預崩解炭質(zhì)泥巖路用性能及其基于三軸CT試驗的力學特性

曾鈴，史振寧，付宏淵，何忠明，胡慶國

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預崩解炭質(zhì)泥巖路用性能及其基于三軸CT試驗的力學特性

曾鈴1, 2，史振寧3，付宏淵2, 4，何忠明3，胡慶國3

(1. 長沙理工大學橋梁工程安全控制技術與裝備湖南省工程技術研究中心，湖南長沙，410114；2. 長沙理工大學土木與建筑工程學院，湖南長沙，410114；3. 長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南長沙，410114；4. 現(xiàn)代公路交通基礎設施先進建養(yǎng)技術湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南長沙，410114)

為研究預崩解炭質(zhì)泥巖的路用性能及其在三軸應力條件下的力學特征，利用室內(nèi)基本物理力學實驗與三軸CT同步掃描實驗對其進行試驗研究。研究結果表明：炭質(zhì)泥巖礦物組成主要為伊利石、石英、高嶺石，壓實度是控制回彈模量的主要因素，具有與土相似的性質(zhì)，不同工點所取試樣具有不同的CBR；試件壓實度越高，峰值強度越大，偏應力陡增段CT掃描層CT數(shù)增大速率比應力應變曲線平緩段的大，表明試驗前期試件密度增大速率比試驗后期的大；試驗前，試件具有較多細小孔洞及裂紋，密度存在較大差異，隨著試驗的進行，密度差異性降低，炭質(zhì)泥巖顆粒在圍壓及偏應力的作用下存在擠密、錯動、融合的現(xiàn)象。

預崩解；炭質(zhì)泥巖；路用性能；三軸CT試驗

炭質(zhì)泥巖廣泛分布于我國西南部地區(qū)，是由軟弱灰?guī)r、砂巖、頁巖和頁巖互層等沉積類巖石構成的地質(zhì)體，因沉積巖中多數(shù)富含碳而呈灰黑色，具有遇水易崩解、強度降低、變形增大的特點[1]。在高速公路建設中，該類軟巖常視為不良填料而廢棄。但工程實踐表明，廢棄該類巖石不僅占用大量土地，而且易造成環(huán)境污染?？紤]到經(jīng)濟與環(huán)保，常采用經(jīng)預崩解后的炭質(zhì)泥巖作為路堤填料[2]。目前，關于炭質(zhì)泥巖等軟巖用于路堤填料的相關研究還不多見，目前開展的研究內(nèi)容大多集中在同類型巖石填料崩解過程中顆粒級配的變化和基本物理性質(zhì)上[3?6]，而針對預崩解炭質(zhì)泥巖路堤填料的路用性能以及在三軸條件下的應力變形特征的研究則很少。三軸CT試驗主要從試件的宏觀應力、應變以及內(nèi)部結構的變化這3個方面來共同反映試件在三軸應力下的物理力學性質(zhì)。一些學者對此進行了研究，如：WONG等[7]探討了巖石裂隙發(fā)育程度、顆粒粒度與單軸抗壓強度之間的關系；WU 等[8]利用高倍光學鏡片與掃描電子顯微鏡相結合研究了壓縮過程中砂巖的各向異性損傷的細觀力學演化過程；黃質(zhì)宏等[9]通過三軸CT同步掃描試驗從土的內(nèi)部結構、裂隙發(fā)育、CT圖像、應力?應變曲線等對紅黏土力學特性進行了動態(tài)分析。此外，李廷春等[10?12]利用三軸CT掃描技術對凍土、砂巖等材料在受力條件下的損傷破裂過程進行了研究。基于炭質(zhì)泥巖所具有的特殊物理力學性質(zhì)，本文作者將室內(nèi)常規(guī)試驗與三軸CT實時試驗相結合，進行一些列室內(nèi)試驗，以期從宏-細觀角度對其路用性能及應力?應變特征進行探討。

