盧氏膨脹巖膨脹和強度試驗研究

張善凱，冷先倫

(1.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

1 概述

膨脹巖是一種特殊軟巖，由吸水性黏土礦物組成，在吸水濕潤時表現(xiàn)出膨脹和強度軟化行為[1]。由于這種特殊性的存在導(dǎo)致了膨脹巖工程特性受到嚴(yán)重影響，比如膨脹巖邊坡失穩(wěn)和路基膨脹損壞[2]。作為典型的非飽和地質(zhì)材料，膨脹巖的抗剪強度與含水量有很大關(guān)系。關(guān)于膨脹巖的膨脹和強度特征很多學(xué)者做了大量的研究，其中王軍等[3]進(jìn)行了膨脹巖強度特性的研究，含水量對膨脹巖的強度有著強烈影響的結(jié)論；孫樹林[4-6]等研究了改良膨脹土的抗剪強度特征；李建華[7]等進(jìn)行了非飽和膨脹土抗剪強度的三軸試驗；李科成[8-13]等研究了膨脹土抗剪強度的不同的影響因素；曾志雄[14]等用3種方法測得膨脹巖的膨脹力，得到了膨脹力與初始含水率呈線性負(fù)相關(guān)的結(jié)論。

在以上研究并未充分對比膨脹巖膨脹變形后的抗剪強度的變化。為了更好地了解膨脹巖膨脹變形后對剪切強度的影響，本文對不同含水條件下的膨脹巖進(jìn)行了一系列膨脹變形和直剪試驗。根據(jù)膨脹變形試驗結(jié)果，提出了膨脹應(yīng)變公式、膨脹力與含水率的關(guān)系公式；根據(jù)直剪試驗得到了盧氏膨脹巖膨脹前后的抗剪強度變化規(guī)律以及初始含水率對抗剪強度的影響。

2 試驗概述

2.1 試樣獲取

膨脹巖樣品取自蒙西鐵路三門峽市盧氏縣境內(nèi)膨脹巖高邊坡處。將鉆孔巖芯(見圖1)先后用保鮮膜、防水紙和膠帶包裹后用石蠟封存。在實驗室內(nèi)將強風(fēng)化膨脹巖經(jīng)過充分泡水崩解泥化，對其基本物理參數(shù)進(jìn)行了測試，見表1所示。

圖1 膨脹巖取樣現(xiàn)場

表1 膨脹巖基本性質(zhì)Table1 Basicpropertiesofexpansivemudstone天然含水率/%干密度/(g·cm-3)比重/Gs液限wL/%塑限wP/%塑性指數(shù)IP/%71.862.7534.620.314.3

采用D8Advance X射線衍射儀得到盧氏膨脹巖X射線成分分析結(jié)果如圖2所示。盧氏膨脹巖的礦物成分主要以黏土礦物、鐵白云石和石英為主，其中黏土礦物占36.03%，包括伊利石、蒙脫石和綠泥石。

圖2 膨脹巖礦物成分

2.2 試樣制備

鑒于盧氏膨脹巖的脆性，很難獲得許多具有一定形狀的天然樣品。因此使用直徑為61.8 mm，高度為20.0 mm的重塑樣品進(jìn)行膨脹變形和直接剪切試驗。首先將風(fēng)化的膨脹巖粉碎，然后篩過直徑為2.0 mm的篩子；將已計算好一定質(zhì)量的水混合到樣品中以獲得相當(dāng)均勻的混合物；之后將具有不同初始含水量的樣品在圓柱形模具中壓制成形，使其達(dá)到天然膨脹巖的干密度(1.86 g/cm-3)。樣品初始含水量分別為6%、10%、14%、18%。

2.3 試驗方案

膨脹試驗在固結(jié)儀中完成，分別在0、12.5、25、50、75、100、125、150、200 kPa的垂直法向應(yīng)力下進(jìn)行膨脹變形試驗。在膨脹變形試驗后，將25、50、100、200 kPa的垂直法向應(yīng)力下的樣品拆下并用做快速剪切試驗，并且在剪切過程中施加在每個樣品上的正應(yīng)力與膨脹變形試驗期間應(yīng)力一致。將其余試樣稱量質(zhì)量計算含水率。另外分別在25、50、100、200 kPa的垂直法向應(yīng)力下對膨脹前樣品進(jìn)行直接剪切試驗，以確定膨脹前的剪切強度參數(shù)。在本次實驗中采用0.8 mm/min的位移速率進(jìn)行剪切。

