紅層軟巖顆粒填料濕化變形規(guī)律試驗研究

雷偉麗

摘 要：為了探究紅層軟巖顆粒填料的濕化變形規(guī)律，依據(jù)單線法及雙線法測定不同濕化應(yīng)力下填料濕化變形。結(jié)果表明：單線法與雙線法所測填料濕化應(yīng)變都隨濕化應(yīng)力的增大先減小后增加；當(dāng)濕化應(yīng)力較小時，單線法所測濕化變形大于雙線法；當(dāng)濕化應(yīng)力較大時，單線法與雙線法所測濕化應(yīng)變曲線存在交叉現(xiàn)象。建議淺層采用單線法，深層采取單線法與雙線法較大值的方式計算紅層軟巖填料濕化變形。

關(guān)鍵詞：濕化變形；單線法；雙線法；紅層軟巖

中圖分類號：U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1000-033X（2017）03-0072-04

Abstract： In order to investigate the law of wetting deformation of granular filler in red bed soft rock， the wetting deformation of filler under different wetting stress was determined by single-line method and double-line method. The results show that the wetting strain of the filler measured by the single-line method and the double-line method decreases first and then increases with the increase of the wetting stress； when the wetting stress is small， the wetting deformation measured by the single-line method is greater than that by the double-line method； when the wetting stress is large， the wetting strain curves measured by the single-line method and the double-line method are crossed. It is suggested that for shallow layer， single-line method is a better choice for the calculation of wetting deformation； for deep layer， the one with bigger value is more applicable.

Key words： wetting deformation； single-line method； double-line method； red bed soft rock

0 引 言

在中國西南、中南等山區(qū)興修公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施時，沿線削挖坡體會產(chǎn)生大量紅層軟巖；鑒于工程投資、工期及材料運(yùn)輸方面的限制，迫使人們考慮使用沿線紅層軟巖粗集料作為填方區(qū)域回填材料。當(dāng)前，諸多學(xué)者[1-6]對紅層軟巖填料壓實、顆粒破碎、崩解及剪切特性、化學(xué)組成及水理性質(zhì)等基本物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，如毛雪松等[7]研究了浸水量、浸水時間對風(fēng)化千枚巖填料路基濕化變形、變形率及回彈模量的影響，認(rèn)為軟巖填料遇水后強(qiáng)度降低，路基存在不均勻沉降變形；杜秦文等[8]采用雙線法探究變質(zhì)軟巖路堤填料濕化變形規(guī)律，指出濕化應(yīng)變大小與豎向偏應(yīng)力與圍壓的比值及填料密度相關(guān)；左元明等[9]認(rèn)為雙線法與單線法所測定粗集料濕化變形存在差異，但未指出差異大?。簧驈V軍等[10]采用單線法、雙線法及修正雙線法探究了硬質(zhì)砂巖堆石料濕化變形，但軟巖填料存在浸水后黏聚力增大、滲透系數(shù)減小的特性，尚不可知此方法是否適用于對軟巖填料濕化變形的研究。

可見，雖然目前已有諸多工程采用紅層軟巖作用填料[11-17]，但對現(xiàn)有紅層軟巖填料濕化變形的研究較少。因此，本文基于雙線法與單線法，采用WG型單杠桿（高壓）固結(jié)儀探究不同應(yīng)力水平下典型紅層軟巖-紫紅泥巖填料的濕化變形規(guī)律，為科學(xué)合理利用紅層軟巖填料提供參考。

1 濕化試驗設(shè)計

在重慶某港區(qū)取開挖出的新鮮紫紅泥巖巖塊作為試驗材料，進(jìn)行密度、含水率等基本物理參數(shù)測定以及單軸抗壓強(qiáng)度測試，結(jié)果見表1。將機(jī)械破碎并初次篩分的泥巖顆粒烘干至恒重后，進(jìn)行震動二次篩分，并按不同粒徑大小密封保存。受試驗儀器限制，采用相似級配法將原級配中粒徑大于5 mm的泥巖顆粒作替換，確定試驗填料級配曲線如圖1所示（其中d為粒徑，單位mm）；試樣初始含水率為8.00%，干密度為1.80 g·cm-3。

在WG型單杠桿（高壓）固結(jié)儀試驗盒上方靜置濕化水頭為25 cm的盛水容器，通過控制管道內(nèi)水流量的形式限制試驗盒內(nèi)水位上升速率為0.3 cm·min-1；待試驗盒水滿停止通水，隨后進(jìn)行泥巖填料濕化試驗。試樣為圓柱體，直徑為79.8 mm，高為20 mm。按快速固結(jié)試驗方法施加各級軸向荷載，其順序為：0、0.012 5、0.025、0.05、0.10、0.20、0.40、0.80、1.60 MPa。各級荷載作用下軸向變形穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)為每小時讀數(shù)不大于0.001 mm；采用精度為0.001 mm的千分表測量各級荷載作用下及濕化過程中試樣的軸向位移。浸水濕化過程需記錄試樣通水后從軸向存在位移開始直至濕化變形穩(wěn)定過程不同時刻試樣的軸向變形，通水前5 min每隔10 s記錄1次，隨后25 min內(nèi)每間隔1 min記錄1次，之后每10 min記錄1次，濕化變形穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)為讀數(shù)相差不大于0.001 mm。

