含水率對粉砂質(zhì)泥巖力學(xué)特性影響試驗研究★

宋京雷 郝社鋒 蔣 波 喻永祥 王武超 孫少銳

(1.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210000； 2.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100)

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)加快，工程中不可避免的會遇到互層邊坡，軟巖在地下水的水化作用下容易發(fā)展成為泥化夾層，對工程的安全與穩(wěn)定造成威脅。粉砂質(zhì)泥巖是一種常見的軟巖，粉砂質(zhì)泥巖[1]的礦物組成主要由黏土礦物、長石、石英等組成，其形成過程是經(jīng)過長時間的擠壓、脫水、重結(jié)晶等作用后形成的鈣泥質(zhì)膠結(jié)或者是粉泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，其物理性質(zhì)具有易裂、易碎性、透水性較差等。已有大量學(xué)者[2-5]對粉砂質(zhì)泥巖進(jìn)行了室內(nèi)試驗，并取得了豐富的成果。邢鮮麗[6]通過對黃土試樣的三軸剪切實驗發(fā)現(xiàn)含水量對黃土有效殘余抗剪強度的影響主要體現(xiàn)在黏聚力上；陳星強[7]的非飽和土三軸試驗同樣證明了，土體含水量對黏聚力和內(nèi)摩擦角有強烈的影響，尤其對黏聚力的影響突出；王中文[8]由水敏性試驗的結(jié)果提出了臨界含水率抗剪強度面的概念；唐自強[9]認(rèn)為含水率對應(yīng)力—應(yīng)變曲線形態(tài)的影響與干密度有著一定的關(guān)系；張?zhí)礓h[10]、胡斐南[11]、馬金元[12]分別研究了紅黏土、紫土、黃土的抗剪強度和含水率的關(guān)系；據(jù)吳佳華[13]的實驗證明隨著含水量的增加，粉質(zhì)黏土的內(nèi)摩擦角和黏聚力逐漸降低，呈現(xiàn)線性關(guān)系，并得出了黏聚力與內(nèi)摩擦角的經(jīng)驗公式；宋釔宏[14]通過膨脹土三軸實驗，得到了一種小粒徑與含水率對抗剪強度的最優(yōu)配比；冀慧[15]進(jìn)行了黃土粉狀黏土的實驗，結(jié)果表明剪切速率對黃土的抗剪強度有重要影響，且基本符合二次多項式的關(guān)系。本文將清明山滑坡中的粉砂質(zhì)泥巖重塑，在不同法向應(yīng)力和含水率條件下進(jìn)行直剪試驗，研究粉砂質(zhì)泥巖的法向應(yīng)力、含水率與抗剪強度之間的關(guān)系，為后續(xù)學(xué)者的研究提供借鑒。

1 試驗材料與方案

1.1 試樣制備

蘇州市吳中區(qū)清明山滑塌區(qū)滑坡地質(zhì)災(zāi)害治理區(qū)位于清明山北坡。邊坡在地下水的作用下，沿軟弱的粉砂質(zhì)泥巖夾層發(fā)生平面滑動。本次試驗所用粉砂質(zhì)泥巖采自清明山礦區(qū)滑坡的軟硬互層巖體，巖樣強度低，手搓即碎，遇水易軟化，取樣區(qū)域及原狀試樣如圖1所示。

由于試驗考慮不同含水率情況下粉砂質(zhì)泥巖強度特性，因而首先要測定其飽和含水率。粉砂質(zhì)泥巖的飽和含水率采用真空抽氣法進(jìn)行測定，經(jīng)試驗測得所取粉砂質(zhì)泥巖飽和含水率為16%。為制作不同含水率的試樣，首先將粉砂質(zhì)泥巖碾碎、顆粒大小篩選、烘干，再稱取3組1 kg泥巖分別加入50 g，100 g，160 g水，充分?jǐn)嚢韬笱b入黑色塑料袋后放置陰暗處靜置24 h后稱其質(zhì)量，前后質(zhì)量差不超過1 g，即可判定水與泥巖充分混合且含水率分別為5%,10%,16%。各含水率泥巖調(diào)制好后，分別取相同質(zhì)量的泥巖用壓縮器將泥巖壓縮成標(biāo)準(zhǔn)試樣，保證各試樣密度一致。而干燥的試樣，可從任一含水率標(biāo)準(zhǔn)試樣中選取進(jìn)行烘干24 h后獲得。試樣尺寸為61.8 mm×20 mm。試樣制取過程如圖2所示。