3 膨脹試驗

3.1 有荷膨脹試驗

膨脹巖吸水膨脹后，根據(jù)不同初始含水率樣品在不同的上覆荷載下的膨脹變形，膨脹率與上覆荷載之間的關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可以看出，在相同上覆荷載下，初始含水率越低的試樣，膨脹率就會越大。在初始含水率一定的條件下，隨著上覆荷載增加，試樣的有荷膨脹率減小，可以發(fā)現(xiàn)有荷膨脹率與上部荷載的對數(shù)呈線性關(guān)系[15]。

圖3 膨脹率與上覆荷載之間的關(guān)系

當(dāng)上覆荷載為0時，即無荷膨脹狀態(tài)，在對數(shù)表達(dá)式中，出現(xiàn)lnp無意義的情況，導(dǎo)致數(shù)學(xué)模型建立的困難，對此一般的處理方式為在原始上覆荷載條件下，均對初始值增加1，變?yōu)閘n(p+1)。分析有荷膨脹率ε與上覆荷載p+1之間的相關(guān)關(guān)系研究。在半對數(shù)坐標(biāo)系中，有荷膨脹率ε與ln(p+1)基本呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(如圖4所示)，可用下式進(jìn)行線性擬合：

ε=aln(p+1)+b

(1)

式中：a、b為與含水率相關(guān)的擬合參數(shù)。

圖4 有荷膨脹率與上覆荷載對數(shù)之間的關(guān)系

擬合結(jié)果：

ω=6%，ε=-0.0391 ln(p+1)+0.167 2，

R2=0.976 7

(2)

ω=10%，ε=-0.029 4 ln(p+1)+

0.108 3，R2=0.975 4

(3)

ω=14%，ε=-0.025 3 ln(p+1)+

0.083 2，R2=0.976 9

(4)

ω=18%，ε=-0.021 ln(p+1)+

0.057 9，R2=0.963 9

(5)

擬合參數(shù)a和b與初始含水率大致呈線性關(guān)系(如圖5所示)。

圖5 參數(shù)a和b的擬合曲線

a和b與初始含水率ω之間的線性表達(dá)式為：

a=eω+f

(6)

b=gω+h

(7)

式中：ω為試樣的初始含水率；e、f、g、h為擬合參數(shù)。將式(6)、式(7)代入式(1)中，可以得到有荷膨脹率、初始含水率、上覆荷載這3個變量之間的擬合關(guān)系式：

ε=(eω+f)ln(p+1)+(gω+h)

(8)

通過線性擬合得到參數(shù)a和b與初始含水率ω的關(guān)系式：

a=0.146ω-0.046 2

(9)

b=-0.882 5ω+0.210 1

(10)

將式(9)、式(10)代入式(8)得到式(11)，即盧氏膨脹巖膨脹模型：

ε=(0.146ω-0.046 2)ln(p+1)+

(-0.882 5ω+0.210 1)

(11)

3.2 膨脹力研究

在有荷膨脹率與上覆荷載的關(guān)系曲線上，當(dāng)有荷膨脹率為零時所對應(yīng)的上覆荷載就是該含水率下樣品的膨脹力。膨脹力與初始含水率的關(guān)系如圖6所示，初始含水率與膨脹力之間具有較好的線性負(fù)相關(guān)的關(guān)系，即膨脹力隨初始含水率增大而減小。膨脹力與初始含水率之間的關(guān)系可以用下式進(jìn)行擬合：

P=iω+j

(12)

式中：P為膨脹力,kPa；ω為試樣的初始含水率；i，j為擬合參數(shù)。

擬合結(jié)果：

P=-333.75ω+79.625，R2=0.966 6

(13)

圖6 膨脹力-初始含水率變化曲線

4 直剪試驗

4.1 膨脹巖膨脹后的抗剪強度

在膨脹試驗結(jié)束以后，將25、50、100、200 kPa垂直應(yīng)力下的試樣取出放入直剪儀進(jìn)行快剪試驗，得到不同初始含水率試樣的剪應(yīng)力與位移的變化規(guī)律如圖7所示。其余試樣取出后擦去表面水分稱量質(zhì)量計算含水率，得到膨脹試驗后的試驗已接近飽和。由圖7可知雖然是在不同初始含水率狀態(tài)下但是具有相似的剪切曲線形式，且隨著初始含水率的增加，剪切強度逐漸增加。