1 預崩解炭質(zhì)泥巖常規(guī)試驗研究

1.1 炭質(zhì)泥巖化學組成及物理指標

在廣西六寨—河池高速公路炭質(zhì)泥巖路堤工點K18+500和K20+400處取炭質(zhì)泥巖原狀樣，進行室內(nèi)干濕循環(huán)崩解試驗，使其充分預崩解。在崩解試驗過程中，用篩分法記錄崩解后顆粒級配的變化，當2次干濕循環(huán)級配變化較小時則認為預崩解完成。將崩解完成后的炭質(zhì)泥巖試樣進行X線衍射分析，其X線衍射圖譜見圖1，化學成分組成見表1。

(a) K18+500取樣點；(b) K20+400取樣點

表1 取樣點炭質(zhì)泥巖主要礦物成分(質(zhì)量分數(shù))

Table 1 Main mineral compositions of carbon mudstone in sample location %

從表1可以看出：預崩解炭質(zhì)泥巖的礦物組成主要為伊利石、石英、高嶺石，其余各礦物成分質(zhì)量分數(shù)均≤5%。由于高嶺石屬于典型的黏土礦物，因此，經(jīng)預崩解后的炭質(zhì)泥巖填料具有一定的黏性。

對工點K18+500和K20+400預崩解炭質(zhì)泥巖試樣進行基本物理力學試驗，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過預崩解后的炭質(zhì)泥巖與土具有類似的擊實性能，具有最大干密度、最佳含水量等。試驗結果見表2。根據(jù)JTGD 30—2004“公路路基設計規(guī)范”[13]，取樣點各物理力學參數(shù)如表2所示，滿足路堤填料的一般要求。

表2 取樣點炭質(zhì)泥巖基本物理指標

Table 2 Basic physical indexes of carbon mudstone in sample location

1.2 預崩解炭質(zhì)泥巖回彈模量

為了研究預崩解炭質(zhì)泥巖路堤填料回彈模量在多種影響因素下的變化特征，設計一組能夠考慮壓實度、粗顆粒質(zhì)量分數(shù)、干密度變化影響的室內(nèi)回彈試驗方案。由于在實際工程中，路基壓實度基本為93%~96%，因此，設計93%，94%，95%和96%這4種壓實度。將上述3種影響因素進行兩兩正交，以達到考察其上述影響因素對回彈模量影響程度的目的，試驗方案參數(shù)如表3~4所示。在室內(nèi)進行32組不同參數(shù)的回彈模量測試試驗。

表3 壓實度與干密度正交試驗參數(shù)

Table 3 Orthogonal test parameters of compaction and dry density

表4 壓實度與粗粒含量正交試驗參數(shù)

Table 4 Orthogonal test parameters of compaction and coarse-grained content

圖2~5所示為壓實度、干密度、粗粒質(zhì)量分數(shù)與壓實度兩兩正交進行室內(nèi)回彈模量試驗所得的變化規(guī)律及三維關系圖。由圖2和圖4可知：在試驗擬定的方案范圍內(nèi)回彈模量最大值為75.9 MPa，最小值為42.3 MPa，分別對應的是最大壓實度與最大干密度以及最小壓實度與最小干密度影響時的回彈模量，其余各個試驗方案對應的回彈模量在42.3 Pa與75.9 Pa之間按照非線性曲面分布。綜合分析圖2~5可知：干密度、粗粒質(zhì)量分數(shù)、壓實度的增大都在另2個變量一定的條件下引起回彈模量增大，其中由壓實度的變化引起回彈模量變化梯度明顯大于由干密度與粗粒質(zhì)量分數(shù)變化引起的回彈模量梯度。因此，可以推斷壓實度、干密度、粗粒質(zhì)量分數(shù)都是控制炭質(zhì)泥巖路堤填料回彈模量的控制因素，但壓實度則是主控因素，干密度與粗粒質(zhì)量分數(shù)的影響相對較小。