從試驗原理上看，單線法更接近紫紅泥巖填料在實際工程中的濕化效用，但試驗過程復(fù)雜；雙線法試驗流程簡單，但不能呈現(xiàn)濕化過程中填料軸向變形；因此，分別采用單線法與雙線法進(jìn)行不同濕化應(yīng)力下填料濕化試驗。土料在側(cè)限壓縮固結(jié)儀中的應(yīng)力狀態(tài)與工程某一深度土料應(yīng)力狀態(tài)相似，均為三向受壓；依據(jù)試樣軸向荷載順序，定義試樣在某一級荷載作用下軸向變形穩(wěn)定后，下一步將進(jìn)行單線法浸水濕化試驗的軸向應(yīng)力為濕化應(yīng)力。詳細(xì)試驗方案見表2。

2 試驗結(jié)果及分析

試樣由不同粒徑泥巖顆粒按級配曲線配比而成，物質(zhì)組成上為顆粒類材料，因而其強(qiáng)度受母巖強(qiáng)度及顆粒間機(jī)械咬合作用影響，若顆粒材料遇水，水的潤滑作用將降低試樣強(qiáng)度。另一方面，試樣中泥巖顆粒中粒徑小于0.25 mm的占37%，粒徑小于0.075 mm的占6.25%，屬含細(xì)粒土質(zhì)砂；泥巖顆粒吸水后黏度增大，材料黏聚力增加，這又增加了材料強(qiáng)度。因此，水對于具有上述性質(zhì)的紅層軟巖顆粒材料的影響復(fù)雜。在單線法與雙線法中水浸入試樣的時間不一致，導(dǎo)致其軸向變形存在差異，現(xiàn)分別論述單線法與雙線法試驗結(jié)果。

2.1 單線法泥巖濕化變形分析

2.1.1 濕化過程軸向應(yīng)變分析

方案B1～B5的試驗數(shù)據(jù)表明，濕化過程中泥巖軸向應(yīng)變變化趨勢相同，區(qū)別甚微。為清晰表示濕化過程軸向應(yīng)變隨通水時間（t）的變化規(guī)律，僅取方案B1與B5的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。在同一坐標(biāo)平面內(nèi)繪制不同濕化應(yīng)力下軸向應(yīng)變隨通水時間的關(guān)系曲線，如圖2所示。由圖2可知：不同濕化應(yīng)力下試樣的軸向應(yīng)變隨浸水時間的增加呈先增加后逐漸穩(wěn)定的趨勢；各曲線簇的斜率先緩慢增加，隨后急劇增加，最后逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

泥巖顆粒填料軸向應(yīng)變曲線簇的這種變化趨勢與試樣內(nèi)部水的浸入高度相關(guān)。初始狀態(tài)時，僅試樣底部遇水，試樣軸向濕化變形緩慢增加；隨著水位持續(xù)上升，試樣內(nèi)部更多泥巖顆粒遇水，濕化變形急劇增加；最后，待試驗盒水位沒過試樣后一段時間，其濕化變形增量逐漸減小[18-19]。

2.1.2 濕化應(yīng)力對濕化變形的影響分析

整理泥巖顆粒填料濕化應(yīng)變數(shù)據(jù)，并在同一平面內(nèi)繪制其隨濕化應(yīng)力的變化曲線，如圖3所示。由圖3可知，隨著濕化應(yīng)力增加，填料濕化應(yīng)變先減小后增大；采用二次拋物線擬合試驗數(shù)據(jù)，得到濕化應(yīng)變與應(yīng)力的數(shù)學(xué)表達(dá)式

采用自然含水率狀態(tài)的泥巖顆粒填料進(jìn)行單線法濕化變形測定，當(dāng)濕化應(yīng)力較小時，濕化應(yīng)變主要由填料遇水后顆粒間水的潤滑作用而引起的彼此相對位置的調(diào)整所致。當(dāng)濕化應(yīng)力增大至一定程度時，泥巖顆粒仍具有一定強(qiáng)度，且其相對位置調(diào)整空隙減少，所受軸向壓力引起顆粒破碎較少，水的潤滑作用及泥巖軟化效應(yīng)不顯著，致使?jié)窕瘧?yīng)變呈減小趨勢；隨著時間增加及濕化應(yīng)力繼續(xù)增大，泥巖軟化效應(yīng)的增強(qiáng)與破碎顆粒增多，使?jié)窕瘧?yīng)變呈增大趨勢。

