紅層泥質(zhì)巖干濕循環(huán)下的變形特性試驗(yàn)研究

李凱甜， 鄧榮貴， 文琪鑫， 潘玉杰

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

1 概述

紅層泥質(zhì)巖作為一種工程性質(zhì)較差的軟質(zhì)巖，具有易風(fēng)化、易崩解的特性。紅層泥質(zhì)中富含的礦物成分包括石英、云母、高嶺石等粘性土礦物[1,2]，具有一定的膨脹性，尤其對于風(fēng)化后的泥巖，其內(nèi)部產(chǎn)生較多裂隙，吸水性顯著增強(qiáng)。西南地區(qū)紅層泥質(zhì)巖分布廣泛，主要以侏羅系和白堊系地層為主，本文中泥質(zhì)巖是指砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖和泥巖的總稱。四川盆地紅層泥質(zhì)巖分布區(qū)建成的成都至重慶高速鐵路、西安至成都高速鐵路、成都至達(dá)州快速鐵路和在建的成都至貴陽高速鐵路，多個(gè)深挖路塹路基和隧道底部路基地段自聯(lián)調(diào)和運(yùn)營變形監(jiān)控開始，出現(xiàn)了至今持續(xù)數(shù)年的上拱變形，尚無收斂穩(wěn)定的跡象，這是是普速鐵路不被引起注意的現(xiàn)象，致使動車降速至200～80 km/s運(yùn)行，待弄清路基持續(xù)上拱變形的原因和徹底根治處理后恢復(fù)設(shè)計(jì)速度運(yùn)行。泥質(zhì)巖路基如此長期持續(xù)上拱變形是路基泥質(zhì)巖“開挖卸荷-吸水(風(fēng)化)-膨脹變形累積”為主，還是“卸荷-流變(模型及參數(shù)劣化)-蠕變累積”為主或者兩者的占比，以及路基上拱變形的時(shí)間過程特征尚無定論，為盡快解決高速鐵路降速和安全隱患問題，本試驗(yàn)研究即為配合相關(guān)研究工作進(jìn)行的泥質(zhì)巖原狀試樣干濕循環(huán)膨脹變形特性試驗(yàn)研究。

現(xiàn)階段對紅層泥質(zhì)巖的研究主要表現(xiàn)在其物理力學(xué)特性、膨脹特性兩個(gè)方面。王其海等[3]結(jié)合南瀏醴高速公路的實(shí)際工程，對紅層泥巖邊坡進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)，探究紅層軟巖的物理力學(xué)性能，得到了軟巖在干濕循環(huán)作用下的干燥抗壓強(qiáng)度與飽和抗壓強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)變化的規(guī)律。魏永幸等[4,5]通過室內(nèi)試驗(yàn)以及現(xiàn)場試驗(yàn)對紅層泥巖的工程特性以及變形特性進(jìn)行了研究，得到了其作為高速鐵路路基填料的適用性。季明等[6]對灰質(zhì)泥巖浸水膨脹變形進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究，并提出巖石膨脹穩(wěn)定的時(shí)間閾值。武科等[7]利用改進(jìn)的收縮儀對膨脹土進(jìn)行常溫?zé)o荷載情況下的干濕循環(huán)試驗(yàn)，證明了隨著循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹土孔隙率隨之增大，導(dǎo)致其體積增大。孫得安等[8]對膨脹土進(jìn)行室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)，探究了膨脹土濕脹干縮變形隨循環(huán)次數(shù)變化的規(guī)律。胡文靜等[9]通過對重慶地區(qū)紅層泥巖膨脹性的研究發(fā)現(xiàn)，隨豎向荷載增加，膨脹率降低迅速，并且含水量也對泥巖膨脹變形有控制作用。馬麗娜等[10]進(jìn)行了不同含水率以及不同干密度情況下泥巖的膨脹位移室內(nèi)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)泥巖的膨脹位移受原狀泥巖的原始結(jié)構(gòu)影響。大多學(xué)者對重塑土以及膨脹土進(jìn)行了室內(nèi)膨脹試驗(yàn)分析研究[11-13]，但是對于原狀泥巖的膨脹特性而言研究較少，而原狀泥巖的內(nèi)部裂隙以及結(jié)構(gòu)嚴(yán)重影響了整個(gè)泥質(zhì)巖的膨脹以及收縮變形特性，由于泥巖所處地區(qū)的差異性，其力學(xué)特性以及變形特性差別較大，需要根據(jù)具體工程進(jìn)行實(shí)地取樣分析。

