雷偉麗

摘 要：為了探究紅層軟巖顆粒填料的濕化變形規(guī)律，依據單線法及雙線法測定不同濕化應力下填料濕化變形。結果表明：單線法與雙線法所測填料濕化應變都隨濕化應力的增大先減小后增加；當濕化應力較小時，單線法所測濕化變形大于雙線法；當濕化應力較大時，單線法與雙線法所測濕化應變曲線存在交叉現(xiàn)象。建議淺層采用單線法，深層采取單線法與雙線法較大值的方式計算紅層軟巖填料濕化變形。

關鍵詞：濕化變形；單線法；雙線法；紅層軟巖

中圖分類號：U416.1 文獻標志碼：B

文章編號：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

在中國西南、中南等山區(qū)興修公路、鐵路等基礎設施時，沿線削挖坡體會產生大量紅層軟巖；鑒于工程投資、工期及材料運輸方面的限制，迫使人們考慮使用沿線紅層軟巖粗集料作為填方區(qū)域回填材料。當前，諸多學者[1-6]對紅層軟巖填料壓實、顆粒破碎、崩解及剪切特性、化學組成及水理性質等基本物理化學性質進行研究，如毛雪松等[7]研究了浸水量、浸水時間對風化千枚巖填料路基濕化變形、變形率及回彈模量的影響，認為軟巖填料遇水后強度降低，路基存在不均勻沉降變形；杜秦文等[8]采用雙線法探究變質軟巖路堤填料濕化變形規(guī)律，指出濕化應變大小與豎向偏應力與圍壓的比值及填料密度相關；左元明等[9]認為雙線法與單線法所測定粗集料濕化變形存在差異，但未指出差異大?。簧驈V軍等[10]采用單線法、雙線法及修正雙線法探究了硬質砂巖堆石料濕化變形，但軟巖填料存在浸水后黏聚力增大、滲透系數減小的特性，尚不可知此方法是否適用于對軟巖填料濕化變形的研究。

可見，雖然目前已有諸多工程采用紅層軟巖作用填料[11-17]，但對現(xiàn)有紅層軟巖填料濕化變形的研究較少。因此，本文基于雙線法與單線法，采用WG型單杠桿（高壓）固結儀探究不同應力水平下典型紅層軟巖-紫紅泥巖填料的濕化變形規(guī)律，為科學合理利用紅層軟巖填料提供參考。

1 濕化試驗設計

在重慶某港區(qū)取開挖出的新鮮紫紅泥巖巖塊作為試驗材料，進行密度、含水率等基本物理參數測定以及單軸抗壓強度測試，結果見表1。將機械破碎并初次篩分的泥巖顆粒烘干至恒重后，進行震動二次篩分，并按不同粒徑大小密封保存。受試驗儀器限制，采用相似級配法將原級配中粒徑大于5 mm的泥巖顆粒作替換，確定試驗填料級配曲線如圖1所示（其中d為粒徑，單位mm）；試樣初始含水率為8.00%，干密度為1.80 g·cm-3。

在WG型單杠桿（高壓）固結儀試驗盒上方靜置濕化水頭為25 cm的盛水容器，通過控制管道內水流量的形式限制試驗盒內水位上升速率為0.3 cm·min-1；待試驗盒水滿停止通水，隨后進行泥巖填料濕化試驗。試樣為圓柱體，直徑為79.8 mm，高為20 mm。按快速固結試驗方法施加各級軸向荷載，其順序為：0、0.012 5、0.025、0.05、0.10、0.20、0.40、0.80、1.60 MPa。各級荷載作用下軸向變形穩(wěn)定的標準為每小時讀數不大于0.001 mm；采用精度為0.001 mm的千分表測量各級荷載作用下及濕化過程中試樣的軸向位移。浸水濕化過程需記錄試樣通水后從軸向存在位移開始直至濕化變形穩(wěn)定過程不同時刻試樣的軸向變形，通水前5 min每隔10 s記錄1次，隨后25 min內每間隔1 min記錄1次，之后每10 min記錄1次，濕化變形穩(wěn)定的標準為讀數相差不大于0.001 mm。

從試驗原理上看，單線法更接近紫紅泥巖填料在實際工程中的濕化效用，但試驗過程復雜；雙線法試驗流程簡單，但不能呈現(xiàn)濕化過程中填料軸向變形；因此，分別采用單線法與雙線法進行不同濕化應力下填料濕化試驗。土料在側限壓縮固結儀中的應力狀態(tài)與工程某一深度土料應力狀態(tài)相似，均為三向受壓；依據試樣軸向荷載順序，定義試樣在某一級荷載作用下軸向變形穩(wěn)定后，下一步將進行單線法浸水濕化試驗的軸向應力為濕化應力。詳細試驗方案見表2。

