泥巖路基填料抗剪性能實驗研究

楊君磊，王 淼，韓佰恩，呂國偉，陳雯雯

(1.山東省路橋集團有限公司,山東 濟南 250357; 2.濟南科技學校,山東 濟南 250014)

1 概述

隨著我國經濟的快速發展，作為我國經濟大動脈的公路鐵路，其發展就變得至關重要了[1]。就公路路基填料而言，為達到公路路基強度要求，路基填料應盡量選取集配良好的碎石等優質填料或級配不好的碎石、砂等良好填料，但是由于現場施工條件以及經濟條件等原因，全部使用優質填料不現實，因此必須考慮級配不好的細砂等一般填料即黏土等劣質填料[2-3]。泥巖是一種在天然狀態下結構完整、巖質堅硬、強度較高的軟巖，但是在降雨入滲等因素影響下，泥巖填料在短時間內會發生軟化、崩解等，泥巖填料路基邊坡穩定安全系數隨之降低，由于其自身的不穩定性，國內許多學者對其開展針對性的實驗研究，獲得了其弱膨脹、抗蝕等諸多變化規律[4-11]，為工程應用提供了詳實的依據。為獲取泥巖填料在不同含水率以及壓實度情況下的抗剪強度指標，為其路用性能設計提供詳實參數，本文采用MTS三軸試驗，采取三軸固結不排水方法獲得泥巖填料在不同含水率以及壓實度情況下的抗剪強度指標，并擬合了其變化規律，為后續泥巖調料路用性能及泥巖邊坡穩定性能提供數據支撐。

2 實驗方案

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

表1 三軸實驗方案表

2.1 試驗儀器

本次試驗采用MTS萬能試驗機作為三軸試驗的試驗儀器，MTS萬能試驗機可以進行壓縮、彎曲、拉伸等眾多靜態試驗，甚至還可以做疲勞和蠕變試驗，且適用于各種材料。MTS萬能試驗機共有三種控制模式，分別為位移控制、載荷控制和應變控制；MTS萬能試驗機主要由四部分組成，包括驅動裝置、壓力室、輔助裝置(氣壓泵、油泵等)以及MTS Test Star 11s控制器。

2.2 試驗步驟

1)制件。本次試驗所用泥巖填料試件采用分層壓實法進行制備，在自制模具中進行壓實，按壓實度要求計算每層需要的泥巖填料質量，每層壓實厚度為50 mm，共計4層，試件總高度為200 mm,直徑為100 mm。壓實結束后，采用手動脫模儀將試件取出，并用保鮮膜密封備用，具體壓實、脫模方法見圖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，將壓力室的玻璃罩放下，調節伸縮桿的長度，使其與泥巖填料試件剛好接觸，向壓力室內崩入硅油至沒過泥巖填料試件頂面后關閉進油閥。檢查儀器設備無錯誤提示之后，安裝結束。

3)加載。向安裝好的壓力室內通入空氣至預定圍壓，在預定圍壓下進行預壓，泥巖填料試件預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。達到要求時停止加載，整個過程不允許試件排水。待固結穩定后，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生破壞。試驗結束后，將泥巖填料試件取出，得到如圖2所示試件，由圖2發現試件在荷載的作用下由中部位置開始向外凸起，從而使得泥巖填料試件發生變形破壞。

3 實驗結果分析

(1)

其中，σ1，σ3分別為大、小主應力，kPa；α，β均為試驗參數，與圍壓及含水率等有關；根據摩爾-庫侖破壞準則表達式，如式(2)所示：

(2)

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

τ=σtanφ+c

(3)

其中，τ為試件的抗剪強度，kPa；σ為試件剪切滑動面上的法向應力，kPa；c為泥巖填料的黏聚力，kPa；φ為泥巖填料的內摩擦角，(°)。

泥巖填料的黏聚力c為剪切應力與垂直法向應力關系曲線的截距，泥巖填料的內摩擦角φ為剪切應力與垂直法向應力關系曲線的傾角。

3.1 不同含水率情況下泥巖填料抗剪指標變化規律

泥巖填料壓實度為90%時，不同含水率情況下泥巖填料的莫爾應力圓和強度包絡線如圖3所示。

根據圖3得到不同含水率情況下泥巖填料的內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度參數

由表2可知，泥巖填料黏聚力隨著其含水率的增加呈現持續減小趨勢。泥巖填料含水率(質量分數)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47%；與黏聚力一致，泥巖填料內摩擦角隨著其含水率的增加同樣呈現持續減小趨勢，實驗結果表明，隨著含水率增大，泥巖填料的內摩擦角由24.51°降低至15.56°，降低率達36.5%。

為進一步明確泥巖填料含水率對黏聚力及內摩擦角的影響，獲得泥巖填料黏聚力和內摩擦角隨含水率的變化規律，對不同含水率條件下的黏聚力和內摩擦角關系曲線進行擬合研究，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系符合式(4)，含水率與內摩擦角之間的線性關系符合式(5)。

(4)

其中，c為泥巖填料黏聚力，kPa；ω為泥巖填料含水率，%；R為相關系數。

(5)

其中，φ為泥巖填料內摩擦角,(°)；ω為泥巖填料含水率,%；R為相關系數。

3.2 不同壓實度情況下泥巖填料抗剪指標變化規律

泥巖填料處于最佳含水率狀態下，不同壓實度情況下泥巖填料的莫爾應力圓和強度包絡線如圖6所示。

由圖6莫爾應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，不同壓實度情況下泥巖填料的黏聚力及內摩擦角如表3所示。

表3 不同壓實度情況下泥巖填料的強度指標

研究結果表明：隨著泥巖填料壓實度由90%增加至98%，泥巖填料黏聚力由71.31 kPa增加至95.87 kPa，增長率為34%，而泥巖填料內摩擦角基本維持在24°～25°之間保持不變，因此，在研究泥巖填料壓實度對其抗剪強度指標的影響時，忽略內摩擦角。

為更加清晰地研究泥巖填料壓實度對其黏聚力的影響，對泥巖填料壓實度及黏聚力的變化進行擬合分析，得到泥巖填料壓實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，隨著其壓實度的增加，泥巖填料的黏聚力逐漸增加并表現出明顯的線性增長趨勢，對泥巖填料試件壓實度與黏聚力的關系進行擬合分析，獲得了同一含水率情況下泥巖填料黏聚力隨其壓實度的增加呈如式(6)所示趨勢。

c=2.776K-179.5
R=0.912 37

(6)

其中，c為泥巖填料的黏聚力，kPa；K為泥巖填料的壓實度，%；R為相關系數。

4 結論

不同含水率情況下泥巖填料抗剪指標變化規律表明：泥巖填料黏聚力和內摩擦角均隨著其含水率的增加呈現持續減小趨勢。隨著泥巖填料含水率的增加，泥巖填料試件內顆粒之間的薄膜水逐漸變厚，從而導致顆粒之間的黏結能力逐漸降低；隨著泥巖填料含水率的增加，泥巖填料試件內部的自由水逐漸增加，而自由水的出現會使泥巖填料試件內部中的膠結物質溶解，從而進一步降低了泥巖顆粒之間的吸力，導致泥巖填料的黏聚力隨著其含水率的增加而逐漸降低；泥巖填料試件內部的自由水隨之增加，使得泥巖填料顆粒之間在發生相對滑動時所產生的摩擦力降低，進而導致泥巖填料的內摩擦角隨著其含水率的增加而逐漸降低。

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