1.2 試驗方案

對不同含水率的粉砂質(zhì)泥巖試樣采用應(yīng)變控制式直剪儀進(jìn)行直剪，該直剪儀由剪切盒、垂直加壓設(shè)備、剪切傳動裝置、測力計以及位移量測系統(tǒng)等組成。加壓設(shè)備采用杠桿傳動。每個砝碼對應(yīng)的法向應(yīng)力為100 kPa。法向應(yīng)力控制為100 kPa,200 kPa,300 kPa,400 kPa這四個量級，剪切速率控制為0.02 mm/rad，切向應(yīng)力的大小會隨著剪切盒的移動而增大，當(dāng)切向應(yīng)力大小突然下降或者不再增加，出現(xiàn)切向應(yīng)力峰值，可認(rèn)為試樣被剪切破壞，記錄破壞的峰值，繼續(xù)剪切至殘余強度或者4 mm時，停止剪切；若剪切過程中無峰值出現(xiàn)，剪切至切向位移7 mm時停止。通過記錄圈數(shù)與鋼環(huán)讀數(shù)來換算成剪切應(yīng)力與應(yīng)變值。

2 法向應(yīng)力對粉砂質(zhì)泥巖剪切破壞的影響

從圖3可以看出各含水率試樣在不同法向應(yīng)力下切向應(yīng)力—切向位移的關(guān)系。在相同含水率的情況下，法向應(yīng)力越大，達(dá)到破壞峰值時的切向應(yīng)力也越大。在各法向應(yīng)力作用下，不同含水率粉砂質(zhì)泥巖的切向應(yīng)力—切向位移曲線形式概括起來主要有三種形式，如圖4所示。

1)明顯峰值型曲線。這類曲線出現(xiàn)在含水率較低的試樣中，在達(dá)到峰值前，切向應(yīng)力隨著切向位移的增加而增大，此階段位移增長速度較快，達(dá)到峰值強度后，由于試樣遭到剪切破壞，切向應(yīng)力迅速減小，隨著切向位移的增加試樣最終達(dá)到殘余強度，切向應(yīng)力趨于穩(wěn)定。2)不明顯峰值型曲線。這類曲線主要表現(xiàn)為剪切開始后，切向應(yīng)力隨著位移增加迅速增加，達(dá)到一定大小后切向應(yīng)力增速放緩，待達(dá)到峰值后，試樣破壞，但峰值減小不明顯，隨著位移增加，峰值才逐漸下降，曲線表現(xiàn)為峰值存在但不突出的現(xiàn)象。3)指數(shù)型曲線，這類曲線呈現(xiàn)指數(shù)型增長，出現(xiàn)在飽和試樣中，切向應(yīng)力隨著切向位移的增加首先呈線性增加，然后增速放緩，進(jìn)而達(dá)到切向應(yīng)力最大值，達(dá)到峰值后，切應(yīng)力的大小隨著位移的增加保持不變。

從室內(nèi)試驗結(jié)果上來看，含水率較低的試樣，如干燥試樣、5%含水率試樣切向應(yīng)力—切向位移曲線表現(xiàn)為明顯的峰值曲線，初始時試樣處于彈性階段，切向應(yīng)力大小隨著切向應(yīng)變呈線性增長，增速也逐漸增加，待達(dá)到切向應(yīng)力峰值后，試樣發(fā)生剪切破壞，切向應(yīng)力大小呈現(xiàn)斷崖式下降，待到穩(wěn)定后，切向應(yīng)力隨著切向位移增加保持不變，此時的剪切強度為殘余強度。對于含水率較高的試樣，10%含水率試樣表現(xiàn)為不明顯的峰值曲線。剪切初始，切應(yīng)力隨著位移增加逐漸增大，但增速放緩，達(dá)到峰值后，切向應(yīng)力下降不明顯，且待到穩(wěn)定后峰值強度與殘余強度大小相差較小。最后，對于飽和含水率試樣，其切向應(yīng)力—切向位移曲線表現(xiàn)為指數(shù)型曲線，剪切開始后，切向應(yīng)力大小隨切向位移的增加呈指數(shù)型增長，達(dá)到峰值后，切向應(yīng)力大小隨切向位移的增加基本保持不變。當(dāng)法向應(yīng)力為100 kPa時，干燥情況下以及5%含水率情況下，試樣在切向位移1 mm左右達(dá)到峰值，其他兩組含水率試樣在切向位移2 mm左右，隨著法向應(yīng)力增加，峰值強度對應(yīng)的切向位移皆有不同程度的增加。對整體而言，各試樣切向應(yīng)力峰值大小隨著法向應(yīng)力的增加而增加，法向應(yīng)力越大，達(dá)到剪切破壞的峰值強度越大。各峰值所對應(yīng)的切向位移也隨著法向應(yīng)力的增加有著不同程度的增加。

