脹率隨循環(huán)次數(shù)變化曲線

繪制各試樣的膨脹率隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線，如圖5所示。從循環(huán)次數(shù)與膨脹率的曲線圖來看，在最初的4個循環(huán)中，膨脹率基本保持線性增長的趨勢，隨后隨著循環(huán)次數(shù)增加逐漸趨于穩(wěn)定。泥質(zhì)巖長期處于浸水膨脹失水收縮的循環(huán)作用下其試樣內(nèi)部產(chǎn)生越來越多的微裂隙，新產(chǎn)生的微裂隙使得巖體顆粒的表面積增加，吸水率增強，膨脹率隨之增加，但是在微裂縫增加到一定程度后，新產(chǎn)生的微裂縫逐漸減少，膨脹率也隨之趨于穩(wěn)定。

3.1.2 失水收縮變形特征

泥質(zhì)巖在失水條件下產(chǎn)生收縮變形，為探究試樣在干濕循環(huán)過程中的失水收縮變形特性，將每次循環(huán)中的收縮量隨時間的變化關(guān)系用圖6中曲線來表示。其中縱坐標為每次失水收縮時產(chǎn)生的變形量，橫坐標為失水收縮的時間。

(a)1#試樣收縮變形時程曲線

(b)2#試樣收縮變形時程曲線

(c)3#試樣收縮變形時程曲線

(d)4#試樣收縮變形時程曲線圖6 收縮變形量時程曲線

由收縮變形時程曲線可以看到，試樣在加熱干燥初期的半個小時左右，由于試樣表面以及內(nèi)部被大量自由水包圍，水分首先吸收熱量蒸發(fā)，試樣在熱脹冷縮的物理作用下變形量會保持短時間不變或者有較緩的上升趨勢。隨著水分的蒸發(fā)減少，試樣開始受熱產(chǎn)生收縮變形，前5 h的收縮變形量已經(jīng)能夠達到總收縮量的90 %以上，隨后變形趨于平緩。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，雖然其變形曲線的形狀相似，但其收縮量隨循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增加。由圖中各試樣的收縮曲線可見，干濕循環(huán)作用導(dǎo)致試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，使結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生裂隙或?qū)е虏糠诸w粒剝落，產(chǎn)生收縮變形。

3.1.3 含水率以及變化速率分析

經(jīng)過多次循環(huán)試驗后，隨著試樣中的裂隙增多其吸水量也逐漸變大，經(jīng)過6次干濕循環(huán)后試樣的含水率相對于之前的初始含水率有所提高，各試樣的初始含水率以及24 h飽水含水率如表2所示。

表2 各試樣參數(shù)

從上表中可以看到，經(jīng)過幾次干濕循環(huán)后試樣的密度均有所減小，且減小值在0.1 g/cm3左右，含水率有所增加，增加值在2 %左右，說明了干濕循環(huán)作用影響了試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使得泥質(zhì)巖的吸水性能有一定提高。

在每個循環(huán)變形過程中，浸水初期變形速率較大使得泥質(zhì)巖膨脹變形量迅速增加，其一個小時的變形速率最高達到了2.06 mm/h，隨后逐漸減小最后基本趨于零，變形速率的變化規(guī)律導(dǎo)致了試樣高度首先快速增長，隨后增長變換最后趨于穩(wěn)定的特點。

3.2 泥質(zhì)巖浸水與失水多個循環(huán)變形特征分析

圖7 為全過程干濕循環(huán)中試樣的變形曲線。由圖中曲線可見，試樣的膨脹變形以及收縮變形與時間的關(guān)系曲線均屬于非線性關(guān)系。試驗過程中發(fā)現(xiàn)，泥質(zhì)巖試樣在浸水時產(chǎn)生快速膨脹變形，尤其在浸水初期階段現(xiàn)象明顯，其最開始一個小時膨脹變形量能夠達到總膨脹變形量的70 %以上。

圖7 整過程變形曲線

對于收縮變形而言，雖然其每次收縮變形量隨循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增加，但是由于浸水時試樣內(nèi)部產(chǎn)生了不可逆的變形，故收縮后的試樣高度并不能還原到失水收縮前的原始高度，這使得試樣的累積變形量越來越大，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，相鄰兩次循環(huán)之間的累積變形量逐漸減小，試樣的累積變形量逐漸趨于穩(wěn)定。

繪制不同含水率情況下試樣在干濕循環(huán)中的變形曲線圖，得到如圖8所示的變形量-時間關(guān)系曲線。對應(yīng)表2中的參數(shù)可知，試樣的初始含水率是影響試樣變形量的原因之一，1#～4#試樣含水率逐漸增加，隨著干濕循環(huán)試驗的進行，最終泥質(zhì)巖的變形量隨初始含水率的增加而增加，含水率較大的4#試樣在經(jīng)過6次干濕循環(huán)試驗后變形量最大。

圖8 不同含水率變形量-時間曲線

4 結(jié)論

(1)紅層泥質(zhì)巖具有浸水膨脹失水收縮的變形特性，尤其是在外界環(huán)境的干濕循環(huán)條件下，變形特性更是明顯。

(2)在每個循環(huán)過程中，泥質(zhì)巖的膨脹變形量以及收縮變形量隨循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增加，且在浸水膨脹變形與失水收縮變形循環(huán)初期，泥質(zhì)巖的變形速率均呈現(xiàn)由大到小最后趨近與零的規(guī)律。

(3)紅層泥質(zhì)巖在干濕循環(huán)條件下逐漸產(chǎn)生不可逆的變形累積，導(dǎo)致泥質(zhì)巖產(chǎn)生較大的凈膨脹量，且最終膨脹量與泥質(zhì)巖的初始含水率有一定的關(guān)系，即隨初始含水率的增加而增大。