王 濤 曹雪山 張榮寬
(1.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京 210093;2.河海大學(xué)道路與鐵道工程研究所,江蘇南京 210098;3.中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司,江蘇南京 210014)
膨脹性泥巖具有遇水膨脹、崩解軟化的特性,開挖暴露后在大氣作用下表層巖石產(chǎn)生軟化,強(qiáng)度喪失。路基填筑和邊坡支護(hù)工程中,在進(jìn)行填筑和護(hù)坡施工前需將軟化崩解后的巖屑清除。此外,工程施工開挖出的膨脹性泥巖被運(yùn)往棄渣場(chǎng),經(jīng)雨淋日曬后很快變成散土,若對(duì)其加以利用,將對(duì)工程建設(shè)有重大意義。
國內(nèi)針對(duì)膨脹性軟巖或膨脹土作為路基、邊坡或堤壩等填筑材料的適用性已有不少研究成果[1-3],但不同地區(qū)的膨脹巖土由于其成因、產(chǎn)狀、親水性礦物含量的不同而具有各自相異的力學(xué)特性。膨脹性泥巖用于各類工程填筑時(shí),既要保證壓實(shí)度滿足要求,還應(yīng)采取一定的隔水措施,減小由膨脹性泥巖浸水產(chǎn)生的膨脹、軟化等不利影響。本文所研究的膨脹性泥巖的蒙脫石含量較高,具有較強(qiáng)崩解性,因此該類軟巖用于工程填筑時(shí)需要重點(diǎn)研究以下問題:在何種干密度和含水率下該類膨脹性泥巖的強(qiáng)度最高,在不同壓力下浸水后的強(qiáng)度參數(shù)變化規(guī)律等。
巖樣取自合肥市某工程施工現(xiàn)場(chǎng),巖樣的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。由表可知,該巖樣親水性黏土礦物含量較高,其天然含水率較大,自由膨脹率51%,屬于膨脹性巖。烘干后巖樣的無荷膨脹率遠(yuǎn)大于天然狀態(tài)下的膨脹率;抗壓強(qiáng)度約1.1 MPa,屬極軟巖,耐崩解性指數(shù)為1.2%,屬強(qiáng)崩解性。
制備含水率分別為14%、18%、22%的重塑環(huán)刀樣各12個(gè)(見圖1),每種含水率包含3種干密度1.5 g/cm3、1.6 g/cm3、1.7 g/cm3,每種干密度的重塑環(huán)刀樣各4個(gè),見表2。制備好試樣后,進(jìn)行直剪試驗(yàn)。剪切試驗(yàn)時(shí)分別施加垂直壓力100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。
表1 原狀巖樣物理力學(xué)性質(zhì)
圖1 部分膨脹性泥巖重塑環(huán)刀樣
制備含水率分別為14%、18%、22%的三軸三開重塑樣各9個(gè),每種含水率包含3種干密度1.5 g/cm3、1.6 g/cm3、1.7 g/cm3,每種干密度的三軸三開重塑樣各3個(gè),見表2。制備好試樣后,進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。
表2 試樣初始條件及環(huán)刀樣制備方案
直剪試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓試驗(yàn)步驟按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)[5]進(jìn)行。
制備初始含水率為18%、干密度為1.7 g/cm3的重塑環(huán)刀樣16個(gè),分別在1 kPa、12.5 kPa、50 kPa、100 kPa上覆壓力下進(jìn)行浸水飽和24小時(shí),見表3。試樣飽和后,吸去固結(jié)儀水槽內(nèi)的水,卸去上覆壓力,稱量試樣質(zhì)量。然后立即進(jìn)行豎向壓力為50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa下的不固結(jié)不排水快剪試驗(yàn),剪切速率為0.8 mm/min。
表3 不同試驗(yàn)條件下的環(huán)刀樣數(shù)
圖2是不同干密度下,膨脹性泥巖重塑樣的黏聚力c與試樣含水率w的關(guān)系曲線。由圖2可知,黏聚力隨含水率的增加先增大后減小,隨著干密度的增大而增大。含水率18%時(shí)黏聚力出現(xiàn)峰值,干密度為1.7 g/cm3時(shí)的黏聚力為293 kPa,干密度為1.5 g/cm3時(shí)黏聚力為124 kPa,前者比后者大兩倍還多,可見干密度對(duì)強(qiáng)度的影響比較大。圖3中內(nèi)摩擦角隨含水率的變化數(shù)據(jù)較離散,規(guī)律不明顯。
圖2 不同干密度下的黏聚力-含水率關(guān)系曲線
