泥巖路基填料抗剪性能實(shí)驗(yàn)研究

楊君磊，王 淼，韓佰恩，呂國(guó)偉，陳雯雯

(1.山東省路橋集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南 250357; 2.濟(jì)南科技學(xué)校,山東 濟(jì)南 250014)

1 概述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)大動(dòng)脈的公路鐵路，其發(fā)展就變得至關(guān)重要了[1]。就公路路基填料而言，為達(dá)到公路路基強(qiáng)度要求，路基填料應(yīng)盡量選取集配良好的碎石等優(yōu)質(zhì)填料或級(jí)配不好的碎石、砂等良好填料，但是由于現(xiàn)場(chǎng)施工條件以及經(jīng)濟(jì)條件等原因，全部使用優(yōu)質(zhì)填料不現(xiàn)實(shí)，因此必須考慮級(jí)配不好的細(xì)砂等一般填料即黏土等劣質(zhì)填料[2-3]。泥巖是一種在天然狀態(tài)下結(jié)構(gòu)完整、巖質(zhì)堅(jiān)硬、強(qiáng)度較高的軟巖，但是在降雨入滲等因素影響下，泥巖填料在短時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)生軟化、崩解等，泥巖填料路基邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨之降低，由于其自身的不穩(wěn)定性，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)其開(kāi)展針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)研究，獲得了其弱膨脹、抗蝕等諸多變化規(guī)律[4-11]，為工程應(yīng)用提供了詳實(shí)的依據(jù)。為獲取泥巖填料在不同含水率以及壓實(shí)度情況下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，為其路用性能設(shè)計(jì)提供詳實(shí)參數(shù)，本文采用MTS三軸試驗(yàn)，采取三軸固結(jié)不排水方法獲得泥巖填料在不同含水率以及壓實(shí)度情況下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，并擬合了其變化規(guī)律，為后續(xù)泥巖調(diào)料路用性能及泥巖邊坡穩(wěn)定性能提供數(shù)據(jù)支撐。

2 實(shí)驗(yàn)方案

泥巖路基填料擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果表明，試件在P5=80%時(shí)的最佳含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為9.0%，最大干密度為2.18 g/cm3。因此，本文采用P5含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為80%的顆粒級(jí)配進(jìn)行試驗(yàn)，主要獲得不同含水率、不同壓實(shí)度條件下泥巖填料試件的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，變量條件確定為含水率、壓實(shí)度與圍壓。在圍壓分別為50 kPa,100 kPa,150 kPa的情況下制定如下試驗(yàn)方案：1)保持最佳含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))9.0%前提下，泥巖填料分別控制在90%,92%,94%,96%,98%壓實(shí)度制件。2)保持壓實(shí)度90%前提下，泥巖填料含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別按照9.0%,11.0%,13.0%,15.0%,17.0%制件。具體實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。

表1 三軸實(shí)驗(yàn)方案表

2.1 試驗(yàn)儀器

本次試驗(yàn)采用MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)作為三軸試驗(yàn)的試驗(yàn)儀器，MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)可以進(jìn)行壓縮、彎曲、拉伸等眾多靜態(tài)試驗(yàn)，甚至還可以做疲勞和蠕變?cè)囼?yàn)，且適用于各種材料。MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)共有三種控制模式，分別為位移控制、載荷控制和應(yīng)變控制；MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)主要由四部分組成，包括驅(qū)動(dòng)裝置、壓力室、輔助裝置(氣壓泵、油泵等)以及MTS Test Star 11s控制器。

2.2 試驗(yàn)步驟

1)制件。本次試驗(yàn)所用泥巖填料試件采用分層壓實(shí)法進(jìn)行制備，在自制模具中進(jìn)行壓實(shí)，按壓實(shí)度要求計(jì)算每層需要的泥巖填料質(zhì)量，每層壓實(shí)厚度為50 mm，共計(jì)4層，試件總高度為200 mm,直徑為100 mm。壓實(shí)結(jié)束后，采用手動(dòng)脫模儀將試件取出，并用保鮮膜密封備用，具體壓實(shí)、脫模方法見(jiàn)圖1。

