膨脹性泥巖重塑土膨脹力試驗(yàn)研究

王清洲，孫 超，檀奧龍，魏連雨

(1. 河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401； 2. 交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院 信息中心 北京 100029)

0 引 言

膨脹性泥巖是一種常見的軟巖，其因成分中多含有親水礦物，遇水后會(huì)產(chǎn)生較大的體積變化，造成泥巖崩解。公路工程建設(shè)時(shí)，常常會(huì)經(jīng)過膨脹性泥巖分布區(qū)域，很好地利用這類泥巖填筑路基尤為重要。當(dāng)膨脹性泥巖作為公路路基填料時(shí)，因受干濕循環(huán)作用而影響邊坡穩(wěn)定性[1]。關(guān)于泥巖膨脹性的研究成果較多，季明等[2]研究了泥巖遇水膨脹的時(shí)間效應(yīng)，提出巖石膨脹穩(wěn)定的時(shí)間閾值概念；譚英杰[3]從力學(xué)的角度分析了泥巖的膨脹機(jī)理，建立了泥巖材料應(yīng)力的本構(gòu)關(guān)系，奠定了泥巖的膨脹性的理論基礎(chǔ)；王沖等[4,5]通過原位浸水試驗(yàn)分析了泥巖在不同浸水深度、不同上覆荷載下的膨脹變形量，選擇自由膨脹率、液限、等效蒙脫石含量和陽(yáng)離子交換量等4項(xiàng)指標(biāo)作為模型因子，判斷泥巖膨脹性的強(qiáng)弱；馬麗娜等[6]通過泥巖膨脹力位移試驗(yàn)，得到膨脹力及膨脹位移隨時(shí)間變化的曲線，并對(duì)膨脹力進(jìn)行了有限元分析計(jì)算，得出室內(nèi)膨脹位移計(jì)算公式和膨脹力的反算方法；李杭州等[7]通過固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)，分析了膨脹土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及強(qiáng)度變化特征，指出泥巖中的裂隙是影響泥巖強(qiáng)度的主要因素。上述研究因受到試驗(yàn)規(guī)程要求以及試驗(yàn)儀器的限制，只對(duì)粒徑小于0.5 mm的細(xì)顆粒泥巖重塑土試樣的膨脹力開展測(cè)試和膨脹機(jī)理分析，未反映粗顆粒泥巖作為路基填料時(shí)的膨脹力水平以及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。筆者采用自制的泥巖膨脹力測(cè)試裝置，測(cè)試粒徑小于5 mm的膨脹性泥巖重塑土試件的膨脹力值，通過正交法，對(duì)泥巖重塑土膨脹力的4種影響因素——初始含水率、干密度、環(huán)境水狀態(tài)、預(yù)處理方法——進(jìn)行了敏感性分析，研究了各因素對(duì)泥巖重塑土試件軸向與環(huán)向膨脹力的影響規(guī)律，提出了工程應(yīng)用中泥巖重塑土允許微變形條件下膨脹力的閾值。

1 材料及試驗(yàn)儀器

1.1 泥巖原材料

試驗(yàn)所用的泥巖材料取自河北省承德地區(qū)，主要含石英、鉀長(zhǎng)石、高嶺石等礦物。經(jīng)檢測(cè)，該泥巖干密度ρ=2.42 g/cm3，天然含水率wn=3.83%，塑限wp=22.4%，自由膨脹率e=41.50%。

1.2 泥巖試件制備

1.2.1 不同尺寸、干密度、初始含水率試件制備

將從施工現(xiàn)場(chǎng)取來的泥巖置于溫度為100 ℃的烘箱中烘12 h以上，取出碾碎后通過5 mm圓孔篩。設(shè)計(jì)試件干密度ρ=1.64、1.74、1.84 g/cm3，初始含水率w=8.8%、10.8%、12.8%，按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》分別制備φ=H=50、100 mm的圓柱體試件，共18組(表1)，然后進(jìn)行膨脹力測(cè)試。

表1 試件編號(hào)

1.2.2 不同環(huán)境水配制及試件處理

1.2.3 試件預(yù)處理

借鑒楊建林等[9]、劉曉明等[10]的研究結(jié)果，筆者先采用3種預(yù)處理方法對(duì)泥巖重塑土進(jìn)行預(yù)處理：摻加5%的水泥，對(duì)泥巖預(yù)崩解1次，對(duì)泥巖預(yù)崩解7次；然后制備試件進(jìn)行膨脹力測(cè)試。