干密度/(g·cm?3)：1—2.00；2—2.05；3—2.10；4—2.15。

圖3 回彈模量與壓實度和干密度之間的關系

壓實度/%：1—93；2—94；3—95；4—96。

圖5 回彈模量與壓實度和粗粒質(zhì)量分數(shù)之間的關系

1.3 預崩解炭質(zhì)泥巖CBR分析

以表2所示試驗參數(shù)為背景分別對取樣點K18+500和K20+400所取巖樣制備壓實度為93%，94%和96%的3組試樣進行CBR試驗，試驗結果如表5所示。由表5可知：K18+500取樣點預崩解炭質(zhì)泥巖試樣CBR為7.5~9.2，膨脹率隨著壓實度的增大而降低，滿足JTG D30—2004“公路路基設計規(guī)范”所規(guī)定的最低值5%。而K20+400取樣點預崩解炭質(zhì)泥巖試樣CBR小于5%，膨脹率隨壓實度的增大而增大，因此，不適宜用作路堤填料。

表5 不同壓實度條件下的CBR與膨脹率

Table 5 CBR and expansion rate under different compaction degrees

通過室內(nèi)常規(guī)試驗可知，預崩解炭質(zhì)泥巖填料具有如下性質(zhì)：1) 崩解試樣礦物成分主要為伊利石、高嶺石、石英，其余各礦物成分質(zhì)量分數(shù)較小，崩解產(chǎn)物遇水具有一定的親水及黏性特征；2) 預崩解炭質(zhì)泥巖具有與土類似的擊實性能，具有最大干密度、最佳含水量等物理指標；3) 壓實度、干密度、粗粒質(zhì)量分數(shù)都是控制炭質(zhì)泥巖路堤填料回彈模量的控制因素，但壓實度則是主控因素，干密度與粗粒質(zhì)量分數(shù)的影響相對較?。?) 預崩解試樣在不同的壓實度下，其CBR與膨脹率是變化的，需通過試驗確定是否滿足規(guī)范要求。

2 三軸條件下的CT掃描試驗

2.1 試驗原理與裝置

在三軸試驗過程中，利用X線對選定的試件橫、縱斷面進行掃描，獲取X線經(jīng)某層面不同物質(zhì)衰減后的信息，再利用計算機進行數(shù)學分析解算，得到試件內(nèi)部截面的CT圖像、CT數(shù)、方差等信息。該技術現(xiàn)已被廣泛應用于材料內(nèi)部組成與結構信息的無損、動態(tài)和定量檢測[14?15]。

本次試驗在中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所材料無損檢測國家重點試驗室進行。試驗采用PHILIPS X線螺旋CT機，空間分辨率為0.35 mm× 0.35 mm，最低掃描層厚度為1 mm，空間可識別體積為0.12 mm3，密度對比分辨率為0.3%。三軸加載裝置示意圖見圖6。

1—應力傳感器；2—試件；3—圍壓進油口；4—傳動進油口；5—固定螺栓；6—油壓傳動裝置；7—移傳感器。

2.2 三軸CT試驗方案及初始條件

將取樣點K18+500所取巖樣經(jīng)預崩解后作為試驗材料。試驗前，利用應變控制試樣機制備成3個壓實度分別為93%，94%和96%的圓柱形試件，定義為試件1、試件2、試件3。試樣直徑與高度分別為 61.8 mm和105 mm。在試驗過程中，其圍壓由高靈敏度液壓控制儀以200 kPa分別施加于試件1~3，使之充分固結。試驗過程以油壓控制裝置采用三軸等應變壓縮，壓縮速率為0.3 mm/min，當試件應變率達到12%時停止試驗。對加載過程中的6個應變時刻點(應變率分別為0，2%，4%，6%，8%和10%)進行同等條件CT掃描，掃描條件見表6。