2)試件安裝。將套有橡膠膜的泥巖填料試件垂直放置到壓力室底板上，用橡膠圈將其固定，將位移傳感器安裝在泥巖填料試件兩側(cè)，將壓力室的玻璃罩放下，調(diào)節(jié)伸縮桿的長(zhǎng)度，使其與泥巖填料試件剛好接觸，向壓力室內(nèi)崩入硅油至沒(méi)過(guò)泥巖填料試件頂面后關(guān)閉進(jìn)油閥。檢查儀器設(shè)備無(wú)錯(cuò)誤提示之后，安裝結(jié)束。

3)加載。向安裝好的壓力室內(nèi)通入空氣至預(yù)定圍壓，在預(yù)定圍壓下進(jìn)行預(yù)壓，泥巖填料試件預(yù)壓采用的初始軸向靜荷載大小與圍壓相同，加載方式采用位移控制式，加載速度為0.01 mm/h。達(dá)到要求時(shí)停止加載，整個(gè)過(guò)程不允許試件排水。待固結(jié)穩(wěn)定后，逐漸增加軸向壓力σ1，使試件在不排水的條件下受力直至發(fā)生破壞。試驗(yàn)結(jié)束后，將泥巖填料試件取出，得到如圖2所示試件，由圖2發(fā)現(xiàn)試件在荷載的作用下由中部位置開(kāi)始向外凸起，從而使得泥巖填料試件發(fā)生變形破壞。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

(1)

其中，σ1，σ3分別為大、小主應(yīng)力，kPa；α，β均為試驗(yàn)參數(shù)，與圍壓及含水率等有關(guān)；根據(jù)摩爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則表達(dá)式，如式(2)所示：

(2)

其中，σ1，σ3分別為大、小主應(yīng)力，kPa；c為土的黏聚力，kPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)。

τ=σtanφ+c

(3)

其中，τ為試件的抗剪強(qiáng)度，kPa；σ為試件剪切滑動(dòng)面上的法向應(yīng)力，kPa；c為泥巖填料的黏聚力，kPa；φ為泥巖填料的內(nèi)摩擦角，(°)。

泥巖填料的黏聚力c為剪切應(yīng)力與垂直法向應(yīng)力關(guān)系曲線的截距，泥巖填料的內(nèi)摩擦角φ為剪切應(yīng)力與垂直法向應(yīng)力關(guān)系曲線的傾角。

3.1 不同含水率情況下泥巖填料抗剪指標(biāo)變化規(guī)律

泥巖填料壓實(shí)度為90%時(shí)，不同含水率情況下泥巖填料的莫爾應(yīng)力圓和強(qiáng)度包絡(luò)線如圖3所示。

根據(jù)圖3得到不同含水率情況下泥巖填料的內(nèi)摩擦角與黏聚力如表2所示。

表2 不同含水率情況下泥巖填料的強(qiáng)度參數(shù)

由表2可知，泥巖填料黏聚力隨著其含水率的增加呈現(xiàn)持續(xù)減小趨勢(shì)。泥巖填料含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))由9.0%增加至17.0%，填料的黏聚力由71.31 kPa降低至35.88 kPa，降低率達(dá)47%；與黏聚力一致，泥巖填料內(nèi)摩擦角隨著其含水率的增加同樣呈現(xiàn)持續(xù)減小趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著含水率增大，泥巖填料的內(nèi)摩擦角由24.51°降低至15.56°，降低率達(dá)36.5%。

為進(jìn)一步明確泥巖填料含水率對(duì)黏聚力及內(nèi)摩擦角的影響，獲得泥巖填料黏聚力和內(nèi)摩擦角隨含水率的變化規(guī)律，對(duì)不同含水率條件下的黏聚力和內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線進(jìn)行擬合研究，擬合曲線如圖4,圖5所示。

擬合獲得的泥巖填料含水率與黏聚力之間的線性關(guān)系符合式(4)，含水率與內(nèi)摩擦角之間的線性關(guān)系符合式(5)。

(4)

其中，c為泥巖填料黏聚力，kPa；ω為泥巖填料含水率，%；R為相關(guān)系數(shù)。

(5)