1.3 試驗(yàn)儀器

借鑒李海濤等[11]的無擾動(dòng)、可控制飽和的膨脹力測(cè)試裝置，基于平衡加壓法，自行設(shè)計(jì)了一種測(cè)量大粒徑泥巖重塑土試件的膨脹力試驗(yàn)裝置(圖1)，該裝置可同時(shí)測(cè)量試樣軸向膨脹力Pax與環(huán)向膨脹力Pcir。環(huán)刀護(hù)座與透水石的作用是為裝置提供一個(gè)固定體積的環(huán)境。Pax由上部壓力環(huán)進(jìn)行測(cè)試，Pcir由RFP薄膜壓力傳感器(其厚度小于0.2 mm)進(jìn)行測(cè)試。

圖1 自制膨脹力測(cè)試裝置

2 膨脹力測(cè)試

2.1 軸向/環(huán)向膨脹力測(cè)試

1)將待測(cè)試件置于測(cè)試裝置中，安裝好透水石和壓力環(huán)，沿著注水口將適量的蒸餾水，通過透水石均勻的注入泥巖重塑土試件中，如圖1(b)。保持裝置內(nèi)的水面始終高出試件5 mm。全程觀測(cè)千分表的讀數(shù)變化。

2)當(dāng)試件開始膨脹時(shí)，每隔2 min記錄一次壓力環(huán)讀數(shù)即Pax，同時(shí)記錄RFP薄膜壓力傳感器數(shù)值即Pcir。當(dāng)壓力環(huán)讀數(shù)和RFP薄膜壓力傳感器顯示數(shù)值不再發(fā)生變化時(shí)，停止試驗(yàn)。

2.2 允許微變形條件下軸向/環(huán)向膨脹力測(cè)試

為減少膨脹泥巖對(duì)路面路基結(jié)構(gòu)的破壞作用，工程實(shí)踐中常設(shè)置柔性墊層或柔性支護(hù)來緩解膨脹力[12]。為探究柔性支護(hù)或墊層在不同變形情況下可能受到的最大膨脹力，筆者選擇ρ=1.84 g/cm3，w=8.8%的泥巖重塑土試件進(jìn)行膨脹力測(cè)試。根據(jù)GB 50112—2013《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》，泥巖重塑土試件的軸向最大允許變形高度h=40 mm，微變形量為l，單位mm，則泥巖允許微變形率Δ=l/h×100%。

將泥巖重塑土試件浸入 pH=9的模擬地下水中，浸泡2 h后，分別測(cè)試Δ=0%、1%、2%、3%、4%、5%條件下試件的Pax和Pcir。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試件尺寸、干密度、初始含水率的影響

18組泥巖重塑土試件軸向膨脹力Pax的測(cè)試結(jié)果如圖2。

圖2 軸向膨脹力測(cè)試值

由圖2可見：

1)φ=H=100 mm試件的Pax較φ=H=50 mm的小約7.56%～26.01%。分析原因：由于試件尺寸越大，泥巖顆粒間的孔隙越多且不均勻，浸水后產(chǎn)生的軸向膨脹力因顆粒間的孔隙而抵消一部分，所以，測(cè)得的Pax相對(duì)較小。

2)2種尺寸試件的Pax均隨著w的增加而降低，隨著ρ的增大而增大。

3.2 膨脹力影響因素敏感性分析

選擇初始含水率w、干密度ρ、環(huán)境水狀態(tài)、預(yù)處理方法4種影響因素，分別記為因素A、因素B、因素C和因素D，采用正交試驗(yàn)，進(jìn)行膨脹力影響因素敏感性分析。4因素、4水平正交設(shè)計(jì)見表2，16組泥巖重塑土試件的Pax和Pcir測(cè)試結(jié)果見表3。

表2 因素水平

表3 正交L16 (33×41)

各因素的效應(yīng)估計(jì)平均值ψ為某一因素下的Pax或Pcir的總和除以各因素水平個(gè)數(shù)。因此，可計(jì)算出表3中每一組試件的Pax、Pcir在各個(gè)因素、不同水平下的效應(yīng)估計(jì)平均值，及同一因素下、不同水平的效應(yīng)估計(jì)平均值的最大與最小值之差，即級(jí)差。計(jì)算結(jié)果如表4。

由表4可見：

1)影響泥巖重塑土試件Pax和Pcir的主要因素為因素B(干密度ρ)與因素D(預(yù)處理方法)，因素A(初始含水率w)與因素C(環(huán)境水狀態(tài))為次要因素。

2)試件的Pcir/Pax=0.354～0.691，表明泥巖重塑土試件具有各向異性。原因是試件制作中采用軸向靜壓方式，使得泥巖中具有膨脹性的高嶺石以垂直于軸向壓力的方向排列，因此，Pax較大。

表4 計(jì)算結(jié)果

3)經(jīng)預(yù)處理過的泥巖重塑土試件膨脹力均有所減小，其中摻加5%水泥的泥巖重塑土試件Pcir衰減達(dá)到80%，預(yù)崩解處理的泥巖重塑土的Pcir衰減40%～70%，預(yù)崩解7次與預(yù)崩解1次相比，泥巖重塑土試件的Pcir更小。