本文通過對成渝客運(yùn)專線某段路基上拱變形處取回的巖樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，探究紅層泥質(zhì)巖在干濕循環(huán)作用下變形特性與循環(huán)次數(shù)以及含水率之間的關(guān)系。試驗(yàn)?zāi)M路基或邊坡開挖后在有側(cè)向約束狀態(tài)中泥質(zhì)巖在外界條件下經(jīng)歷干濕循環(huán)后所產(chǎn)生的變形特性，以期為西南地區(qū)類似工程提供參考依據(jù)。

2 試樣及試驗(yàn)

2.1 試樣

試驗(yàn)所用的紅層泥質(zhì)巖試樣取自成都至重慶客運(yùn)專線某中間站路基持續(xù)上拱變形地段，顏色偏紫紅色，泥質(zhì)膠結(jié)，具有浸水易崩解、易膨脹的特性?，F(xiàn)場底層結(jié)構(gòu)如圖1所示，為紫紅色泥質(zhì)巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖以及灰綠色泥巖、砂巖交錯(cuò)分布。鑒于泥巖擾動后易影響其物理力學(xué)特性，在現(xiàn)場取得大塊新鮮紅層泥質(zhì)巖后，用保鮮膜小心包裹，放入有減震泡沫的物流箱運(yùn)至試驗(yàn)室，在試驗(yàn)室加工成直徑為50 mm高度100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣以供后續(xù)試驗(yàn)使用。

圖1 現(xiàn)場地層結(jié)構(gòu)

2.2 泥質(zhì)巖試樣基本特性

為得到試驗(yàn)所用泥質(zhì)巖的常規(guī)參數(shù)，除需得到密度以及含水率外，還需對其進(jìn)行常規(guī)單軸、三軸試驗(yàn)，得到泥巖試樣的彈性模量、泊松比、粘聚力以及內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)。進(jìn)行單軸及三軸試驗(yàn)采用的儀器為MTS815型電液伺服巖石試驗(yàn)系統(tǒng)。對試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析得到泥質(zhì)巖基本參數(shù)如表1所示。

表1 泥質(zhì)巖基本參數(shù)

取部分試樣浸水崩解試驗(yàn)，將崩解后的泥巖碎塊進(jìn)行篩分，得到干濕循環(huán)前試樣的級配曲線，級配曲線如圖2所示，有圖中數(shù)據(jù)可知試驗(yàn)中顆粒粒徑小于0.075 mm的顆粒含量占總含量的9.96 %。

圖2 顆粒級配曲線

2.3 干濕循環(huán)變形試驗(yàn)

干濕循環(huán)試驗(yàn)采用自制的儀器完成，試驗(yàn)所用的試樣為加工的直徑50 mm，高度100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣，試驗(yàn)步驟如下：

(1)加工厚度為3 mm的鋼管對試樣提供側(cè)向約束，鋼管外壁有直徑為10 mm的圓孔4排，共4列，以保證水分能夠充分進(jìn)入試樣內(nèi)部且不影響鋼管的側(cè)向約束強(qiáng)度；(2)試驗(yàn)前稱量各試樣的初始質(zhì)量，測量各試樣的尺寸，將試樣外包裹幾層PET膜并固定，試樣與PET膜之間涂抹一層凡士林，以減小側(cè)壁摩阻力，將試樣小心放入入鋼管內(nèi)，使試樣與鋼管之間留下盡可能小的縫隙，保證鋼管對試樣的有效側(cè)向約束。試樣完全放入鋼管內(nèi)，然后挖出鋼管壁圓孔處多余的PET膜，如圖3(a)所示；(3)鋼管外纏繞加熱裝置，使試樣處于一個(gè)干熱的環(huán)境中，進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)；(4)將試樣放入自制透明容器中如圖3(b)所示，試樣上下分別放置一塊透水石以使水分充分進(jìn)入試樣，分別對4組不同含水率的試樣進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)；(5)干濕循環(huán)試驗(yàn)過程中對試樣先進(jìn)行浸水飽和24 h左右，然后用加熱裝置給試樣低溫加熱，加熱時(shí)間控制在24 h左右，完成一次干濕循環(huán)。整個(gè)過程中用千分表記錄試樣的豎向變形量。按照上述步驟操作對試樣進(jìn)行6次循環(huán)，以第7次循環(huán)浸水24 h結(jié)束。

