壓實作用對泥巖膨脹性及水分遷移影響

張?zhí)畦?，馬麗娜,2，張戎令,2,3，王起才,2，王天雙

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué)道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，甘肅 蘭州 730070；3.卡迪夫大學(xué)工程學(xué)院，英國 CF24 3AA)

0 引言

膨脹土是一種高塑性的特殊土，其變形與破壞具有反復(fù)性和長期潛在性等特點，對房屋、管道、鐵路等工程的安全極為不利，對國民經(jīng)濟造成巨大損失，工程界常稱之為災(zāi)害性土[1]。

關(guān)于膨脹性土的研究具有區(qū)域性和工程具體性，國內(nèi)外學(xué)者對其各種性質(zhì)進行了大量研究并取得了頗有價值的理論成果。孫德安等[2]采用飽和鹽溶液蒸汽平衡法測量了壓實南陽膨脹土在不同吸力下含水率和孔隙比等一系列土水特性。王曉燕等[3]利用CT(Computerized Tomography)機對南水北調(diào)中線工程膨脹土擊實樣細觀結(jié)構(gòu)演化進行了無損實時動態(tài)掃描。王文良等[4]以安康地區(qū)膨脹土為研究對象，進行了膨脹土及石灰改良膨脹土膨脹性能和強度的相關(guān)試驗，提出使用石灰改良膨脹土對飛機跑道進行地基處理。文松松等[5]采用寧明膨脹土為研究對象，開展了膨脹土在蒸餾水飽和環(huán)境下的膨脹特性研究，探究了其膨脹機理。SUN D A等[6]通過研究高廟子膨脹土與砂土組成的混合土的膨脹性，提出了可以預(yù)測不同干密度和不同膨脹土/砂土比的混合土的膨脹變形和膨脹力公式。

上述研究對進一步理解膨脹土的變形特性及膨脹量的預(yù)測都具有一定的實際工程意義，但其主要集中在對小型膨脹土樣的特性研究，實際工程中，巖土體膨脹伴隨水分遷移，對較大尺寸高速鐵路膨脹泥巖地基膨脹性及水分遷移研究尚不多見。而工程現(xiàn)場地基均以大體積泥巖為主，進行較大尺寸膨脹特性研究更接近現(xiàn)場實際情況。從土工試驗技術(shù)本身發(fā)展來看，大尺寸土工試驗的應(yīng)用，可以更大程度上降低巖土試樣的局部缺陷、取樣擾動等不可避免的隨機因素，使試驗更宏觀化，在同樣儀器精度下，提高試驗成果的精度和可靠度[7]。因此，對較大尺寸膨脹泥巖地基進行膨脹及水分遷移試驗研究變得更為必要。

本文依托蘭新高鐵第二雙線，鉆取一處典型膨脹地段的泥巖，在室內(nèi)進行三組較大尺寸試驗研究，對比分析壓實作用對泥巖膨脹及水分遷移的影響，并采用體式顯微鏡對泥巖進行微觀結(jié)構(gòu)分析。為膨脹泥巖地區(qū)高速鐵路的修建提供參考依據(jù)。

1 試驗設(shè)計及過程

共進行3種不同干密度(干密度分別為1.4 g/cm3、1.5 g/cm3、1.6 g/cm3)的試驗，對比分析壓實作用對較大尺寸泥巖膨脹性及水分遷移的影響。

1.1 土樣性質(zhì)

試驗?zāi)鄮r取自蘭新高鐵第二雙線DK1236處，采用鉆機取樣，取樣深度8～13 m。按照規(guī)范[8]測得其物理力學(xué)指標見表1。

表1 泥巖基本物理力學(xué)指標

1.2 試驗過程

(1)在試驗開始前，將巖芯碾細，置于50°恒溫烘箱內(nèi)將泥巖徹底烘干，以避免鉆芯過程中殘留水分對試驗的影響；

(2)為排除泥巖粒徑過大影響水分遷移規(guī)律，使得粒徑對水分遷移的影響降至最小并保留實際泥巖中的顆粒，將烘干泥巖過5 mm篩以備后期夯實；

(3)實際工程現(xiàn)場分析中假定大地為半無限體，只發(fā)生豎向膨脹。本次試驗為限制泥巖側(cè)向膨脹變形，加工直徑32 cm，高45 cm，厚2 mm的鋼制試驗箱進行試驗；