表6 CT機掃描條件

Table 6 CT scanning conditions

將試件安裝在圖6~7所示的加載裝置中，掃描分為上、中、下3個層位，試件安裝定位及掃描定位線如圖7所示(掃描層5，17和29)。通過動態(tài)三軸CT試驗結果，計算各試驗狀態(tài)試樣的相對密度及通過典型層位CT圖像分析壓實度與試件應力?應變之間的關系，從宏?細觀相結合的方式分析預崩解炭質(zhì)泥巖路堤填料的破壞機理。

圖7 試樣安裝CT圖像和掃描定位線

2.3 試驗結果與分析

預崩解炭質(zhì)泥巖重塑試件偏應力與軸向應變關系曲線如圖8所示。本文只列出各試樣掃描層17的CT數(shù)、CT數(shù)方差與應變之間的關系，見圖9和圖10。典型掃描層CT掃面圖像見圖11。

壓實度/%：1—93；2—94；3—96。

Fig. 8 Relationship between stress and strain of prior crumbling carbonaceous mudstone under pressure of 200 kPa

壓實度/%：1—93；2—94；3—96。

壓實度/%：1—93；2—94；3—96。

應變率/%：(a) 0；(b) 4；(c) 8；(d) 10

從圖8可以看出：在保持圍壓為200 kPa時，隨著偏應力增大，各試件軸向應變迅速增大，試件在偏應力達到一定值后，其應力?應變曲線由陡增階段進入平緩階段。試件1在應變率為8%時偏應力降低明顯，表明試件1破裂失載(由于失載突然，試件橡膠膜破裂，提供圍壓的油進入試件，CT圖像變異較大)。試件2和3的偏應力在應力?應變曲線平緩階段仍然緩慢上升，直到試件變形率達到12%時停止試驗。

掃描層17 CT數(shù)與應變的關系如圖9所示，掃描層17的CT數(shù)方差與應變的關系如圖10所示。從圖9和圖10可以看出：試件在偏應力陡增段，各試件典型掃描層17 CT數(shù)相應地增大，應力?應變曲線進入平緩階段后，CT數(shù)增大速率也隨之放緩。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因為：試件軸向應變率為3%之前，試件主要以顆粒間壓縮擠密為主，橫向膨脹變形為輔，在該階段由顆粒壓縮擠密引起的密度增加量遠大于橫向膨脹變形引起的密度減小量；在試件軸向應變率大于3%后，由試件橫向膨脹變形引起密度減小迅速，而由顆粒壓縮擠密引起的密度增加變緩，因此，在應力?應變曲線進入平緩階段后CT數(shù)變化不明顯。特別地，試件1(壓實度為93%)在應變率達到8%時CT數(shù)出現(xiàn)陡降現(xiàn)象，這是由試件破裂失載造成掃描剖面出現(xiàn)裂紋、橫截面增大導致密度降低引起的。

圖11所示為試件2掃描層17 在試驗過程中的CT圖像。掃描層面在初始狀態(tài)下具有較多細小孔洞及裂紋，密度存在較大差異(白色為高密度區(qū)、黑色為低密度區(qū))，隨著試驗的進行，橫剖面局部顆粒受擠壓密度增加，高密度區(qū)范圍也明顯增大，密度差異在一定程度上有所降低。從圖11可見：在1~4和1~4范圍內(nèi)，局部白色區(qū)域隨著試驗的進行不斷向外擴展，表明試件顆粒在圍壓與偏應力的作用下存在擠密、錯動、融合的現(xiàn)象。

