楊 洋，王俊杰，張鈞堂，劉云飛

(1.重慶交通大學(xué) 國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074)

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砂泥巖混合料的流變特性試驗(yàn)研究

楊 洋1，2，王俊杰1，2，張鈞堂1，2，劉云飛1，2

(1.重慶交通大學(xué) 國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074)

針對(duì)砂泥巖混合料高填方工程的長期工后沉降問題，利用自行研制的土體飽水-疏干循環(huán)壓縮試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)4種混合比的砂泥巖顆?；旌狭线M(jìn)行了考慮濕化作用的壓縮流變?cè)囼?yàn)，研究了軸向壓力以及砂泥巖混合比對(duì)流變的影響，對(duì)試驗(yàn)后的試樣測(cè)算了相應(yīng)的顆粒破碎率，分析了顆粒破碎率與軸向壓力及最終流變變形的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明：最終流變量及顆粒破碎率與軸向壓力之間均具有較好的線性關(guān)系，流變與時(shí)間的關(guān)系可近似地用冪函數(shù)表達(dá)，巖性組成對(duì)砂泥巖混合料的流變具有較大影響。

巖土工程；砂泥巖混合料；濕化作用；側(cè)限壓縮；流變特性；顆粒破碎

0 引 言

砂泥巖互層結(jié)構(gòu)地層的分布很廣，以位于長江上游的重慶為例，形成于三疊系上統(tǒng)、侏羅系和白堊系下統(tǒng)的砂泥巖互層結(jié)構(gòu)地層的總厚度達(dá)2 294～6 440 m。在該地區(qū)的各類高填方工程建設(shè)中，砂泥巖混合料已成為常用的建筑填料，如重慶江北國際機(jī)場(chǎng)、重慶南川金佛山水庫大壩，此外包括位于英國Blindwells的一條路基填方高度達(dá)60 m的公路[1]等，都大量的采用砂泥巖混合料作為填筑材料。如何科學(xué)合理地預(yù)測(cè)和控制砂泥巖混合料填方體的工后沉降變形，已成為巖土工程界亟待解決的關(guān)鍵問題之一。

對(duì)砂泥巖混合料的壓實(shí)特性、強(qiáng)度及變形特性、滲透特性以及濕化變形等方面，已通過室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行了較深入的研究[2-6]。然而，以砂泥巖混合料作為主要填料的高填方工程，其工后長期沉降變形方面研究目前尚少。目前對(duì)濕化變形和流變的研究主要采用室內(nèi)試驗(yàn)方法。E.M.D.NEVES[7]在壓縮儀上曾對(duì)碎石料進(jìn)行了流變?cè)囼?yàn)；G.F.SOWERS等[8]曾對(duì)干燥和被水浸濕的砂巖粗粒料分別進(jìn)行了流變?cè)囼?yàn)；P.AHNTHINIAC等[9]通過試驗(yàn)研究，分析了影響濕化變形的因素；殷宗澤[10]通過大型三軸試驗(yàn)，研究了粗粒料的流變特性并提出了雙屈服面模型；梁軍等[11]針對(duì)堆石料開展了壓縮流變?cè)囼?yàn)，并根據(jù)顆粒破碎情況對(duì)堆石料流變產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了研究。

筆者針對(duì)涉水高填方工程的長期工后沉降問題，通過考慮濕化作用的流變?cè)囼?yàn)，對(duì)砂泥巖顆粒混合料在側(cè)限壓縮條件下的流變特性及顆粒破碎特性進(jìn)行了研究，分析了軸向壓力及泥巖含量對(duì)砂泥巖混合料長期流變及顆粒破碎的影響，探討了試樣最終流變量與顆粒破碎的關(guān)系。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)儀器

