卢氏膨胀岩膨胀和强度试验研究

张善凯，冷先伦

(1.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071；2.中国科学院大学，北京 100049)

1 概述

膨胀岩是一种特殊软岩，由吸水性黏土矿物组成，在吸水湿润时表现出膨胀和强度软化行为[1]。由于这种特殊性的存在导致了膨胀岩工程特性受到严重影响，比如膨胀岩边坡失稳和路基膨胀损坏[2]。作为典型的非饱和地质材料，膨胀岩的抗剪强度与含水量有很大关系。关于膨胀岩的膨胀和强度特征很多学者做了大量的研究，其中王军等[3]进行了膨胀岩强度特性的研究，含水量对膨胀岩的强度有着强烈影响的结论；孙树林[4-6]等研究了改良膨胀土的抗剪强度特征；李建华[7]等进行了非饱和膨胀土抗剪强度的三轴试验；李科成[8-13]等研究了膨胀土抗剪强度的不同的影响因素；曾志雄[14]等用3种方法测得膨胀岩的膨胀力，得到了膨胀力与初始含水率呈线性负相关的结论。

在以上研究并未充分对比膨胀岩膨胀变形后的抗剪强度的变化。为了更好地了解膨胀岩膨胀变形后对剪切强度的影响，本文对不同含水条件下的膨胀岩进行了一系列膨胀变形和直剪试验。根据膨胀变形试验结果，提出了膨胀应变公式、膨胀力与含水率的关系公式；根据直剪试验得到了卢氏膨胀岩膨胀前后的抗剪强度变化规律以及初始含水率对抗剪强度的影响。

2 试验概述

2.1 试样获取

膨胀岩样品取自蒙西铁路三门峡市卢氏县境内膨胀岩高边坡处。将钻孔岩芯(见图1)先后用保鲜膜、防水纸和胶带包裹后用石蜡封存。在实验室内将强风化膨胀岩经过充分泡水崩解泥化，对其基本物理参数进行了测试，见表1所示。

图1 膨胀岩取样现场

表1 膨胀岩基本性质Table1 Basicpropertiesofexpansivemudstone天然含水率/%干密度/(g·cm-3)比重/Gs液限wL/%塑限wP/%塑性指数IP/%71.862.7534.620.314.3

采用D8Advance X射线衍射仪得到卢氏膨胀岩X射线成分分析结果如图2所示。卢氏膨胀岩的矿物成分主要以黏土矿物、铁白云石和石英为主，其中黏土矿物占36.03%，包括伊利石、蒙脱石和绿泥石。

图2 膨胀岩矿物成分

2.2 试样制备

鉴于卢氏膨胀岩的脆性，很难获得许多具有一定形状的天然样品。因此使用直径为61.8 mm，高度为20.0 mm的重塑样品进行膨胀变形和直接剪切试验。首先将风化的膨胀岩粉碎，然后筛过直径为2.0 mm的筛子；将已计算好一定质量的水混合到样品中以获得相当均匀的混合物；之后将具有不同初始含水量的样品在圆柱形模具中压制成形，使其达到天然膨胀岩的干密度(1.86 g/cm-3)。样品初始含水量分别为6%、10%、14%、18%。

2.3 试验方案

膨胀试验在固结仪中完成，分别在0、12.5、25、50、75、100、125、150、200 kPa的垂直法向应力下进行膨胀变形试验。在膨胀变形试验后，将25、50、100、200 kPa的垂直法向应力下的样品拆下并用做快速剪切试验，并且在剪切过程中施加在每个样品上的正应力与膨胀变形试验期间应力一致。将其余试样称量质量计算含水率。另外分别在25、50、100、200 kPa的垂直法向应力下对膨胀前样品进行直接剪切试验，以确定膨胀前的剪切强度参数。在本次实验中采用0.8 mm/min的位移速率进行剪切。

3 膨胀试验

3.1 有荷膨胀试验

膨胀岩吸水膨胀后，根据不同初始含水率样品在不同的上覆荷载下的膨胀变形，膨胀率与上覆荷载之间的关系曲线如图3所示。由图3可以看出，在相同上覆荷载下，初始含水率越低的试样，膨胀率就会越大。在初始含水率一定的条件下，随着上覆荷载增加，试样的有荷膨胀率减小，可以发现有荷膨胀率与上部荷载的对数呈线性关系[15]。

图3 膨胀率与上覆荷载之间的关系

当上覆荷载为0时，即无荷膨胀状态，在对数表达式中，出现lnp无意义的情况，导致数学模型建立的困难，对此一般的处理方式为在原始上覆荷载条件下，均对初始值增加1，变为ln(p+1)。分析有荷膨胀率ε与上覆荷载p+1之间的相关关系研究。在半对数坐标系中，有荷膨胀率ε与ln(p+1)基本呈负相关关系(如图4所示)，可用下式进行线性拟合：

ε=aln(p+1)+b

(1)

式中：a、b为与含水率相关的拟合参数。

图4 有荷膨胀率与上覆荷载对数之间的关系

拟合结果：

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)

拟合参数a和b与初始含水率大致呈线性关系(如图5所示)。

图5 参数a和b的拟合曲线

a和b与初始含水率ω之间的线性表达式为：

a=eω+f

(6)

b=gω+h

(7)

式中：ω为试样的初始含水率；e、f、g、h为拟合参数。将式(6)、式(7)代入式(1)中，可以得到有荷膨胀率、初始含水率、上覆荷载这3个变量之间的拟合关系式：

ε=(eω+f)ln(p+1)+(gω+h)

