红层软岩颗粒填料湿化变形规律试验研究

雷伟丽

摘 要：為了探究红层软岩颗粒填料的湿化变形规律，依据单线法及双线法测定不同湿化应力下填料湿化变形。结果表明：单线法与双线法所测填料湿化应变都随湿化应力的增大先减小后增加；当湿化应力较小时，单线法所测湿化变形大于双线法；当湿化应力较大时，单线法与双线法所测湿化应变曲线存在交叉现象。建议浅层采用单线法，深层采取单线法与双线法较大值的方式计算红层软岩填料湿化变形。

关键词：湿化变形；单线法；双线法；红层软岩

中图分类号：U416.1 文献标志码：B

文章编号：1000-033X（2017）03-0072-04

Abstract： In order to investigate the law of wetting deformation of granular filler in red bed soft rock， the wetting deformation of filler under different wetting stress was determined by single-line method and double-line method. The results show that the wetting strain of the filler measured by the single-line method and the double-line method decreases first and then increases with the increase of the wetting stress； when the wetting stress is small， the wetting deformation measured by the single-line method is greater than that by the double-line method； when the wetting stress is large， the wetting strain curves measured by the single-line method and the double-line method are crossed. It is suggested that for shallow layer， single-line method is a better choice for the calculation of wetting deformation； for deep layer， the one with bigger value is more applicable.

Key words： wetting deformation； single-line method； double-line method； red bed soft rock

0 引 言

在中国西南、中南等山区兴修公路、铁路等基础设施时，沿线削挖坡体会产生大量红层软岩；鉴于工程投资、工期及材料运输方面的限制，迫使人们考虑使用沿线红层软岩粗集料作为填方区域回填材料。当前，诸多学者[1-6]对红层软岩填料压实、颗粒破碎、崩解及剪切特性、化学组成及水理性质等基本物理化学性质进行研究，如毛雪松等[7]研究了浸水量、浸水时间对风化千枚岩填料路基湿化变形、变形率及回弹模量的影响，认为软岩填料遇水后强度降低，路基存在不均匀沉降变形；杜秦文等[8]采用双线法探究变质软岩路堤填料湿化变形规律，指出湿化应变大小与竖向偏应力与围压的比值及填料密度相关；左元明等[9]认为双线法与单线法所测定粗集料湿化变形存在差异，但未指出差异大小；沈广军等[10]采用单线法、双线法及修正双线法探究了硬质砂岩堆石料湿化变形，但软岩填料存在浸水后黏聚力增大、渗透系数减小的特性，尚不可知此方法是否适用于对软岩填料湿化变形的研究。

可见，虽然目前已有诸多工程采用红层软岩作用填料[11-17]，但对现有红层软岩填料湿化变形的研究较少。因此，本文基于双线法与单线法，采用WG型单杠杆（高压）固结仪探究不同应力水平下典型红层软岩-紫红泥岩填料的湿化变形规律，为科学合理利用红层软岩填料提供参考。

1 湿化试验设计

在重庆某港区取开挖出的新鲜紫红泥岩岩块作为试验材料，进行密度、含水率等基本物理参数测定以及单轴抗压强度测试，结果见表1。将机械破碎并初次筛分的泥岩颗粒烘干至恒重后，进行震动二次筛分，并按不同粒径大小密封保存。受试验仪器限制，采用相似级配法将原级配中粒径大于5 mm的泥岩颗粒作替换，确定试验填料级配曲线如图1所示（其中d为粒径，单位mm）；试样初始含水率为8.00%，干密度为1.80 g·cm-3。

在WG型单杠杆（高压）固结仪试验盒上方静置湿化水头为25 cm的盛水容器，通过控制管道内水流量的形式限制试验盒内水位上升速率为0.3 cm·min-1；待试验盒水满停止通水，随后进行泥岩填料湿化试验。试样为圆柱体，直径为79.8 mm，高为20 mm。按快速固结试验方法施加各级轴向荷载，其顺序为：0、0.012 5、0.025、0.05、0.10、0.20、0.40、0.80、1.60 MPa。各级荷载作用下轴向变形稳定的标准为每小时读数不大于0.001 mm；采用精度为0.001 mm的千分表测量各级荷载作用下及湿化过程中试样的轴向位移。浸水湿化过程需记录试样通水后从轴向存在位移开始直至湿化变形稳定过程不同时刻试样的轴向变形，通水前5 min每隔10 s记录1次，随后25 min内每间隔1 min记录1次，之后每10 min记录1次，湿化变形稳定的标准为读数相差不大于0.001 mm。

从试验原理上看，单线法更接近紫红泥岩填料在实际工程中的湿化效用，但试验过程复杂；双线法试验流程简单，但不能呈现湿化过程中填料轴向变形；因此，分别采用单线法与双线法进行不同湿化应力下填料湿化试验。土料在侧限压缩固结仪中的应力状态与工程某一深度土料应力状态相似，均为三向受压；依据试样轴向荷载顺序，定义试样在某一级荷载作用下轴向变形稳定后，下一步将进行单线法浸水湿化试验的轴向应力为湿化应力。详细试验方案见表2。