其中，φ為泥巖填料內(nèi)摩擦角,(°)；ω為泥巖填料含水率,%；R為相關(guān)系數(shù)。

3.2 不同壓實(shí)度情況下泥巖填料抗剪指標(biāo)變化規(guī)律

泥巖填料處于最佳含水率狀態(tài)下，不同壓實(shí)度情況下泥巖填料的莫爾應(yīng)力圓和強(qiáng)度包絡(luò)線如圖6所示。

由圖6莫爾應(yīng)力圓剪切破壞可以獲得泥巖填料含水率保持在最佳含水率不變時(shí)，不同壓實(shí)度情況下泥巖填料的黏聚力及內(nèi)摩擦角如表3所示。

表3 不同壓實(shí)度情況下泥巖填料的強(qiáng)度指標(biāo)

研究結(jié)果表明：隨著泥巖填料壓實(shí)度由90%增加至98%，泥巖填料黏聚力由71.31 kPa增加至95.87 kPa，增長(zhǎng)率為34%，而泥巖填料內(nèi)摩擦角基本維持在24°～25°之間保持不變，因此，在研究泥巖填料壓實(shí)度對(duì)其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響時(shí)，忽略內(nèi)摩擦角。

為更加清晰地研究泥巖填料壓實(shí)度對(duì)其黏聚力的影響，對(duì)泥巖填料壓實(shí)度及黏聚力的變化進(jìn)行擬合分析，得到泥巖填料壓實(shí)度與其黏聚力的擬合曲線如圖7所示。

在泥巖填料含水率保持不變的情況下，隨著其壓實(shí)度的增加，泥巖填料的黏聚力逐漸增加并表現(xiàn)出明顯的線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，對(duì)泥巖填料試件壓實(shí)度與黏聚力的關(guān)系進(jìn)行擬合分析，獲得了同一含水率情況下泥巖填料黏聚力隨其壓實(shí)度的增加呈如式(6)所示趨勢(shì)。

c=2.776K-179.5
R=0.912 37

(6)

其中，c為泥巖填料的黏聚力，kPa；K為泥巖填料的壓實(shí)度，%；R為相關(guān)系數(shù)。

4 結(jié)論

不同含水率情況下泥巖填料抗剪指標(biāo)變化規(guī)律表明：泥巖填料黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨著其含水率的增加呈現(xiàn)持續(xù)減小趨勢(shì)。隨著泥巖填料含水率的增加，泥巖填料試件內(nèi)顆粒之間的薄膜水逐漸變厚，從而導(dǎo)致顆粒之間的黏結(jié)能力逐漸降低；隨著泥巖填料含水率的增加，泥巖填料試件內(nèi)部的自由水逐漸增加，而自由水的出現(xiàn)會(huì)使泥巖填料試件內(nèi)部中的膠結(jié)物質(zhì)溶解，從而進(jìn)一步降低了泥巖顆粒之間的吸力，導(dǎo)致泥巖填料的黏聚力隨著其含水率的增加而逐漸降低；泥巖填料試件內(nèi)部的自由水隨之增加，使得泥巖填料顆粒之間在發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的摩擦力降低，進(jìn)而導(dǎo)致泥巖填料的內(nèi)摩擦角隨著其含水率的增加而逐漸降低。

不同壓實(shí)度情況下泥巖填料抗剪指標(biāo)變化規(guī)律表明：隨著其壓實(shí)度的增加，泥巖填料的黏聚力逐漸增加并表現(xiàn)出明顯的線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，但內(nèi)摩擦角基本保持不變。隨著泥巖填料壓實(shí)度逐漸增加，泥巖填料試件主體之間的孔隙比逐漸降低，直接導(dǎo)致試件內(nèi)部顆粒的間距逐漸減小，土體更加密實(shí)，顆粒之間能夠接觸的點(diǎn)增多，從而增加了泥巖填料顆粒之間的黏結(jié)力；由于泥巖填料試件內(nèi)部孔隙比的減小，使得泥巖顆粒之間更加密實(shí)，孔隙之間的流通性降低，導(dǎo)致顆粒之間公用的水化膜逐漸形成結(jié)合水致使顆粒之間的黏結(jié)力增大，泥巖填料試件內(nèi)部的自由水逐漸轉(zhuǎn)化為弱結(jié)合水，泥巖填料的黏聚力增大。