杜秦文，劉永軍 ，曹周陽

（1.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064;2.河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 河南 鄭州 450006）

1 引 言

粗粒料遇水在不同程度上都存在一定的濕化變形，對其機(jī)制、變化規(guī)律以及計(jì)算理論等，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量有益的研究工作[1－5]。這些研究工作雖多針對硬質(zhì)巖石堆石料，但對軟質(zhì)巖石路堤填料相關(guān)研究工作具有重要的借鑒作用。

軟質(zhì)巖石碎石填料，除了具有硬質(zhì)巖石碎石填料復(fù)雜變形性質(zhì)外，還具較明顯的遇水濕化變形的不利工程特性。公路行業(yè)規(guī)定軟質(zhì)巖石為單軸飽和抗壓強(qiáng)度為5～30 MPa的巖石[6]，小于5 MPa的為極軟巖。日本在20世紀(jì)60年代開始進(jìn)行軟質(zhì)巖石作為路堤填料方面的研究[7]，在東名高速以及中原國道中使用沉積軟巖作為路堤填料，但路基在運(yùn)營階段出現(xiàn)了較大的不均勻沉降。在2000年后，國內(nèi)學(xué)者對軟質(zhì)巖石用作路堤填料的研究逐漸增多，主要在其適用性、壓實(shí)、破碎、變形特性以及實(shí)際應(yīng)用等方面開展了研究工作[8－12]。

毛雪松等[13]對極軟巖石路基填料的改良、變形等進(jìn)行了研究，分析了浸水時(shí)間、浸水量等因素對路基回彈模量的影響；張丹等[14]研究了增濕過程中軟巖填料的變形。但總體來看，軟質(zhì)巖石填料作為路基填料的應(yīng)用研究遠(yuǎn)未成熟，針對其濕化變形發(fā)展規(guī)律的研究也較少。

十堰－天水高速公路安康西段穿越秦嶺，隧道棄渣、削坡棄方中含有大量變質(zhì)軟巖，設(shè)計(jì)要求全部用作路堤填料。本文采用雙線法，對該段高速公路變質(zhì)軟巖填料，分別在風(fēng)干和飽和狀態(tài)下進(jìn)行大型三軸試驗(yàn)，對其濕化變形規(guī)律進(jìn)行了分析，提出了濕化變形與豎向偏應(yīng)力之間的經(jīng)驗(yàn)公式并檢驗(yàn)了其適用性。

2 變質(zhì)軟巖原巖性質(zhì)

利用巖石磨片機(jī)對巖石進(jìn)行磨片，采用偏光顯微鏡對軟巖原巖進(jìn)行鏡下定名[15]：巖石具有條痕條帶條紋狀流動構(gòu)造，碎斑—糜棱結(jié)構(gòu)。斜長石含量為40%～50%，黑云母含量為30%～40%，石英含量為25%～30%，絹云母含量為3%～5%。碎斑含量約30%～40%，定名為白云母長英質(zhì)糜棱巖。

圖1 微觀結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Microstructure of the metamorphic soft rock

變質(zhì)軟巖填料顆粒破碎，完整的鉆芯取樣很困難，因此，選用不規(guī)則的巖塊進(jìn)行了點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)，每組20塊試樣，獲得的風(fēng)干與飽和狀態(tài)下的點(diǎn)荷載強(qiáng)度Is(50)平均值分別為1.94、1.40 MPa，軟化系數(shù)為0.72。經(jīng)換算[16]，其單軸飽和抗壓強(qiáng)度為29.4 MPa，為軟質(zhì)巖石。

3 大型三軸試驗(yàn)

對粒徑大于5 mm的變質(zhì)軟巖填料采用相似級配法，確定試驗(yàn)填料的級配[17]，如圖2所示。

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

選取密度為2.1、2.3 g/cm3，分別在圍壓為200、300、400、600 kPa下，對風(fēng)干和飽和狀態(tài)的試樣采用雙線法進(jìn)行試驗(yàn)。

圖2 原級配與試驗(yàn)級配曲線Fig.2 Curves of original gradation and test gradation for filler

圖3是密度為2.1 g/cm3時(shí)，風(fēng)干與飽和狀態(tài)填料在4種圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。可以看出，風(fēng)干狀態(tài)時(shí)，較低圍壓下曲線略呈軟化型規(guī)律，隨著圍壓的提高，峰值點(diǎn)趨于不明顯。飽和狀態(tài)下的曲線變化規(guī)律類似，但峰值點(diǎn)更加不明顯，隨著高圍壓增加，趨向“硬化型”曲線發(fā)展。

圖4是填料密度為2.3 g/cm3時(shí)，風(fēng)干和飽和狀態(tài)填料在4種圍壓條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線?？梢钥闯觯L(fēng)干狀態(tài)時(shí)，在較低圍壓下曲線呈明顯的軟化型規(guī)律；隨著圍壓的增加，峰值點(diǎn)附近曲線趨向平緩。飽和狀態(tài)下曲線變化規(guī)律類似，相比較峰值點(diǎn)附近曲線更平緩。