砂泥巖顆?；旌狭系牧髯?cè)囼?yàn)，是在重慶交通大學(xué)國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心自行研制的土體飽水-疏干循環(huán)壓縮試驗(yàn)儀上進(jìn)行的。該儀器由機(jī)架、軸向加載系統(tǒng)、試樣容器、控制柜、溫度測(cè)量傳感器、軸向變形量測(cè)傳感器、試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集處理系統(tǒng)組成。該儀器可在壓縮固結(jié)試驗(yàn)過程中，通過位于儀器上部的水箱，從試樣底部通水進(jìn)行水頭飽和，通過位于試樣底部的排水孔輔以空氣壓縮機(jī)，從試樣頂部通入干燥空氣排水疏干，實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣的濕化或飽水-疏干循環(huán)的功能。該儀器可用于常規(guī)壓縮固結(jié)試驗(yàn)、考慮濕化作用的流變?cè)囼?yàn)以及周期性飽水-疏干循環(huán)試驗(yàn)，進(jìn)一步研究經(jīng)過上述試驗(yàn)的土顆粒的裂化、破碎情況及規(guī)律。

該儀器試樣尺寸為φ100×H30 mm，軸向變形范圍為0～15 mm，軸向壓力通過砝碼以杠桿方式加載，最大可施加軸向壓力2.4 MPa。試驗(yàn)儀器如圖1。

圖1 試驗(yàn)儀器Fig. 1 Test apparatus

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的砂巖、泥巖采自三峽水庫重慶庫區(qū)附近，屬侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組，其中砂巖為弱風(fēng)化，呈淺灰色，巖石表面無明顯裂紋、層理清晰，泥巖為弱風(fēng)化，呈紫紅色。試驗(yàn)前對(duì)所采石料進(jìn)行破碎至筆者試驗(yàn)所需的顆粒粒徑，經(jīng)篩分后按試驗(yàn)設(shè)計(jì)級(jí)配取料制樣。試樣干密度為1.8 g/cm3，制樣含水率為8%，試樣顆粒級(jí)配曲線如圖2，最大粒徑為5 mm，平均粒徑d50=0.83 mm，不均勻系數(shù)為25.56，曲率系數(shù)為1.16，各粒組含量見表1。

圖2 試樣級(jí)配曲線Fig. 2 Gradation curve of the tested samples

表1 試驗(yàn)土料級(jí)配Table 1 Grading of the tested soil

1.3 試驗(yàn)方案

由于涉水高填方工程填筑過程中，難免受到風(fēng)吹雨淋的影響，即經(jīng)歷濕化作用并產(chǎn)生了一定的濕化變形，故筆者在流變?cè)囼?yàn)開始前，對(duì)試樣進(jìn)行一次飽水-疏干循環(huán)，目的在于扣除流變過程中的濕化變形部分。通過對(duì)8∶2、6∶4、4∶6、2∶8等4種不同混合比的砂泥巖顆?；旌狭显嚇?。分別在軸向壓力100、200、400、800、1 200、1 600 kPa作用下，開展考慮濕化作用的流變?cè)囼?yàn)。研究砂泥巖顆粒混合料的流變特性、顆粒破碎特性以及流變與顆粒破碎的關(guān)系。

1.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前，把篩分好的土料進(jìn)行風(fēng)干，按設(shè)計(jì)的級(jí)配及混合比配土。為便于裝樣，對(duì)土樣按設(shè)計(jì)含水率加入一定量的水，拌合均勻后分3層加入試樣容器并逐層擊實(shí)。為保證試樣與儀器上下各部件之間接觸良好，應(yīng)施加1 kPa的預(yù)壓壓力然后對(duì)變形讀數(shù)清零。