3 含水率對粉砂質(zhì)泥巖剪切破壞的影響

從圖5中可以出，在同一法向應(yīng)力下，不同含水率的試樣峰值大小以及峰值曲線有著較大的差異。干燥情況下，切向應(yīng)力峰值最大，曲線最陡。達(dá)到峰值剪切破壞后應(yīng)力下降最明顯，殘余強度與峰值大小差距最大。隨著含水率的增加，切向應(yīng)力峰值驟減，且其切向應(yīng)力—切向位移曲線發(fā)生了明顯的變化，干燥時切向應(yīng)力—切向位移曲線表現(xiàn)為明顯的峰值曲線，而飽和含水率情況下，切向應(yīng)力—應(yīng)變曲線表現(xiàn)為指數(shù)型曲線。此外，含水率的變化使試樣的殘余強度也發(fā)生了變化。干燥情況下殘余強度最大，隨著含水率的增加，其殘余強度逐漸減小。由此可見，含水率的變化，使粉砂質(zhì)泥巖的抗剪強度各參數(shù)都發(fā)生了較大的改變，其剪切破壞模式也由開始的脆性破壞轉(zhuǎn)為塑性破壞。

為了獲得不同含水率情況下粉砂質(zhì)泥巖的抗剪強度參數(shù)，將各組試樣的抗剪強度列于表1。將表1中的各項數(shù)據(jù)繪制成圖6，從圖6中可以看出同一含水率的粉砂質(zhì)泥巖，抗剪強度隨著法向應(yīng)力的增加而增加，而在同一法向應(yīng)力條件下，隨著含水率的增加，粉砂質(zhì)泥巖的抗剪強度急劇減弱。如表2所示，將線性擬合數(shù)據(jù)進(jìn)行整理得出不同含水率情況下各組試樣抗剪強度參數(shù)。不難看出，黏聚力隨著含水率的增加而減弱；內(nèi)摩擦隨著含水率的增加而減小。

表1 不同含水率試樣各法向應(yīng)力對應(yīng)抗剪強度 kPa

表2 不同含水率試樣抗剪強度參數(shù)表

試樣組ABCD含水率干燥5%10%飽和黏聚力/kPa174.03171.15112.509.62內(nèi)摩擦角/(°)44.7528.1318.3014.53

為了更直觀的體現(xiàn)含水率對粉砂質(zhì)泥巖的抗剪強度、黏聚力、內(nèi)摩擦角等的影響，將不同含水率試樣在不同法向應(yīng)力下得出的抗剪強度、平均黏聚力以及平均內(nèi)摩擦角大小繪制成圖，如圖7所示。在同一法向應(yīng)力下，粉砂質(zhì)泥巖試樣的抗剪強度隨著含水率的增加而減小，法向應(yīng)力越大，減小的幅度越大，對應(yīng)的曲線斜率越大。對于黏聚力，含水率較小時，試樣黏聚力大小接近，隨著含水率的增加，黏聚力驟減，急速下降。整體而言，黏聚力隨著含水率的增加而減小，且減小的幅度，隨著含水率的增大而增大。關(guān)于內(nèi)摩擦角，整體而言，內(nèi)摩擦角也隨著含水率的增加而減小。從干燥的試驗到5%含水率試樣，內(nèi)摩擦角減小的幅度最大，而后內(nèi)摩擦角減小的幅度慢慢降低，曲線呈半凹型。

4 結(jié)語

本文將采自清明山的粉砂質(zhì)泥巖試樣通過加水重塑后制成不同含水率試樣后，采用應(yīng)變控制式直剪儀進(jìn)行直剪試驗，通過對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析不同含水率下試樣的強度變化規(guī)律。主要結(jié)論如下：1)對取自清明山的粉砂質(zhì)泥巖采用真空抽氣法進(jìn)行飽和含水率測定，測得該樣品的飽和含水率為16%。2)隨著含水率的變化，試樣的切向應(yīng)力—切向位移曲線由峰值類曲線逐漸變?yōu)橹笖?shù)型曲線，干燥試樣、5%含水率試樣切向應(yīng)力—切向位移曲線表現(xiàn)為明顯的峰值曲線，10%含水率試樣表現(xiàn)為不明顯的峰值曲線，對于飽和含水率試樣，曲線表現(xiàn)為指數(shù)型曲線。在同一法向應(yīng)力下，不同含水率的試樣峰值大小以及峰值曲線有著較大的差異。干燥情況下，切向應(yīng)力峰值最大，曲線最陡。隨著含水率的增加，切向應(yīng)力峰值驟減。3)粉砂質(zhì)泥巖試樣的抗剪強度隨著含水率的增加而減小，法向應(yīng)力越大，減小的幅度越大；黏聚力隨著含水率的增加而減小，含水率越高減小的幅度越大；內(nèi)摩擦角也隨著含水率的增加而減小，隨著含水率的增加內(nèi)摩擦角減小的幅度慢慢降低，曲線呈半凹型。