2 試驗結果及分析

試樣由不同粒徑泥巖顆粒按級配曲線配比而成，物質組成上為顆粒類材料，因而其強度受母巖強度及顆粒間機械咬合作用影響，若顆粒材料遇水，水的潤滑作用將降低試樣強度。另一方面，試樣中泥巖顆粒中粒徑小于0.25 mm的占37%，粒徑小于0.075 mm的占6.25%，屬含細粒土質砂；泥巖顆粒吸水后黏度增大，材料黏聚力增加，這又增加了材料強度。因此，水對于具有上述性質的紅層軟巖顆粒材料的影響復雜。在單線法與雙線法中水浸入試樣的時間不一致，導致其軸向變形存在差異，現(xiàn)分別論述單線法與雙線法試驗結果。

2.1 單線法泥巖濕化變形分析

2.1.1 濕化過程軸向應變分析

方案B1～B5的試驗數據表明，濕化過程中泥巖軸向應變變化趨勢相同，區(qū)別甚微。為清晰表示濕化過程軸向應變隨通水時間（t）的變化規(guī)律，僅取方案B1與B5的試驗數據進行對比分析。在同一坐標平面內繪制不同濕化應力下軸向應變隨通水時間的關系曲線，如圖2所示。由圖2可知：不同濕化應力下試樣的軸向應變隨浸水時間的增加呈先增加后逐漸穩(wěn)定的趨勢；各曲線簇的斜率先緩慢增加，隨后急劇增加，最后逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

泥巖顆粒填料軸向應變曲線簇的這種變化趨勢與試樣內部水的浸入高度相關。初始狀態(tài)時，僅試樣底部遇水，試樣軸向濕化變形緩慢增加；隨著水位持續(xù)上升，試樣內部更多泥巖顆粒遇水，濕化變形急劇增加；最后，待試驗盒水位沒過試樣后一段時間，其濕化變形增量逐漸減小[18-19]。

2.1.2 濕化應力對濕化變形的影響分析

整理泥巖顆粒填料濕化應變數據，并在同一平面內繪制其隨濕化應力的變化曲線，如圖3所示。由圖3可知，隨著濕化應力增加，填料濕化應變先減小后增大；采用二次拋物線擬合試驗數據，得到濕化應變與應力的數學表達式

采用自然含水率狀態(tài)的泥巖顆粒填料進行單線法濕化變形測定，當濕化應力較小時，濕化應變主要由填料遇水后顆粒間水的潤滑作用而引起的彼此相對位置的調整所致。當濕化應力增大至一定程度時，泥巖顆粒仍具有一定強度，且其相對位置調整空隙減少，所受軸向壓力引起顆粒破碎較少，水的潤滑作用及泥巖軟化效應不顯著，致使?jié)窕瘧兂蕼p小趨勢；隨著時間增加及濕化應力繼續(xù)增大，泥巖軟化效應的增強與破碎顆粒增多，使?jié)窕瘧兂试龃筅厔荨?/p>

2.1.3 應力應變曲線分析

因單線法需要試樣在某一級荷載下進行濕化變形測定，則受各級軸向荷載至濕化應力的過程中，泥巖顆粒填料試樣為自然含水狀態(tài)，濕化試驗完成后為富含水狀態(tài)。為對比不同濕化應力下試樣軸向應變隨軸向應力的變化規(guī)律，選擇在同一平面內繪制其變化曲線，如圖4所示。從圖4可知，泥巖顆粒填料軸向應變隨應力（P）增加，曲線簇以2條曲線為漸進線變化，其中自然含水率段曲線靠下側漸近線分布，富含水段曲線靠上側漸近線分布，并在濕化應力處由下側曲線偏向上側。

單線法濕化試驗前后試樣含水率等物理性質及應力狀態(tài)相似，其應力應變曲線趨于一致。在應力應變曲線簇偏轉段，軸向應變由濕化應力所致的濕化應變、后一級荷載所致的軸向應變及此階段的填料蠕變3部分組成，應變原因復雜；但此階段直線斜率隨軸向應力增大呈逐漸增加趨勢，即若在濕化應力后繼續(xù)增加軸向荷載，泥巖顆粒填料軸向應變速率隨濕化應力的增加而增大。

2.2 雙線法泥巖濕化變形分析

2.2.1 應力應變曲線分析

整理方案A1及A2的試驗結果，在同一坐標平面內繪制軸向應變隨軸向應力的變化曲線，如圖5所示。由圖5可知，浸水淹沒態(tài)與自然含水態(tài)的應力應變曲線變化趨勢一致；以0.20 MPa為界，2條曲線可近似為2條直線，分別為0.05～0.20 MPa段與0.20～1.60 MPa段，并且同一軸向應力作用下方案A1的軸向應變均大于方案A2。曲線簇的這種變化表明，泥巖顆粒填料軸向應變與應力大小相關，即實際工程中不同深度處填料沉降不一致，并以最大主應力0.20 MPa的土層附近為界。

2.2.2 濕化應力對濕化變形的影響分析

整理同一軸向應力作用下方案A1與A2的軸向濕化應變差值，得到濕化應變與濕化應力變化曲線，如圖6所示。從圖6可知，雙線法所測泥巖顆粒填料濕化應變隨濕化應力的增大呈先減小后增大趨勢。同樣采用二次拋物線擬合其數據點，得到濕化應變與濕化應力的數學表達式

