泥頁巖重塑樣三向膨脹力試驗(yàn)

王 雄 朱寶龍 石方超 汪 鍇

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 四川綿陽 621010)

我國膨脹巖分布廣泛，其工程性質(zhì)十分復(fù)雜[1]。膨脹性泥頁巖為膨脹巖的一種，具有遇水膨脹的特性，當(dāng)周圍有束縛時(shí)會(huì)向四周產(chǎn)生膨脹力。國內(nèi)外許多專家學(xué)者對膨脹巖土的膨脹特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究[2-6]。張穎鈞[7]使用自行研制的三向脹縮儀研究了典型膨脹土的三向膨脹力，研究了原狀土水平膨脹力與豎向膨脹力的關(guān)系。李獻(xiàn)民等[8]對湖南邵陽膨脹土擊實(shí)樣進(jìn)行研究，得出了膨脹力、膨脹量與干密度和初始含水率的關(guān)系。謝云等[9]研究了南陽陶岔重塑膨脹土豎向膨脹力與干密度、初始含水率的關(guān)系，闡述了應(yīng)變對膨脹力的影響。秦冰等[10]研究了高廟子膨潤土膨脹力時(shí)程曲線與試樣初始狀態(tài)的關(guān)系，分析了豎向和水平向膨脹力之間的關(guān)系，并探討了膨脹力隨時(shí)間變化的規(guī)律。歐孝奪等[11]對南寧膨脹性泥巖重塑樣進(jìn)行不同變形量的微變形膨脹力試驗(yàn)，建立了膨脹力與干密度、初始含水率之間的雙因素關(guān)系，研究了微變形條件下膨脹力變化機(jī)制。

本文試驗(yàn)所用的泥頁巖取自內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗南坪隧道滑坡滑面處，為強(qiáng)風(fēng)化膨脹性泥頁巖，膠結(jié)弱，遇水極易軟化崩解成碎屑狀，具有一定的膨脹性。準(zhǔn)格爾膨脹性泥頁巖雖然定性為泥頁巖，但其風(fēng)化程度較高，具有強(qiáng)度低、膠結(jié)弱、曝露幾天即龜裂崩解、遇水幾小時(shí)后即崩解為碎屑狀等特點(diǎn)。其原狀樣單軸抗壓強(qiáng)度僅為600～800 kPa，強(qiáng)度極低。內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗露天煤礦是亞洲最大的露天煤礦，煤層覆土開挖后產(chǎn)生大量具有膨脹性的泥頁巖碎屑狀棄土，棄土堆放形成的邊坡極易因膨脹產(chǎn)生破壞。當(dāng)該類泥頁巖充當(dāng)回填料時(shí)，回填土遇水膨脹后其側(cè)向膨脹力會(huì)引起路基、路堤、管道、涵道、擋墻等設(shè)施的破壞。為研究膨脹泥頁巖的遇水膨脹力大小的變化規(guī)律，本試驗(yàn)將取出的泥頁巖制成9個(gè)重塑樣進(jìn)行三向膨脹力試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)采用西南科技大學(xué)自行研制的巖土三向膨脹力儀作為試驗(yàn)儀器。該儀器主要由試樣箱、膨脹應(yīng)力與應(yīng)變量測系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)等組成。該巖土三向膨脹力儀通過透水活塞和主體框架形成4 cm×4 cm×4 cm完全側(cè)限的空間，在X,Y,Z方向上活塞桿的另一端安裝測力計(jì)，膨脹力通過透水活塞和活塞桿作用到測力計(jì)上從而測出在側(cè)限情況下膨脹力的大小。透水墊板為銅質(zhì)并設(shè)有小而密的孔洞直接和試樣接觸，可以起透水石的作用也可以傳導(dǎo)膨脹力而不引起變形，透水活塞上亦設(shè)有小孔透水。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)用樣取自準(zhǔn)格爾旗南坪隧道滑坡滑面處，重塑制樣。按照含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)10%，12.5%，15%分別制備干密度1.5，1.6，1.7 g/cm3試樣。將原狀泥頁巖在105 ℃下恒溫烘干，烘干時(shí)間不低于8 h，且每小時(shí)質(zhì)量變化不超過0.01 g。用粉碎機(jī)粉碎并過2 mm篩，在盤中均勻鋪開，用噴壺噴水，每噴灑適量蒸餾水后攪拌均勻，噴水過程中不斷用電子天平稱量加入蒸餾水的質(zhì)量，直到目標(biāo)含水率為止，然后將土中大塊顆粒碾碎裝入密封袋中，放置24 h使水分均勻分布。重塑樣尺寸為4 cm×4 cm×4 cm，由特制的壓樣模具制備而成。為避免試樣壓實(shí)不均采取分層壓樣的方法進(jìn)行壓實(shí)，將配置好的土樣分成4份，分為4層壓制，每層壓至高度1 cm，壓板取出后用小刀將表面按井字格劃毛，然后放下一層，以下步驟同上。試樣壓制成型后用千斤頂將試樣從壓樣筒中推出，如圖1所示。