2 試验结果及分析

试样由不同粒径泥岩颗粒按级配曲线配比而成，物质组成上为颗粒类材料，因而其强度受母岩强度及颗粒间机械咬合作用影响，若颗粒材料遇水，水的润滑作用将降低试样强度。另一方面，试样中泥岩颗粒中粒径小于0.25 mm的占37%，粒径小于0.075 mm的占6.25%，属含细粒土质砂；泥岩颗粒吸水后黏度增大，材料黏聚力增加，这又增加了材料强度。因此，水对于具有上述性质的红层软岩颗粒材料的影响复杂。在单线法与双线法中水浸入试样的时间不一致，导致其轴向变形存在差异，现分别论述单线法与双线法试验结果。

2.1 单线法泥岩湿化变形分析

2.1.1 湿化过程轴向应变分析

方案B1～B5的试验数据表明，湿化过程中泥岩轴向应变变化趋势相同，区别甚微。为清晰表示湿化过程轴向应变随通水时间（t）的变化规律，仅取方案B1与B5的试验数据进行对比分析。在同一坐标平面内绘制不同湿化应力下轴向应变随通水时间的关系曲线，如图2所示。由图2可知：不同湿化应力下试样的轴向应变随浸水时间的增加呈先增加后逐渐稳定的趋势；各曲线簇的斜率先缓慢增加，随后急剧增加，最后逐渐减小并趋于稳定。

泥岩颗粒填料轴向应变曲线簇的这种变化趋势与试样内部水的浸入高度相关。初始状态时，仅试样底部遇水，试样轴向湿化变形缓慢增加；随着水位持续上升，试样内部更多泥岩颗粒遇水，湿化变形急剧增加；最后，待试验盒水位没过试样后一段时间，其湿化变形增量逐渐减小[18-19]。

2.1.2 湿化应力对湿化变形的影响分析

整理泥岩颗粒填料湿化应变数据，并在同一平面内绘制其随湿化应力的变化曲线，如图3所示。由图3可知，随着湿化应力增加，填料湿化应变先减小后增大；采用二次抛物线拟合试验数据，得到湿化应变与应力的数学表达式

采用自然含水率状态的泥岩颗粒填料进行单线法湿化变形测定，当湿化应力较小时，湿化应变主要由填料遇水后颗粒间水的润滑作用而引起的彼此相对位置的调整所致。当湿化应力增大至一定程度时，泥岩颗粒仍具有一定强度，且其相对位置调整空隙减少，所受轴向压力引起颗粒破碎较少，水的润滑作用及泥岩软化效应不显著，致使湿化应变呈减小趋势；随着时间增加及湿化应力继续增大，泥岩软化效应的增强与破碎颗粒增多，使湿化应变呈增大趋势。

2.1.3 应力应变曲线分析

因单线法需要试样在某一级荷载下进行湿化变形测定，则受各级轴向荷载至湿化应力的过程中，泥岩颗粒填料试样为自然含水状态，湿化试验完成后为富含水状态。为对比不同湿化应力下试样轴向应变随轴向应力的变化规律，选择在同一平面内绘制其变化曲线，如图4所示。从图4可知，泥岩颗粒填料轴向应变随应力（P）增加，曲线簇以2条曲线为渐进线变化，其中自然含水率段曲线靠下侧渐近线分布，富含水段曲线靠上侧渐近线分布，并在湿化应力处由下侧曲线偏向上侧。

单线法湿化试验前后试样含水率等物理性质及应力状态相似，其应力应变曲线趋于一致。在应力应变曲线簇偏转段，轴向应变由湿化应力所致的湿化应变、后一级荷载所致的轴向应变及此阶段的填料蠕变3部分组成，应变原因复杂；但此阶段直线斜率随轴向应力增大呈逐渐增加趋势，即若在湿化应力后继续增加轴向荷载，泥岩颗粒填料轴向应变速率随湿化应力的增加而增大。

2.2 双线法泥岩湿化变形分析

2.2.1 应力应变曲线分析

整理方案A1及A2的试验结果，在同一坐标平面内绘制轴向应变随轴向应力的变化曲线，如图5所示。由图5可知，浸水淹没态与自然含水态的应力应变曲线变化趋势一致；以0.20 MPa为界，2条曲线可近似为2条直线，分别为0.05～0.20 MPa段与0.20～1.60 MPa段，并且同一轴向应力作用下方案A1的轴向应变均大于方案A2。曲线簇的这种变化表明，泥岩颗粒填料轴向应变与应力大小相关，即实际工程中不同深度处填料沉降不一致，并以最大主应力0.20 MPa的土层附近为界。