自然含水態(tài)與富含水態(tài)時，泥巖顆粒填料因濕化應力不同，引起其濕化應變的主導因素也不一致，主要表現(xiàn)為濕化應力較小時以顆粒相對位置調整和水的潤滑作用為主導因素，浸水時間增長、濕化應力較大時以顆粒破碎為主導因素。

3 單雙線法濕化應變對比分析

泥巖填料這類紅層軟巖顆粒材料的水理性質復雜，在同一平面內繪制不同濕化應力下單線法與雙線法所測試樣濕化應變值的分布，如圖7所示。由圖7可知：當濕化應力位于0.05～0.40 MPa段時，單線法所測濕化變形大于雙線法；在0.40～0.80 MPa段，單線法與雙線法所測濕化應變存在交叉現(xiàn)象。因此，紅層軟巖填料濕化應變測試方式為：淺層選用單線法；深層采用單雙線法相結合的方式。

4 結 語

（1）濕化過程中泥巖顆粒填料的濕化應變隨通水時間的增加先增加后減小，并逐漸穩(wěn)定，其應變隨應力的變化以2條曲線為漸進線變化。

（2）雙線法所測泥巖顆粒填料濕化應變隨濕化應力的增大呈先減小后增大的趨勢。浸水淹沒態(tài)與自然含水態(tài)的應力應變曲線以軸向應力0.20 MPa為界近似為2條直線。

（3）單線法與雙線法所測泥巖顆粒填料的濕化變形隨濕化應力的增大都先減小后增加，濕化應力較小時單線法所測濕化變形大于雙線法，較大時單線法與雙線法所測濕化應變存在交叉現(xiàn)象。

參考文獻：

[1] 趙明華，劉曉明，蘇永華.含崩解軟巖紅層材料路用工程特性試驗研究[J].巖土工程學報，2005，27（6）：667-671.

[2] 簡富獻，張 強，姬雪竹，等.水位變動對框架碼頭排架樁彎矩影響試驗研究[J].科學技術與工程，2016，16（7）：275-280.

[3] 曾憲端.軟質紅層泥巖碾壓特性研究 [J].鐵道標準設計，1997（11）：42-45.

[4] 曹 婷，陳 馨，邱珍鋒.砂巖、泥巖顆粒崩解特性試驗研究[J].中國科技論文，2016，11（1）：17-20.

[5] 劉長武，陸士良.泥巖遇水崩解軟化機理的研究[J].巖土力學，2000，21（1）：28-31.

[6] 楊建林，王來貴，李喜林，等.泥巖飽水過程中崩解的微觀機制[J].遼寧工程技術大學學報：自然科學版，2014，33（4）：476-480.

[7] 毛雪松，鄭小忠，馬 骉，等.風化千枚巖填筑路基濕化變形現(xiàn)場試驗分析[J].巖土力學，2011，32（8）：2300-2306.

[8] 杜秦文，劉永軍，曹周陽.變質軟巖路堤填料濕化變形規(guī)律研究[J].巖土力學，2015，36（1）：41-46.

[9] 左元明，沈珠江.壩殼砂礫料浸水變形特性的測定[J].水利水運科學研究，1989（1）：107-113.

[10] 沈廣軍，殷宗澤.粗集料浸水變形分析方法的改進[J].巖石力學與工程學報，2009，28（12）：2438-2444.

[11] 卿三惠，黃潤秋，曹新文.紅層軟巖填筑路堤的離心模型試驗[J].鐵道工程學報，2007，24（2）：41-46.

[12] 嚴秋榮，孫海興，鄧衛(wèi)東，等.紅層軟巖土石混合填料的抗剪強度特性研究[J].公路交通技術，2005（3）：31-35.

[13] 趙明華，劉曉明，蘇永華.含崩解軟巖紅層材料路用工程特性試驗研究[J].巖土工程學報，2005，27（6）：667-671.

[14] 楊建國，謝永利.紅層泥巖隧道圍巖變形規(guī)律[J].路基工程，2009（4）：100-101.

[15] 隋永志，蘇培東，李作兵.紅層軟巖滑坡穩(wěn)定性分析[J].中國西部科技，2010，9（32）：36-37.

[16] 王其海.紅層軟巖的工程特性及其邊坡穩(wěn)定性研究[D].長沙：長沙理工大學，2011.

[17] 邱恩喜，謝 強，趙 文，等.紅層軟巖邊坡巖體工程特性研究[J].地質與勘探，2007，43（5）：96-100.

[18] 趙宇坤，劉漢東，喬 蘭.不同浸水時間黃河堤防土體強度特性試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2008，27（S1）：3047-3051.

[19] 袁屹璋.紅層軟巖填料的工程特性及其改良土在高填方邊坡中的適用性評價[D].成都：成都理工大學，2013.

[責任編輯：杜敏浩]