(8)

通过线性拟合得到参数a和b与初始含水率ω的关系式：

a=0.146ω-0.046 2

(9)

b=-0.882 5ω+0.210 1

(10)

将式(9)、式(10)代入式(8)得到式(11)，即卢氏膨胀岩膨胀模型：

ε=(0.146ω-0.046 2)ln(p+1)+

(-0.882 5ω+0.210 1)

(11)

3.2 膨胀力研究

在有荷膨胀率与上覆荷载的关系曲线上，当有荷膨胀率为零时所对应的上覆荷载就是该含水率下样品的膨胀力。膨胀力与初始含水率的关系如图6所示，初始含水率与膨胀力之间具有较好的线性负相关的关系，即膨胀力随初始含水率增大而减小。膨胀力与初始含水率之间的关系可以用下式进行拟合：

P=iω+j

(12)

式中：P为膨胀力,kPa；ω为试样的初始含水率；i，j为拟合参数。

拟合结果：

P=-333.75ω+79.625，R2=0.966 6

(13)

图6 膨胀力-初始含水率变化曲线

4 直剪试验

4.1 膨胀岩膨胀后的抗剪强度

在膨胀试验结束以后，将25、50、100、200 kPa垂直应力下的试样取出放入直剪仪进行快剪试验，得到不同初始含水率试样的剪应力与位移的变化规律如图7所示。其余试样取出后擦去表面水分称量质量计算含水率，得到膨胀试验后的试验已接近饱和。由图7可知虽然是在不同初始含水率状态下但是具有相似的剪切曲线形式，且随着初始含水率的增加，剪切强度逐渐增加。

取各曲线峰值可以得到不同初始含水率试样膨胀后的抗剪强度与正应力的关系曲线，如图8所示。对于初始含水率高的试样，表现出抗剪强度也高，这是由于初始含水率低的试样在泡水后吸收的水更多，试样的膨胀变形更大，土样更疏松，颗粒之间的联结力会减小，所以更容易发生剪切破坏，表现为剪切强度的降低[16]。

(a)含水率为6%时

图8 膨胀后膨胀岩抗剪强度与正应力之间的关系

通过线性拟合膨胀后样品的抗剪强度与正应力的关系(见表2)，得到其抗剪强度指标粘聚力c和内摩擦角φ。随着初始含水率的减小，粘聚力c呈减小的趋势，而内摩擦角φ变化很小。当初始含水率由18%减小到6%时，粘聚力c从74.27 kPa急剧减小至38.97 kPa，而内摩擦角φ基本在29.11°～30.11°范围内保持不变。

表2 膨胀岩膨胀后抗剪强度参数Table2 Shearstrengthparametersofexpandedrockafterex-pansion初始含水率/%粘聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)638.9729.331053.4029.791461.2429.741874.2730.12

4.2 膨胀岩膨胀前的抗剪强度

在25、50、100、200 kPa的垂直法向应力下对膨胀前样品进行直接剪切试验，以确定膨胀前的剪切强度参数。试样的剪应力与剪切位移之间的关系如图9所示，可以发现与膨胀后剪切曲线的不同之处在于随着剪切位移的增加，剪应力增大至峰值后会迅速的减小。在相同垂直压力下，含水率越高的试样峰值应力越小。

(a)含水率为6%时

取各峰值强度值可以得到不同含水率的试样抗剪强度与正应力的关系曲线，如图10所示。通过线性拟合膨胀前抗剪强度与正应力的关系，得到膨胀岩抗剪强度参数粘聚力c和内摩擦角φ(见表3)。粘聚力和内摩擦角都随着含水率的增加而减小，当初始含水率由6%增加到18%时，膨胀岩粘聚力c由144.82 kPa急剧减小至64.4 kPa，内摩擦角φ由47.98°减小至38.31°。

图10 膨胀前膨胀岩抗剪强度与正应力之间的关系

对比卢氏膨胀岩吸水前后的抗剪强度参数(见表2、表3)，发现试样吸水膨胀后的黏聚力和摩擦角明显降低，初始含水率越低的试样黏聚力和内摩擦角衰减幅度越大，尤其是黏聚力最为敏感。

表3 膨胀岩膨胀前抗剪强度参数Table3 Shearstrengthparametersofexpandedrockbeforeex-pansion初始含水率/%粘聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)6144.8247.8810122.1345.401488.9745.161864.4038.40

5 结论

本文通过一系列膨胀试验和直剪试验研究了初始含水率对强风化卢氏膨胀岩膨胀性和剪切强度特性的影响以及膨胀前后抗剪强度的变化规律，主要得到以下认识：

a.在卢氏膨胀岩的膨胀试验中，膨胀应变和膨胀压力都随初始含水量的增加而减小；膨胀应变、膨胀压力与初始含水量之间存在线性关系。

b.膨胀应变与膨胀压力的对数呈线性关系，得到了膨胀应变、膨胀压力与初始含水率的拟合表达式，得到了卢氏膨胀岩的膨胀模型。

c.膨胀前样品的剪切强度参数随初始含水量的增加而降低，膨胀前膨胀岩处于非饱和状态，随着含水量的增加，水起到润滑的作用削弱了颗粒之间的摩擦力，使膨胀岩的抗剪强度降低。

d.吸水膨胀后的膨胀岩剪切强度大大降低，在膨胀过程中膨胀岩吸水饱和，使初始含水量较低的样品表现出较大的劣化，表现为随着初始含水量的增加，膨胀后样品的黏聚力增加，而内摩擦角保持恒定。