2.2.2 湿化应力对湿化变形的影响分析

整理同一轴向应力作用下方案A1与A2的轴向湿化应变差值，得到湿化应变与湿化应力变化曲线，如图6所示。从图6可知，双线法所测泥岩颗粒填料湿化应变随湿化应力的增大呈先减小后增大趋势。同样采用二次抛物线拟合其数据点，得到湿化应变与湿化应力的数学表达式

自然含水态与富含水态时，泥岩颗粒填料因湿化应力不同，引起其湿化应变的主导因素也不一致，主要表现为湿化应力较小时以颗粒相对位置调整和水的润滑作用为主导因素，浸水时间增长、湿化应力较大时以颗粒破碎为主导因素。

3 单双线法湿化应变对比分析

泥岩填料这类红层软岩颗粒材料的水理性质复杂，在同一平面内绘制不同湿化应力下单线法与双线法所测试样湿化应变值的分布，如图7所示。由图7可知：当湿化应力位于0.05～0.40 MPa段时，单线法所测湿化变形大于双线法；在0.40～0.80 MPa段，单线法与双线法所测湿化应变存在交叉现象。因此，红层软岩填料湿化应变测试方式为：浅层选用单线法；深层采用单双线法相结合的方式。

4 结 语

（1）湿化过程中泥岩颗粒填料的湿化应变随通水时间的增加先增加后减小，并逐渐稳定，其应变随应力的变化以2条曲线为渐进线变化。

（2）双线法所测泥岩颗粒填料湿化应变随湿化应力的增大呈先减小后增大的趋势。浸水淹没态与自然含水态的应力应变曲线以轴向应力0.20 MPa为界近似为2条直线。

（3）单线法与双线法所测泥岩颗粒填料的湿化变形随湿化应力的增大都先减小后增加，湿化应力较小时单线法所测湿化变形大于双线法，较大时单线法与双线法所测湿化应变存在交叉现象。

参考文献：

[1] 赵明华，刘晓明，苏永华.含崩解软岩红层材料路用工程特性试验研究[J].岩土工程学报，2005，27（6）：667-671.

[2] 简富献，张 强，姬雪竹，等.水位变动对框架码头排架桩弯矩影响试验研究[J].科学技术与工程，2016，16（7）：275-280.

[3] 曾宪端.软质红层泥岩碾压特性研究 [J].铁道标准设计，1997（11）：42-45.

[4] 曹 婷，陈 馨，邱珍锋.砂岩、泥岩颗粒崩解特性试验研究[J].中国科技论文，2016，11（1）：17-20.

[5] 刘长武，陆士良.泥岩遇水崩解软化机理的研究[J].岩土力学，2000，21（1）：28-31.

[6] 杨建林，王来贵，李喜林，等.泥岩饱水过程中崩解的微观机制[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2014，33（4）：476-480.

[7] 毛雪松，郑小忠，马 骉，等.风化千枚岩填筑路基湿化变形现场试验分析[J].岩土力学，2011，32（8）：2300-2306.

[8] 杜秦文，刘永军，曹周阳.变质软岩路堤填料湿化变形规律研究[J].巖土力学，2015，36（1）：41-46.

[9] 左元明，沈珠江.坝壳砂砾料浸水变形特性的测定[J].水利水运科学研究，1989（1）：107-113.

[10] 沈广军，殷宗泽.粗集料浸水变形分析方法的改进[J].岩石力学与工程学报，2009，28（12）：2438-2444.

[11] 卿三惠，黄润秋，曹新文.红层软岩填筑路堤的离心模型试验[J].铁道工程学报，2007，24（2）：41-46.

[12] 严秋荣，孙海兴，邓卫东，等.红层软岩土石混合填料的抗剪强度特性研究[J].公路交通技术，2005（3）：31-35.

[13] 赵明华，刘晓明，苏永华.含崩解软岩红层材料路用工程特性试验研究[J].岩土工程学报，2005，27（6）：667-671.

[14] 杨建国，谢永利.红层泥岩隧道围岩变形规律[J].路基工程，2009（4）：100-101.

[15] 隋永志，苏培东，李作兵.红层软岩滑坡稳定性分析[J].中国西部科技，2010，9（32）：36-37.

[16] 王其海.红层软岩的工程特性及其边坡稳定性研究[D].长沙：长沙理工大学，2011.

[17] 邱恩喜，谢 强，赵 文，等.红层软岩边坡岩体工程特性研究[J].地质与勘探，2007，43（5）：96-100.

[18] 赵宇坤，刘汉东，乔 兰.不同浸水时间黄河堤防土体强度特性试验研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27（S1）：3047-3051.

[19] 袁屹璋.红层软岩填料的工程特性及其改良土在高填方边坡中的适用性评价[D].成都：成都理工大学，2013.

[责任编辑：杜敏浩]