圖1 壓樣筒及壓制成型的試樣Fig.1 The mould and sample

試樣制成后將其放入三向膨脹儀中，然后依次放置濾紙、透水墊板、透水活塞及密封蓋，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)螺栓，施加1 kPa初始?jí)毫?，使試樣與儀器各部分緊密接觸。試樣加水后前60 min每隔10 min記錄一次數(shù)據(jù)，后面每隔60 min記錄一次數(shù)據(jù)，每隔5～6 h添加適量水，當(dāng)膨脹力差值每小時(shí)小于0.01 kPa時(shí)就屬穩(wěn)定，此時(shí)的膨脹力就是試樣的最大膨脹力。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 膨脹力時(shí)程曲線

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，徑向的兩個(gè)膨脹力大致相同，為方便研究豎向力和徑向力的關(guān)系本文取徑向兩個(gè)膨脹力的平均值為徑向膨脹力。由于各組試驗(yàn)得出的膨脹力隨時(shí)間變化規(guī)律曲線的變化趨勢都大致相同，故本文只給出初始含水率12.5%時(shí)不同干密度的膨脹力時(shí)程曲線進(jìn)行分析，見圖2。

試樣浸水后，隨時(shí)間增長膨脹力迅速增加，在前60 min內(nèi)，時(shí)間與膨脹力大致呈線性關(guān)系，而后膨脹力增速逐漸減小，最終膨脹力達(dá)到最大值基本保持不變。從圖2中可以看出膨脹力時(shí)程曲線大致可分為3個(gè)階段：(1)快速膨脹階段，前60 min內(nèi)3種干密度的膨脹力增長速度極快，曲線接近直線。(2)減速膨脹階段，3種干密度的曲線都呈一段外凸弧線，膨脹力增長速度不斷減小。(3)穩(wěn)定膨脹階段，試樣充分吸水接近飽和，膨脹基本完成，曲線上升趨勢已經(jīng)非常平緩，膨脹力變化很小。這種曲線特征是準(zhǔn)格爾膨脹泥頁巖的礦物成分和土體結(jié)構(gòu)決定的[12]。

2.2 豎向膨脹力與徑向膨脹力關(guān)系

由圖2中曲線可以看出豎向膨脹力總是大于徑向膨脹力，并且豎向膨脹力增長速度大于徑向，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間基本一致。這可以解釋為試樣制備過程中單向壓縮使試樣產(chǎn)生了各向異性即豎向密度大于徑向密度，試樣豎向土顆粒密度較大則其膨脹潛勢也較大，所以表現(xiàn)出來的膨脹力也就越大。制樣過程的單向壓縮過程和回填土的壓實(shí)過程是相似的，因此回填壓實(shí)的土體也具有各向異性。文獻(xiàn)[10]從微觀結(jié)構(gòu)各向異性的角度討論了單向壓縮試樣產(chǎn)生各向異性的原因。

為更好研究徑向膨脹力和豎向膨脹力的關(guān)系，將徑向膨脹力與豎向膨脹力的比值K列于表1中。

圖2 豎向及徑向膨脹力時(shí)程曲線Fig.2 Vertical and radial expansive force time curves

從表1可以看出，控制含水率不變時(shí)，干密度越大K值越小，說明土體單向壓縮越密實(shí)各向異性越明顯?？刂聘擅芏炔蛔儠r(shí)，K值隨初始含水率變化不明顯，說明初始含水率對土體各向異性影響不大。