(4)使用手夯錘人工分層夯實泥巖，通過控制夯實的質(zhì)量及每層的夯實厚度來控制試樣的均一性，并在分層處進行鑿毛處理，三組試驗夯實厚度均為40 cm，將TDR-4型濕度傳感器布置在距離試驗箱底部2 cm、18.5 cm和35 cm處，用以測定試驗箱水分遷移速度及規(guī)律。TDR-4型濕度傳感器外形呈四針圓柱結(jié)構(gòu)，探針材料為316L不銹鋼，密封材料為ABS工程塑料，測試精度達到2%，屬埋入式水分測量儀器，其抗壓能力強，滿足試驗強夯的要求；

(5)試驗為豎向注水，為防止水流對土體產(chǎn)生沖刷，在夯實泥巖頂部放置一塊直徑30 cm、厚3 cm、帶孔的圓形塑料滲水板。

(6)在滲水板上沿直徑布置量程50.000 mm，精度0.001 mm的位移傳感器以量測泥巖的膨脹量，位移傳感器布置3個用于相互校準；

(7)傳感器布置完后進行注水及讀數(shù)工作，試驗中保持滲水板上一直有水，每天進行至少6次讀數(shù)以保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性，當所有傳感器讀數(shù)均基本穩(wěn)定，則結(jié)束試驗；

(8)試驗示意圖如圖1所示，試驗由注水系統(tǒng)(a)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(b)和試驗箱(c)組成。

圖1 試驗示意圖Fig.1 Testing diagram1—位移傳感器；2—滲水板(帶孔)，方便水流入滲；3—夯實泥巖；4—鋼制試驗箱；5—濕度傳感器；6—注水方向(由上往下)。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 干密度對泥巖膨脹性的影響

以試驗歷時為橫坐標，不同干密度下泥巖的膨脹量為縱坐標進行繪圖(圖2)。

圖2 不同干密度泥巖膨脹歷時圖Fig.2 Swelling diagram of mudstone with different dry densities

由圖2可知，該地區(qū)泥巖在浸水之后確實會發(fā)生膨脹，再一次印證了課題組馬麗娜等[9-13]的觀點。隨著時間的增加，膨脹量呈非線性增加，不同干密度狀態(tài)下的泥巖膨脹均經(jīng)歷初期快速陡增階段、中期膨脹減緩階段和后期膨脹穩(wěn)定階段；干密度越小的泥巖經(jīng)歷初期快速陡增階段時間越短，陡增速率越大；試驗結(jié)束時，干密度為1.4 g/cm3、1.5 g/cm3、1.6 g/cm3的泥巖最終膨脹量分別為9.265 mm、12.635 mm和16.562 mm，最終膨脹率為2.316%、3.159%和4.141%。

圖3為不同干密度對應(yīng)膨脹量及膨脹率關(guān)系圖。由圖3可知，穩(wěn)定膨脹量和穩(wěn)定膨脹率均隨著干密度的增加呈近似線形增加。

圖3 干密度與膨脹量、膨脹率關(guān)系圖Fig.3 Relationship between the dry density and swelling increment and swelling rate

分析產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因：泥巖對水分敏感，一經(jīng)浸水，立即發(fā)生膨脹，因此出現(xiàn)初期膨脹陡增現(xiàn)象；膨脹的產(chǎn)生除了與自生的性質(zhì)相關(guān)外，外力對其影響也較大，相同性質(zhì)的泥巖，壓實過程也即固結(jié)過程對膨脹有一定的抑制作用，干密度越大，其壓實作用也越大，從而產(chǎn)生陡增速率隨著干密度的增加逐漸減小的現(xiàn)象；相同體積的泥巖，其干密度越大，則所含的膨脹性成分越多，儲存的膨脹能也越大，因此干密度大的泥巖最終膨脹量大。