4)堿性模擬地下水對(duì)泥巖重塑土試件Pax和Pcir的影響最大，其Pax比經(jīng)蒸餾水浸泡的大1.4～1.9倍；酸性模擬雨水中浸泡的泥巖重塑土試件Pax和Pcir與蒸餾水浸泡的基本一致。因此，在實(shí)際施工過程中，采用堿性水溶液對(duì)泥巖進(jìn)行預(yù)崩解能大幅度消減泥巖的膨脹性能。

3.3 堿性模擬地下水對(duì)軸向膨脹力的影響規(guī)律

圖3為經(jīng)堿性模擬地下水及蒸餾水浸泡試件的Pax與其干密度ρ、初始含水率w的關(guān)系折線。

由圖3可見：

1)w相同時(shí)，經(jīng)堿性模擬地下水浸泡的泥巖重塑土試件的Pax比經(jīng)蒸餾水浸泡的大；無論是堿性模擬地下水還是蒸餾水浸泡，試樣的Pax均隨著w的增大而增大。

2)ρ相同時(shí)，經(jīng)堿性模擬地下水浸泡的泥巖重塑土試件的Pax比經(jīng)蒸餾水浸泡的大；堿性模擬地下水和蒸餾水浸泡的Pax折線對(duì)應(yīng)相鄰兩點(diǎn)連線的斜率相近，表明Pax的增幅受w的影響不明顯。

3)當(dāng)w相同時(shí)，Pax隨著ρ的增大而急劇增大。原因是：泥巖在堿性模擬地下水中浸泡時(shí)，由于離子交換與雙電層擴(kuò)散作用，擴(kuò)散層變薄，顆粒間斥力變大，而試件體積不變，因此需要更大的外部荷載才能使顆粒孔隙體積減少，導(dǎo)致經(jīng)堿性模擬地下水浸泡的泥巖重塑土試件Pax比經(jīng)蒸餾水浸泡的大。

4)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，相較于經(jīng)蒸餾水浸泡處理，經(jīng)過堿性模擬地下水浸泡的泥巖重塑土試件的Pax大1.4～1.9倍，其中ρ=1.84 g/cm3，w=8.8%試件的Pax最大。

圖3 泥巖重塑土試件分別浸泡在蒸餾水和堿性模擬地下水后的軸向膨脹力測(cè)定值

3.4 允許微變形率Δ對(duì)膨脹力的影響規(guī)律

允許微變形率Δ=0%、1%、2%、3%、4%、5%時(shí)，試件Pax、Pcir的測(cè)試結(jié)果及擬合曲線如圖4。

圖4 允許微變形率Δ與Pax、Pcir的關(guān)系曲線

由圖4可見：Pax、Pcir隨著Δ的增加而減小。相較于初始狀態(tài)，當(dāng)Δ=1%時(shí)，Pax下降了22.1%，Pcir下降了18.9%；當(dāng)Δ=5%時(shí)，Pax下降了72.5%，Pcir下降了53.9%。表明提高允許微變形率Δ可有效減小泥巖重塑土膨脹力。

綜上，在使用泥巖等膨脹性巖土作為路基填筑材料時(shí)，采取允許變形量大的柔性擋墻或級(jí)配碎石墊層將泥巖路基與基層隔開，可起到緩沖泥巖路基膨脹的作用。

4 結(jié) 論

筆者利用自制的可測(cè)試不同直徑的泥巖重塑土膨脹力測(cè)試裝置，對(duì)承德101國(guó)道沿線泥巖重塑土試件進(jìn)行了膨脹力測(cè)試，研究泥巖重塑土試件的初始含水率w、干密度ρ、環(huán)境水狀態(tài)、預(yù)處理方法等 4 種因素對(duì)泥巖重塑土膨脹力的影響程度，分析了允許微變形率Δ對(duì)試件軸向膨脹力Pax及環(huán)向膨脹力Pcir的影響規(guī)律。得到以下主要結(jié)論：

1)泥巖重塑土試件的Pax隨試件尺寸增大而減小。φ=H=100 mm試件的Pax較φ=H=50 mm試件的減小約7.56%～26.01%。

2)預(yù)處理方法中，摻加5%水泥可以削減約80%的Pcir；預(yù)崩解處理可以削減40%～70%的Pcir；預(yù)崩解次數(shù)越多，Pcir越小。

3)堿性模擬地下水對(duì)泥巖重塑土試件Pax及Pcir的影響最大。經(jīng)過堿性模擬地下水浸泡的Pax比經(jīng)蒸餾水浸泡的增大了1.4～1.9倍；經(jīng)酸性模擬雨水浸泡的Pax、Pcir與經(jīng)蒸餾水浸泡的基本一致。

4)提高Δ可以有效地減小Pax和Pcir。