表1 徑向和豎向膨脹力及其比值KTable 1 Vertical and radial expansive force and ratio K

2.3 豎向膨脹力與干密度關(guān)系

圖3為初始含水率ω=12.5%時(shí)不同干密度的豎向膨脹力時(shí)程曲線，從圖3可以看出，干密度越大豎向膨脹力越大。豎向膨脹力隨干密度增大而增大的現(xiàn)象可以理解為：干密度越大則相同體積的土顆粒也越多，試樣膨脹潛勢也就越大。值得注意的是干密度達(dá)到1.7 g/cm3時(shí)豎向膨脹力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于干密度1.5,1.6 g/cm3時(shí)的豎向膨脹力。

圖4為不同初始含水率下干密度與豎向膨脹力的關(guān)系曲線，可以用指數(shù)函數(shù)表示為：

Pz=aebρd

(1)

其中：Pz為豎向膨脹力，ρd為干密度，ω為初始含水率，a,b為擬合參數(shù)。擬合參數(shù)見表2。

圖3 豎向膨脹力時(shí)程曲線Fig.3 Vertical expansion force-time curves

圖4 豎向膨脹力與干密度的關(guān)系Fig. 4 Relationship between vertical expansive force and dry density

以干密度1.6 g/cm3為界限，當(dāng)干密度大于1.6 g/cm3時(shí)，減小干密度可有效減小豎向膨脹力，當(dāng)干密度小于1.6 g/cm3時(shí)，減小干密度對降低豎向膨脹力作用不明顯。

表2 干密度與豎向膨脹力擬合參數(shù)Table 2 Fitting parameters with dry density and vertical expansive force

根據(jù)表2所列數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到初始含水率和擬合參數(shù)a,b的回歸關(guān)系式見表3。由此可以得出豎向膨脹力與干密度及初始含水率的關(guān)系式：

Pz=(1.47×10-3+2.28×10-4ω)e(7.652-0.054ω)ρd

(2)

其中：PZ為豎向膨脹力，ω為初始含水率，ρd為干密度。

表3 初始含水率與擬合參數(shù)的回歸關(guān)系式Table 3 The formulas of initial moisture content and fitting parameter

2.4 豎向膨脹力與初始含水率關(guān)系

由表1數(shù)據(jù)作出不同干密度下初始含水率與豎向膨脹力關(guān)系曲線，見圖5。從圖5可以看出當(dāng)控制干密度不變時(shí)，豎向膨脹力隨初始含水率增大而減小，并且呈線性關(guān)系。對曲線進(jìn)行回歸分析得到如下公式：

Pz=c+dω

(3)

其中：Pz為豎向膨脹力，ω為初始含水率，c,d為擬合參數(shù)。擬合參數(shù)見表4。

圖5 豎向膨脹力與初始含水率的關(guān)系Fig.5 Relationship between vertical expansive force and initial moisture content

干密度/g·cm-3擬合參數(shù)及相關(guān)系數(shù)cdR21.5251.66-5.7640.9971.6395.73-9.6250.9991.7931.98-25.1250.981

從表4可以看出干密度越大時(shí)，初始含水率與豎向膨脹力關(guān)系的回歸分析式斜率絕對值越大，說明干密度越大，膨脹力隨初始含水率的變化速率就越大，并且曲線呈線性增長。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過單向壓縮的重塑樣存在各向異性，徑向膨脹力與豎向膨脹力比值K小于1說明豎向膨脹力大于徑向膨脹力，隨著干密度增大K值變大說明各向異性更加顯著。(2)膨脹力隨干密度增大呈指數(shù)增大，隨初始含水率增大呈線性減小。給出了豎向膨脹力與初始含水率和干密度的關(guān)系式，可為相關(guān)工程的穩(wěn)定分析提供依據(jù)。(3)干密度越大，膨脹力隨初始含水率的變化速率就越大，即干密度越大時(shí)含水率變化對膨脹力的影響就越大。