(a)置入透水鋼管中的試樣 (b)試驗(yàn)中試樣 圖3 試驗(yàn)中的試樣

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 泥質(zhì)巖浸水與失水單個(gè)循環(huán)變形特征分析

在單個(gè)干濕循環(huán)試驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)，泥質(zhì)巖的膨脹變形曲線相同，失水收縮變化曲線也相同。對每單個(gè)循環(huán)下泥質(zhì)巖試樣的變形特性進(jìn)行分析能夠反映泥質(zhì)巖在浸水以及失水條件下的變形特性。

3.1.1 浸水膨脹變形特征

試樣在干燥收縮以及浸水膨脹過程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，試樣表面以及內(nèi)部產(chǎn)生越來越多的微裂隙，為自由水進(jìn)入試樣提供了通道。為定量分析試樣在整個(gè)循環(huán)過程中的膨脹變形特性，引入膨脹率進(jìn)行衡量，由于試樣表面有側(cè)向約束，忽略直徑方向的變化量，只考慮豎直方向高度的變化，膨脹率計(jì)算如下：

δi為第i次循環(huán)中試樣的膨脹率；hwi為第i次循環(huán)中試樣膨脹變形穩(wěn)定后高度；h0為試樣試驗(yàn)前的初始高度。對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到各試樣膨脹率隨時(shí)間的變化，如圖4所示，其中N表示循環(huán)次數(shù)。

由圖中膨脹率與時(shí)間的關(guān)系可以看出，浸水初期膨脹率變化較快且能夠在整個(gè)試驗(yàn)過程中20 %的時(shí)間內(nèi)達(dá)到90 %以上的變形量，隨后膨脹變形基本保持穩(wěn)定。從各個(gè)試樣的膨脹變形曲線來看，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試樣達(dá)到穩(wěn)定變形所用的時(shí)間逐漸減少，即循環(huán)次數(shù)越多試樣的膨脹變形量越快達(dá)到穩(wěn)定。

(a)1#試樣膨脹率時(shí)程曲線

(b)2#試樣膨脹率時(shí)程曲線

(c)3#試樣膨脹率時(shí)程曲線

(d)4#試樣膨脹率時(shí)程曲線圖4 各試樣膨脹率時(shí)程曲線

圖5 各試樣膨脹率隨循環(huán)次數(shù)變化曲線

繪制各試樣的膨脹率隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線，如圖5所示。從循環(huán)次數(shù)與膨脹率的曲線圖來看，在最初的4個(gè)循環(huán)中，膨脹率基本保持線性增長的趨勢，隨后隨著循環(huán)次數(shù)增加逐漸趨于穩(wěn)定。泥質(zhì)巖長期處于浸水膨脹失水收縮的循環(huán)作用下其試樣內(nèi)部產(chǎn)生越來越多的微裂隙，新產(chǎn)生的微裂隙使得巖體顆粒的表面積增加，吸水率增強(qiáng)，膨脹率隨之增加，但是在微裂縫增加到一定程度后，新產(chǎn)生的微裂縫逐漸減少，膨脹率也隨之趨于穩(wěn)定。

3.1.2 失水收縮變形特征

泥質(zhì)巖在失水條件下產(chǎn)生收縮變形，為探究試樣在干濕循環(huán)過程中的失水收縮變形特性，將每次循環(huán)中的收縮量隨時(shí)間的變化關(guān)系用圖6中曲線來表示。其中縱坐標(biāo)為每次失水收縮時(shí)產(chǎn)生的變形量，橫坐標(biāo)為失水收縮的時(shí)間。