2.1.3 應(yīng)力應(yīng)變曲線分析

因單線法需要試樣在某一級荷載下進(jìn)行濕化變形測定，則受各級軸向荷載至濕化應(yīng)力的過程中，泥巖顆粒填料試樣為自然含水狀態(tài)，濕化試驗完成后為富含水狀態(tài)。為對比不同濕化應(yīng)力下試樣軸向應(yīng)變隨軸向應(yīng)力的變化規(guī)律，選擇在同一平面內(nèi)繪制其變化曲線，如圖4所示。從圖4可知，泥巖顆粒填料軸向應(yīng)變隨應(yīng)力（P）增加，曲線簇以2條曲線為漸進(jìn)線變化，其中自然含水率段曲線靠下側(cè)漸近線分布，富含水段曲線靠上側(cè)漸近線分布，并在濕化應(yīng)力處由下側(cè)曲線偏向上側(cè)。

單線法濕化試驗前后試樣含水率等物理性質(zhì)及應(yīng)力狀態(tài)相似，其應(yīng)力應(yīng)變曲線趨于一致。在應(yīng)力應(yīng)變曲線簇偏轉(zhuǎn)段，軸向應(yīng)變由濕化應(yīng)力所致的濕化應(yīng)變、后一級荷載所致的軸向應(yīng)變及此階段的填料蠕變3部分組成，應(yīng)變原因復(fù)雜；但此階段直線斜率隨軸向應(yīng)力增大呈逐漸增加趨勢，即若在濕化應(yīng)力后繼續(xù)增加軸向荷載，泥巖顆粒填料軸向應(yīng)變速率隨濕化應(yīng)力的增加而增大。

2.2 雙線法泥巖濕化變形分析

2.2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線分析

整理方案A1及A2的試驗結(jié)果，在同一坐標(biāo)平面內(nèi)繪制軸向應(yīng)變隨軸向應(yīng)力的變化曲線，如圖5所示。由圖5可知，浸水淹沒態(tài)與自然含水態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變曲線變化趨勢一致；以0.20 MPa為界，2條曲線可近似為2條直線，分別為0.05～0.20 MPa段與0.20～1.60 MPa段，并且同一軸向應(yīng)力作用下方案A1的軸向應(yīng)變均大于方案A2。曲線簇的這種變化表明，泥巖顆粒填料軸向應(yīng)變與應(yīng)力大小相關(guān)，即實際工程中不同深度處填料沉降不一致，并以最大主應(yīng)力0.20 MPa的土層附近為界。

2.2.2 濕化應(yīng)力對濕化變形的影響分析

整理同一軸向應(yīng)力作用下方案A1與A2的軸向濕化應(yīng)變差值，得到濕化應(yīng)變與濕化應(yīng)力變化曲線，如圖6所示。從圖6可知，雙線法所測泥巖顆粒填料濕化應(yīng)變隨濕化應(yīng)力的增大呈先減小后增大趨勢。同樣采用二次拋物線擬合其數(shù)據(jù)點，得到濕化應(yīng)變與濕化應(yīng)力的數(shù)學(xué)表達(dá)式

自然含水態(tài)與富含水態(tài)時，泥巖顆粒填料因濕化應(yīng)力不同，引起其濕化應(yīng)變的主導(dǎo)因素也不一致，主要表現(xiàn)為濕化應(yīng)力較小時以顆粒相對位置調(diào)整和水的潤滑作用為主導(dǎo)因素，浸水時間增長、濕化應(yīng)力較大時以顆粒破碎為主導(dǎo)因素。

3 單雙線法濕化應(yīng)變對比分析

泥巖填料這類紅層軟巖顆粒材料的水理性質(zhì)復(fù)雜，在同一平面內(nèi)繪制不同濕化應(yīng)力下單線法與雙線法所測試樣濕化應(yīng)變值的分布，如圖7所示。由圖7可知：當(dāng)濕化應(yīng)力位于0.05～0.40 MPa段時，單線法所測濕化變形大于雙線法；在0.40～0.80 MPa段，單線法與雙線法所測濕化應(yīng)變存在交叉現(xiàn)象。因此，紅層軟巖填料濕化應(yīng)變測試方式為：淺層選用單線法；深層采用單雙線法相結(jié)合的方式。

4 結(jié) 語

（1）濕化過程中泥巖顆粒填料的濕化應(yīng)變隨通水時間的增加先增加后減小，并逐漸穩(wěn)定，其應(yīng)變隨應(yīng)力的變化以2條曲線為漸進(jìn)線變化。

（2）雙線法所測泥巖顆粒填料濕化應(yīng)變隨濕化應(yīng)力的增大呈先減小后增大的趨勢。浸水淹沒態(tài)與自然含水態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變曲線以軸向應(yīng)力0.20 MPa為界近似為2條直線。

（3）單線法與雙線法所測泥巖顆粒填料的濕化變形隨濕化應(yīng)力的增大都先減小后增加，濕化應(yīng)力較小時單線法所測濕化變形大于雙線法，較大時單線法與雙線法所測濕化應(yīng)變存在交叉現(xiàn)象。

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[責(zé)任編輯：杜敏浩]