3.2 濕化變形規(guī)律分析

相同圍壓條件下，飽和狀態(tài)下試樣應(yīng)變與風(fēng)干狀態(tài)下試樣應(yīng)變的差值，為濕化所引起的應(yīng)變，即

圖3 密度為2.1 g/cm3 的風(fēng)干和飽和狀態(tài)填料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.3 Curves of stress-strain for dry and saturated fillers with density of 2.1 g/cm3

圖4 密度為2.3 g/cm3 的風(fēng)干和飽和狀態(tài)填料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.4 Curves of stress-strain for dry and saturated fillers with density of 2.3 g/cm3

圖5 不同圍壓條件下(σ 1-σ 3)與關(guān)系曲線Fig.5 Curvesof(σ1-σ3)with under differentconfiningpressures

圖6 轉(zhuǎn)折點(diǎn)位置的確定Fig.6 Determination of turning point on curve of (σ 1-σ 3) withΔ

同樣可得，在圍壓為200、300、600 kPa時(shí)，所得到的(σ1-σ3)ur值分別為740、1 170、2 160 kPa，值分別為0.340%、0.624%、1.460%。

定義軸向偏差應(yīng)力(σ1-σ3)與相應(yīng)圍壓的比值為χ，由圖5可得關(guān)系曲線，如圖7所示。

圖7 填料密度2.1 g/cm3 時(shí)χ 與Δ關(guān)系曲線Fig.7 Curves ofχand Δfor filler densityof2.1 g/cm3

以同樣的方法，根據(jù)圖4可得到密度為2.3 g/cm3時(shí)的曲線，如圖8所示。

圖8 填料密度為2.3 g/cm3時(shí)χ與的關(guān)系曲線Fig.8 Curves ofχand forfiller densityof2.3 g/cm3

由圖8可知，圍壓為200、300、400、600 kPa時(shí)，相應(yīng)的 χur值分別為4.15、4.67、4.87、5.35，變化范圍在4.0～5.5之間。

4 濕化變形經(jīng)驗(yàn)公式

根據(jù)密度為 2.1 g/cm3時(shí)軸向偏差應(yīng)力(σ1-σ3)與濕化所引起的應(yīng)變的的關(guān)系曲線，可以得到之間的變化曲線，如圖9所示，可以看出二者呈較好的線性關(guān)系，即

圖9 不同圍壓下的變化曲線Fig.9 Curves of under different confining pressures

將式（1）代入式（3），并整理可得

式中：m1、m2和 n1、n2均為擬合參數(shù)；pa=1.01×102kPa，利用圖9中200、300、600 kPa三種圍壓情況的試驗(yàn)結(jié)果，采用最小二乘法擬合可得

將式（7）代入式（4），可得密度為2.1 g/cm3時(shí)，飽和狀態(tài)下填料所產(chǎn)生的應(yīng)變與 σ1-σ3的之間的經(jīng)驗(yàn)公式：

利用式（8），計(jì)算圖9中第4種圍壓（400 kPa）情況下填料的應(yīng)變，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對，如圖10所示，可以看出吻合情況較好。

圖10 圍壓為400 kPa時(shí)試驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果對比Fig.10 Comparison of results between calculation and test under confining pressure of 400 kPa

填料密度為2.3 g/cm3時(shí)，采用相同的辦法，根據(jù)300、400、600 kPa三種圍壓情況的試驗(yàn)結(jié)果可得利用式（9），對圍壓為200 kPa情況下之間的變化關(guān)系進(jìn)行預(yù)測，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，如圖11所示。由圖可知，吻合情況較好。

圖11 圍壓200 kPa時(shí)試驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果對比Fig.11 Comparison of results between calculation and test under confining pressure of 200 kPa

5 結(jié) 論

（1）不同密度和圍壓下，填料試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、濕化應(yīng)變與軸向偏應(yīng)力變化規(guī)律曲線上都存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這表明密度與圍壓不但影響填料濕化變形的大小，還影響其發(fā)展規(guī)律。

（2）填料濕化應(yīng)變與參數(shù)χ 之間有較好的規(guī)律性。χ＜χur時(shí)，隨χ 增加而近似線性增加，增大幅度相對較??；χ＞χur時(shí)，增加的幅度加大。工程實(shí)踐中可比較軟質(zhì)巖石路堤實(shí)際工作條件下的χ 與 χur值，用以分析其遇水后濕化變形發(fā)展的規(guī)律。

（3）填料密度對 χur有顯著影響。相同密度條件下，不同圍壓情況的各曲線的 χur較為集中；密度增大，各曲線的 χur顯著增大。

（4）隨著圍壓的增大，各曲線的 χur值略微增大，表明圍壓對其影響較小。填料密度為2.1 g/cm3時(shí)，χur值變化范圍近似為3.5～4.0之間，填料密度為2.3 g/cm3時(shí)，不同圍壓下所對應(yīng)的 χur值變化范圍近似為4.0～5.5之間。

（5）根據(jù)試驗(yàn)中3種圍壓條件下的數(shù)據(jù)得到了填料濕化變形的發(fā)展規(guī)律，如式（8）、（9）所示。利用試驗(yàn)中200 kPa圍壓條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對公式進(jìn)行驗(yàn)證，吻合程度較好。該公式可用于分析路堤濕化變形的大小及發(fā)展規(guī)律。

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