2.2 干密度對泥巖水分遷移的影響

泥巖的膨脹與水分遷移息息相關(guān)，以試驗歷時為橫坐標，試驗箱不同位置處泥巖體積含水率為縱坐標進行繪圖。在各不同壓實作用下的泥巖中所量測的體積含水率增長規(guī)律相同，以1.4 g/cm3泥巖試驗箱為例進行論述，如圖4所示，其他試驗箱體積含水率增長時程曲線不再進行贅述。

圖4 體積含水率變化曲線(1.4 g/cm3)Fig.4 Volumetric moisture content curve (1.4 g/cm3)

由圖4可知，試驗箱中不同位置處泥巖體積含水率隨時間均呈非線性增大，最后趨于一定值；其增大規(guī)律均相同，增大過程均呈跳躍式快速增長階段、外凸弧線緩慢增長階段和后期穩(wěn)定階段；干密度為1.4 g/cm3的泥巖上部、中部和底部穩(wěn)定體積含水率分別為53.48%、53.26%和56.33%，同理可得其他兩組試驗箱各不同位置處的穩(wěn)定體積含水率(表2)。

表2 泥巖穩(wěn)定體積含水率

由表2可知，1.4 g/cm3試驗箱上部泥巖和中部泥巖體積含水率幾近相同，而底部泥巖體積含水率大于上部和中部泥巖的體積含水率；干密度為1.5 g/cm3的泥巖不同位置處泥巖體積含水率近似相同；干密度為1.6 g/cm3的泥巖上部、中部和底部穩(wěn)定體積含水率分別為呈上部>中部>底部的規(guī)律，隨著深度的增加，體積含水率呈減小趨勢。

分析上述實驗現(xiàn)象：干密度1.4 g/cm3的泥巖孔隙率較大，在該干密度狀態(tài)下大氣影響深度較夯實泥巖厚度大許多，水分易于在該壓實狀態(tài)下遷移，在重力作用下水分向下運動，在試驗結(jié)束時在試驗箱底部有一定的水分積累，因此，該干密度狀態(tài)下的試驗箱底部體積含水率較上部和中部大；干密度1.6 g/cm3的泥巖壓實度最大，其孔隙率最小，大氣影響深度較1.4 g/cm3的泥巖減小較多，水分越往下越難以滲透，另外，水分在泥巖中遷移的同時發(fā)生膨脹，膨脹使得土顆粒之間相互擠密，已浸水膨脹泥巖與上覆水層形成密封層，不利于水分向下遷移，從而導(dǎo)致試驗箱越深處的泥巖體積含水率越小；干密度1.5 g/cm3的泥巖，其大氣影響深度介于其他兩個試驗箱之間，泥巖膨脹擠密作用適中，因此試驗結(jié)束時該試驗箱不同位置處泥巖體積含水率相同。

泥巖體積含水率增量與其所處的濕度狀態(tài)相關(guān)，以體積含水率為橫坐標，體積含水率增量為縱坐標進行繪圖，以干密度1.4 g/cm3泥巖為例(圖5)。

由圖5可知，泥巖在體積含水率較低時體積含水率增量最大，之后急劇減小，最后趨于穩(wěn)定。經(jīng)分析是由于體積含水率低時其基質(zhì)吸力較大，此時水分遷移速度較快，因此體積含水率增長較快，浸水后泥巖基質(zhì)吸力急劇減小，此時體積含水率增量較小。