取各曲線峰值可以得到不同初始含水率試樣膨脹后的抗剪強度與正應(yīng)力的關(guān)系曲線，如圖8所示。對于初始含水率高的試樣，表現(xiàn)出抗剪強度也高，這是由于初始含水率低的試樣在泡水后吸收的水更多，試樣的膨脹變形更大，土樣更疏松，顆粒之間的聯(lián)結(jié)力會減小，所以更容易發(fā)生剪切破壞，表現(xiàn)為剪切強度的降低[16]。

(a)含水率為6%時

圖8 膨脹后膨脹巖抗剪強度與正應(yīng)力之間的關(guān)系

通過線性擬合膨脹后樣品的抗剪強度與正應(yīng)力的關(guān)系(見表2)，得到其抗剪強度指標(biāo)粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ。隨著初始含水率的減小，粘聚力c呈減小的趨勢，而內(nèi)摩擦角φ變化很小。當(dāng)初始含水率由18%減小到6%時，粘聚力c從74.27 kPa急劇減小至38.97 kPa，而內(nèi)摩擦角φ基本在29.11°～30.11°范圍內(nèi)保持不變。

表2 膨脹巖膨脹后抗剪強度參數(shù)Table2 Shearstrengthparametersofexpandedrockafterex-pansion初始含水率/%粘聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)638.9729.331053.4029.791461.2429.741874.2730.12

4.2 膨脹巖膨脹前的抗剪強度

在25、50、100、200 kPa的垂直法向應(yīng)力下對膨脹前樣品進(jìn)行直接剪切試驗，以確定膨脹前的剪切強度參數(shù)。試樣的剪應(yīng)力與剪切位移之間的關(guān)系如圖9所示，可以發(fā)現(xiàn)與膨脹后剪切曲線的不同之處在于隨著剪切位移的增加，剪應(yīng)力增大至峰值后會迅速的減小。在相同垂直壓力下，含水率越高的試樣峰值應(yīng)力越小。

(a)含水率為6%時

取各峰值強度值可以得到不同含水率的試樣抗剪強度與正應(yīng)力的關(guān)系曲線，如圖10所示。通過線性擬合膨脹前抗剪強度與正應(yīng)力的關(guān)系，得到膨脹巖抗剪強度參數(shù)粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ(見表3)。粘聚力和內(nèi)摩擦角都隨著含水率的增加而減小，當(dāng)初始含水率由6%增加到18%時，膨脹巖粘聚力c由144.82 kPa急劇減小至64.4 kPa，內(nèi)摩擦角φ由47.98°減小至38.31°。

圖10 膨脹前膨脹巖抗剪強度與正應(yīng)力之間的關(guān)系

對比盧氏膨脹巖吸水前后的抗剪強度參數(shù)(見表2、表3)，發(fā)現(xiàn)試樣吸水膨脹后的黏聚力和摩擦角明顯降低，初始含水率越低的試樣黏聚力和內(nèi)摩擦角衰減幅度越大，尤其是黏聚力最為敏感。

表3 膨脹巖膨脹前抗剪強度參數(shù)Table3 Shearstrengthparametersofexpandedrockbeforeex-pansion初始含水率/%粘聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)6144.8247.8810122.1345.401488.9745.161864.4038.40

5 結(jié)論

本文通過一系列膨脹試驗和直剪試驗研究了初始含水率對強風(fēng)化盧氏膨脹巖膨脹性和剪切強度特性的影響以及膨脹前后抗剪強度的變化規(guī)律，主要得到以下認(rèn)識：

a.在盧氏膨脹巖的膨脹試驗中，膨脹應(yīng)變和膨脹壓力都隨初始含水量的增加而減小；膨脹應(yīng)變、膨脹壓力與初始含水量之間存在線性關(guān)系。

b.膨脹應(yīng)變與膨脹壓力的對數(shù)呈線性關(guān)系，得到了膨脹應(yīng)變、膨脹壓力與初始含水率的擬合表達(dá)式，得到了盧氏膨脹巖的膨脹模型。

c.膨脹前樣品的剪切強度參數(shù)隨初始含水量的增加而降低，膨脹前膨脹巖處于非飽和狀態(tài)，隨著含水量的增加，水起到潤滑的作用削弱了顆粒之間的摩擦力，使膨脹巖的抗剪強度降低。

d.吸水膨脹后的膨脹巖剪切強度大大降低，在膨脹過程中膨脹巖吸水飽和，使初始含水量較低的樣品表現(xiàn)出較大的劣化，表現(xiàn)為隨著初始含水量的增加，膨脹后樣品的黏聚力增加，而內(nèi)摩擦角保持恒定。