3 結論

1) 在廣西對六寨—河池高速公路炭質(zhì)泥巖路堤工點K18+500和K20+400處所取炭質(zhì)泥巖原狀樣進行預崩解后，其礦物組成主要為伊利石、石英、高嶺石，其余礦物質(zhì)量分數(shù)較少。崩解試樣具有與土類似的擊實性能，具有最大干密度、最佳含水量等物理參數(shù)。壓實度、干密度、粗粒質(zhì)量分數(shù)都是控制炭質(zhì)泥巖路堤填料回彈模量的控制因素，但壓實度則是主控因素，干密度與粗粒質(zhì)量分數(shù)的影響相對較小。不同工點炭質(zhì)泥巖路堤填料具有不同的加州承載比CBR，K18+500處炭質(zhì)泥巖崩解后CBR滿足“公路路堤設計規(guī)范”規(guī)定值，可直接用于93區(qū)路堤填筑。

2) 試件壓實度越高，峰值強度越大。試驗初期，各試件偏應力與軸向應變呈正比例上升的趨勢；試件在偏應力達到一定值后，其應力?應變曲線由陡增階段進入平緩階段，其應力?應變特征與黏土的類似。

3) 在偏應力陡增段，各試件典型掃描層17 CT數(shù)增大明顯；應力?應變曲線進入平緩階段后，CT數(shù)增大速率隨之放緩，表明壓縮試驗前期試件密度增大速率比試驗后期的大。試件在壓縮過程中CT數(shù)方差一直處于降低狀態(tài)，表明掃描層面平均CT數(shù)差異性 降低。

4) 試件在初始狀態(tài)下密度存在較大差異。隨著試驗的進行，橫剖面局部顆粒受擠壓密度增加，同時高密度區(qū)范圍明顯增大。試件顆粒在圍壓與偏應力的作用下存在擠密、錯動、融合的現(xiàn)象。

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(編輯 陳燦華)

Road performance of preliminarydisintegration of carbon mudstone and mechanical characteristics based on CT-Triaxial test

ZENG Ling1, 2, SHI Zhenning3, FU Hongyuan2, 4, HE Zhongming3, HU Qingguo3

(1. Hunan Province Research Center for Safety Control Technology and Equipment of Bridge Engineering,Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China;2. School of Civil Engineering and Architecture, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China;3. School of Traffic and Transportation Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China;4.Co-innovation Center for Advanced Construction and Maintenance Technology of Modem Transportation Infrastructural Facility, Changsha 410114, China)

In order to study the road performance of preliminary disintegration of carbon mudstone and its mechanical characteristics under triaxial stress condition, the indoor basic physical and mechanical test and triaxial computerized tomography were carried out with synchronous scanning test. The results show that the mineral composition of carbon mudstone mainly contains illite, quartz and kaolinite, and CBR is the main factor of controlling the resilient modulus, with the similar properties to earth, the CBR is different at different work sites. Peak strength increases with the increase of compaction degree, and the increase rate of CT number with CT scanning layer in spurt stage of deviatoric stress is greater than that of the smooth stage of stress-strain curve, which reveals the increase rate of test sample density in the early stage is greater than that in the later stage. Before the test, the density of test sample with many fine holes and cracks differs obviously, and the density difference reduces, and carbon mudstone particles have compacting, dislocation and fusion phenomenon under the action of confining pressure and deviatoric stress.

preliminary disintegration; carbon mudstone; road performance; triaxial computerized tomography(CT) test

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.06.029

TU457

A

1672?7207(2016)06?2030?07

2015?08?10；

2015?10?22

國家自然科學基金資助項目(51278067，51508040，51508042，51508079)；湖南省教育廳科學研究重點項目(14A007)；長沙理工大學橋梁工程安全控制技術與裝備湖南省工程技術研究中心開放基金資助項目(14KC04)(Projects(51278067, 51508040, 51508042, 51508079) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(14A007) supported by the Key Project of Science Research of Hunan Department of Education of Hunan Province; Project(14KC04) supported by the Open Fund of Hunan Province Research Center for Safety Control Technology and Equipment of Bridge Engineering, Changsha University of Science & Technology)

曾鈴，博士，從事邊坡工程、路堤穩(wěn)定性等研究；E-mail：zlbingqing3@126.com