圖5 體積含水率增量曲線Fig.5 Volumetric moisture content increment curve

由上述分析可知，當水分遷移到濕度傳感器位置時，濕度傳感器讀數(shù)會發(fā)生驟增，因此可通過體積含水率驟增點的時間來計算水分在泥巖中的平均遷移速度(表3)。其中T上表示注水開始至上部濕度傳感器發(fā)生驟增所需要的時間，V上表示水分在上部傳感器與土體表面之間的遷移速度。

由表3可知，水分遷移受干密度影響較大，隨著干密度的增加，水分在不同干密度的試驗箱中遷移相同距離所需要的時間逐漸增加，水分遷移速度逐漸減小。

表3 水分遷移規(guī)律

3 微觀分析

巖土體微觀結(jié)構(gòu)特征是巖土體的一個重要物理指標，通過對微觀結(jié)構(gòu)的研究，可以對巖土體的各種物理力學(xué)現(xiàn)象給出最合理的解釋[14]。因此，對泥巖進行微觀結(jié)構(gòu)分析很有必要。

3.1 試驗準備

試驗采用體式顯微鏡(AxioCam MRc5 2.0)對泥巖的微結(jié)構(gòu)進行直觀觀察。該體式顯微鏡在150倍(×150)及150倍以下可以得到較好的觀察效果；用150倍以上倍數(shù)觀察巖土試樣，對巖土體試樣平整度以及燈光的要求較高，難以得到理想的觀察效果，試驗選用較大的過篩泥巖顆粒，對其進行膨脹前后觀察。

3.2 結(jié)果分析

試驗選擇在80倍(×80)、100倍(×100)、150倍(×150)狀態(tài)下將泥巖膨脹前后的結(jié)構(gòu)進行對比分析(圖6)。

圖6 膨脹前后結(jié)構(gòu)對比圖Fig.6 Comparison of the structures before and after expansion

由圖6中膨脹前的結(jié)構(gòu)可以看出泥巖顆粒無層理構(gòu)造，顆粒分明，有大量晶型完整的石英礦物顆粒，石英顆粒粒徑均勻,有一定磨圓度，顆粒與顆粒接觸較少，雜亂無序地鑲嵌于黏土基質(zhì)中，與黏土體顆粒共混；巖土體孔隙較為發(fā)育，孔徑大小不定，連通性較好，可為水分遷移提供通道；裂隙不發(fā)育，偶見裂隙，無層理構(gòu)造，黏土基質(zhì)可見氧化鐵染紅現(xiàn)象，顏色較淺；石英顆粒與黏土基質(zhì)粘結(jié)較強，結(jié)構(gòu)致密。泥巖浸水膨脹之后，泥巖呈泥質(zhì)狀態(tài)，土體顆粒較膨脹前模糊；氧化鐵染紅現(xiàn)象加??；石英顆粒與黏土礦物之間界限模糊，偶見石英顆粒；石英顆粒與黏土礦物之間粘結(jié)發(fā)生破壞，水分在泥巖孔隙中遷移，使得更多黏粒成分浸水膨脹，從而使得泥巖總體積增大。

4 結(jié)論

進行了三組較大尺寸的試驗研究，并采用體式顯微鏡進行了微觀結(jié)構(gòu)分析，得到如下結(jié)論：

(1)不同干密度狀態(tài)下的泥巖膨脹均呈三段式膨脹，包括：初期快速陡增階段、中期膨脹減緩階段和后期膨脹穩(wěn)定階段，干密度小的泥巖陡增速率大，干密度大的泥巖反之；

(2)隨著干密度的增加，泥巖最終膨脹量和最終膨脹率近似呈線形增加；

(3)不同干密度、不同位置處泥巖體積含水率增大規(guī)律相同，增大過程均呈跳躍式快速增長階段、外凸弧線緩慢增長階段和后期穩(wěn)定階段；干密度越大，膨脹擠密效果越明顯，大氣影響深度越小，泥巖水分遷移速度越小；

(4)該地泥巖泥巖中存在較為發(fā)育且連通性較好的孔隙，孔隙的存在利于水分的遷移，使得泥巖易于膨脹。