膨脹性泥巖重塑樣的抗剪強(qiáng)度由黏聚力、土粒間的摩擦力、基質(zhì)吸力、約束外力等因素決定。干密度越大,孔隙比越小,土粒間的引力和咬合作用越強(qiáng),黏聚力越大[6]。隨著含水率的增加,膨脹性泥巖重塑樣的土顆粒之間因水的吸附作用,產(chǎn)生了一定的黏聚力,使得抗剪強(qiáng)度增大。土顆粒間的結(jié)合水膜隨著含水率的增加而變厚,受力時(shí)孔隙水壓力增大,有效應(yīng)力降低,使土體抗剪強(qiáng)度降低。林鴻州等人[7-8]通過研究得出,對(duì)于重塑的粉細(xì)砂與砂質(zhì)粉土,在飽和與全干的情況下其黏聚力為0,而在非飽和情況下則因基質(zhì)吸力的影響而產(chǎn)生黏聚力;無論何種土,黏聚力在飽和度為40%~60%時(shí)最大,而內(nèi)摩擦角則隨飽和度增加而減少。一些學(xué)者的研究結(jié)果[9]和本文試驗(yàn)結(jié)果基本一致,表明本試驗(yàn)中黏聚力存在峰值是合理的。另外一些學(xué)者[10]的研究結(jié)果中,巖土樣的強(qiáng)度隨飽和度的增加而線性減小,這是由于和本文試驗(yàn)方法的不同引起的。本試驗(yàn)是制備不同干密度和含水率狀態(tài)的試樣后進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn),而另外一種方法[10]是使同一初始狀態(tài)下的試樣不同程度的吸水飽和后進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn),此時(shí)試樣不僅含水率發(fā)生改變,干密度、孔隙比也發(fā)生了改變,另外吸水導(dǎo)致試樣內(nèi)部和表面水分不均,從而共同引起了強(qiáng)度的衰減。
圖3 不同干密度下的內(nèi)摩擦角-含水率關(guān)系曲線
圖4 是部分試樣破壞后的狀態(tài),從圖中可以看出,含水率為14%時(shí),試樣破壞時(shí)無明顯貫穿試樣的大裂縫,而是試樣中部被壓碎或劈裂,隨后強(qiáng)度喪失。而含水率為18%和22%時(shí),試樣破壞時(shí)均有貫穿試樣的斜裂縫,裂縫與水平面的夾角約為50°~60°。這是由于含水率較低時(shí),土粒間的黏結(jié)力較低,整體性較差,因此試樣會(huì)以局部碎裂的形式破壞。隨著含水率的增加,土粒間的黏結(jié)力逐漸增大,整體性較好。
圖5是不同干密度下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與含水率的關(guān)系曲線,從圖中可以明顯看出,隨著含水率的增加,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)峰值,峰值出現(xiàn)在含水率為18%處。表明含水率18%接近膨脹性泥巖重塑樣的最佳含水率,即此時(shí)膨脹性泥巖重塑樣的抗壓強(qiáng)度最高。
圖4 無側(cè)限抗壓試驗(yàn)部分破壞后的試驗(yàn)照片
圖5 不同干密度下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度-含水率關(guān)系曲線
重塑環(huán)刀樣在不同上覆壓力下吸水飽和后,通過直剪試驗(yàn)得到試樣在不同上覆壓力下的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ,見表4。
表4 不同壓力浸水膨脹后的黏聚力和內(nèi)摩擦角
圖6和圖7表示了黏聚力、內(nèi)摩擦角與上覆壓力之間的曲線關(guān)系。由曲線可知:①膨脹性泥巖重塑環(huán)刀樣在不同上覆壓力下吸水飽和后的強(qiáng)度參數(shù)c隨上覆壓力的增大而增大,在上覆壓力較小時(shí),增長速率較大,黏聚力與上覆壓力近似呈冪函數(shù)關(guān)系變化;②內(nèi)摩擦角均隨浸水上覆壓力的增加而增加,內(nèi)摩擦角與上覆壓力也近似呈冪函數(shù)關(guān)系變化。
膨脹性泥巖吸水后的強(qiáng)度降低是由于膨脹性泥巖親水性的黏土礦物含量高,吸水后黏土礦物顆粒之間出現(xiàn)水化膜,顆粒之間的接觸變成水化膜接觸,孔隙水壓力增加,有效應(yīng)力減??;同時(shí)黏土礦物顆粒體積膨脹,晶片之間的間距變大,結(jié)構(gòu)變得松弛,強(qiáng)度也就隨之迅速降低。
上覆壓力較小時(shí)吸水膨脹后的強(qiáng)度參數(shù)遠(yuǎn)小于上覆壓力較大時(shí)吸水膨脹后的強(qiáng)度參數(shù),其中上覆壓力為1 kPa時(shí)比上覆壓力為100 kPa時(shí)的黏聚力降低約70%。這是由于上覆壓力顯著抑制了試樣的膨脹變形,減小了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度損失。因此該類巖料用于工程填筑時(shí),為防止邊坡失穩(wěn)或填筑體產(chǎn)生較大變形,該類巖料上方需用非膨脹土或改良土覆蓋壓重,另外應(yīng)做好填筑體的防水、排水,減小填料的吸水程度,從而減小填筑體的變形和強(qiáng)度損失。
圖6 浸水時(shí)上覆壓力-黏聚力關(guān)系曲線
圖7 浸水時(shí)上覆壓力-內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線
1)本次試驗(yàn)的膨脹性泥巖重塑環(huán)刀樣的直剪強(qiáng)度和重塑三軸三開樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均在含水率約18%時(shí)存在峰值,且強(qiáng)度隨干密度的增加而顯著增大。用該類巖樣進(jìn)行填筑時(shí),將最優(yōu)含水率控制在約18%時(shí)進(jìn)行壓實(shí),并盡量提高填筑料的干密度,以使填筑體邊坡的抗剪強(qiáng)度達(dá)到最高。
2)膨脹性泥巖重塑環(huán)刀樣在不同上覆壓力下吸水飽和后的強(qiáng)度隨上覆壓力的增大而增大。上覆壓力較小時(shí),試樣吸水飽和后的強(qiáng)度降低幅度較大,而增大上覆壓力可有效增強(qiáng)巖樣吸水飽和后的強(qiáng)度,尤其當(dāng)上覆壓力處于較小水平時(shí)效果更為明顯。
收稿日期:2018-10-31