(a)1#試樣收縮變形時(shí)程曲線

(b)2#試樣收縮變形時(shí)程曲線

(c)3#試樣收縮變形時(shí)程曲線

(d)4#試樣收縮變形時(shí)程曲線圖6 收縮變形量時(shí)程曲線

由收縮變形時(shí)程曲線可以看到，試樣在加熱干燥初期的半個(gè)小時(shí)左右，由于試樣表面以及內(nèi)部被大量自由水包圍，水分首先吸收熱量蒸發(fā)，試樣在熱脹冷縮的物理作用下變形量會保持短時(shí)間不變或者有較緩的上升趨勢。隨著水分的蒸發(fā)減少，試樣開始受熱產(chǎn)生收縮變形，前5 h的收縮變形量已經(jīng)能夠達(dá)到總收縮量的90 %以上，隨后變形趨于平緩。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，雖然其變形曲線的形狀相似，但其收縮量隨循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增加。由圖中各試樣的收縮曲線可見，干濕循環(huán)作用導(dǎo)致試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，使結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生裂隙或?qū)е虏糠诸w粒剝落，產(chǎn)生收縮變形。

3.1.3 含水率以及變化速率分析

經(jīng)過多次循環(huán)試驗(yàn)后，隨著試樣中的裂隙增多其吸水量也逐漸變大，經(jīng)過6次干濕循環(huán)后試樣的含水率相對于之前的初始含水率有所提高，各試樣的初始含水率以及24 h飽水含水率如表2所示。

表2 各試樣參數(shù)

從上表中可以看到，經(jīng)過幾次干濕循環(huán)后試樣的密度均有所減小，且減小值在0.1 g/cm3左右，含水率有所增加，增加值在2 %左右，說明了干濕循環(huán)作用影響了試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使得泥質(zhì)巖的吸水性能有一定提高。

在每個(gè)循環(huán)變形過程中，浸水初期變形速率較大使得泥質(zhì)巖膨脹變形量迅速增加，其一個(gè)小時(shí)的變形速率最高達(dá)到了2.06 mm/h，隨后逐漸減小最后基本趨于零，變形速率的變化規(guī)律導(dǎo)致了試樣高度首先快速增長，隨后增長變換最后趨于穩(wěn)定的特點(diǎn)。

3.2 泥質(zhì)巖浸水與失水多個(gè)循環(huán)變形特征分析

圖7 為全過程干濕循環(huán)中試樣的變形曲線。由圖中曲線可見，試樣的膨脹變形以及收縮變形與時(shí)間的關(guān)系曲線均屬于非線性關(guān)系。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，泥質(zhì)巖試樣在浸水時(shí)產(chǎn)生快速膨脹變形，尤其在浸水初期階段現(xiàn)象明顯，其最開始一個(gè)小時(shí)膨脹變形量能夠達(dá)到總膨脹變形量的70 %以上。

圖7 整過程變形曲線

對于收縮變形而言，雖然其每次收縮變形量隨循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增加，但是由于浸水時(shí)試樣內(nèi)部產(chǎn)生了不可逆的變形，故收縮后的試樣高度并不能還原到失水收縮前的原始高度，這使得試樣的累積變形量越來越大，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，相鄰兩次循環(huán)之間的累積變形量逐漸減小，試樣的累積變形量逐漸趨于穩(wěn)定。

繪制不同含水率情況下試樣在干濕循環(huán)中的變形曲線圖，得到如圖8所示的變形量-時(shí)間關(guān)系曲線。對應(yīng)表2中的參數(shù)可知，試樣的初始含水率是影響試樣變形量的原因之一，1#～4#試樣含水率逐漸增加，隨著干濕循環(huán)試驗(yàn)的進(jìn)行，最終泥質(zhì)巖的變形量隨初始含水率的增加而增加，含水率較大的4#試樣在經(jīng)過6次干濕循環(huán)試驗(yàn)后變形量最大。

圖8 不同含水率變形量-時(shí)間曲線

4 結(jié)論

(1)紅層泥質(zhì)巖具有浸水膨脹失水收縮的變形特性，尤其是在外界環(huán)境的干濕循環(huán)條件下，變形特性更是明顯。

(2)在每個(gè)循環(huán)過程中，泥質(zhì)巖的膨脹變形量以及收縮變形量隨循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增加，且在浸水膨脹變形與失水收縮變形循環(huán)初期，泥質(zhì)巖的變形速率均呈現(xiàn)由大到小最后趨近與零的規(guī)律。

(3)紅層泥質(zhì)巖在干濕循環(huán)條件下逐漸產(chǎn)生不可逆的變形累積，導(dǎo)致泥質(zhì)巖產(chǎn)生較大的凈膨脹量，且最終膨脹量與泥質(zhì)巖的初始含水率有一定的關(guān)系，即隨初始含水率的增加而增大。