試驗(yàn)時(shí)，分別對(duì)4種不同混合比的砂泥巖顆?；旌狭显嚇樱纯焖俟探Y(jié)方法加載至設(shè)計(jì)的軸向壓力水平。在試樣達(dá)到變形穩(wěn)定后，對(duì)試樣從底部通水進(jìn)行水頭飽和1 h。變形穩(wěn)定后打開位于試樣底部的排水孔進(jìn)行排水，同時(shí)從試樣頂部的通風(fēng)孔通入干燥空氣對(duì)試樣進(jìn)行排水1 h。以變形速率不超過0.005 mm/h為變形穩(wěn)定控制標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)經(jīng)過初次飽水-疏干循環(huán)，達(dá)到變形穩(wěn)定的試樣進(jìn)行5～6 d的壓縮流變?cè)囼?yàn)，流變?cè)囼?yàn)前10 h每隔1 h讀數(shù)一次，之后每隔6 h讀數(shù)一次，整個(gè)流變?cè)囼?yàn)過程始終在排水條件下進(jìn)行。

試驗(yàn)后，對(duì)卸下的試樣進(jìn)行烘干、篩分，分析不同粒徑的顆粒含量并計(jì)算顆粒破碎率。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 流變?cè)囼?yàn)結(jié)果及分析

經(jīng)過首次飽水-疏干循環(huán)的試樣在相應(yīng)軸向壓力下，維持流變變形5～6 d后變形基本穩(wěn)定。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果整理，得出本試驗(yàn)中4種砂泥巖顆?；旌媳仍嚇樱诟骷?jí)軸向壓力作用下扣除濕化變形的流變量與時(shí)間的關(guān)系，如圖3。4種砂泥巖混合比試樣的最終流變量與軸向壓力的關(guān)系，如圖4。

圖3 軸向應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系Fig. 3 Relationship between axial strain and time

由圖3可知，在流變?cè)囼?yàn)開始的前10 h內(nèi)，不同混合比的砂泥巖顆?；旌狭系牧髯兞侩S時(shí)間的增加快速增加，基本可以用線性關(guān)系來描述；但隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長，流變量隨時(shí)間的增長速率變緩并不再滿足線性關(guān)系，而更趨向于冪函數(shù)關(guān)系；試樣的流變變形大約在100 h時(shí)趨于穩(wěn)定而不再發(fā)展。從圖3還可看出，隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長，流變的發(fā)展規(guī)律經(jīng)歷快速—平穩(wěn)—快速—穩(wěn)定等4個(gè)階段。這主要是由于砂巖顆粒和泥巖顆粒的差異裂化所致，流變過程中泥巖顆粒在一定壓力下首先發(fā)生破碎、滑移并充填顆粒孔隙，當(dāng)軸向壓力穩(wěn)定達(dá)到一定時(shí)長后，由大粒徑砂巖顆粒的破碎而產(chǎn)生第2次快速變形，當(dāng)粗顆粒破碎至一定程度后，試樣達(dá)到新的變形穩(wěn)定狀態(tài)。

由圖4可知，在軸向壓力相同時(shí)，最終流變量隨試樣中泥巖含量的增加而增大，不同混合比的砂泥巖混合料試樣的最終流變量與軸向壓力存在較好的線性關(guān)系。圖中4條直線的擬合相關(guān)度均大于0.95，4條擬合直線的斜率基本一致，說明對(duì)不同混合比的砂泥巖混合料，流變隨軸向壓力的增長趨勢(shì)是一致的。對(duì)實(shí)際的高填方工程而言，這有利于根據(jù)填方體淺層的變形量來預(yù)測(cè)較深部位的沉降變形。

圖4 最終流變量與軸向壓力的關(guān)系Fig. 4 Relationship between final rheological strain and axial pressure

2.2 顆粒破碎試驗(yàn)結(jié)果及分析

顆粒破碎是指在外力作用下，土顆粒結(jié)構(gòu)破裂為多個(gè)不等或相等顆粒的現(xiàn)象[12]。目前大多采用對(duì)試驗(yàn)前后試樣中各粒徑組成含量的計(jì)算來定義顆粒破碎程度，R.J.MARSAL[13]建議用多粒組差值求和來計(jì)算顆粒破碎率。該方法物理意義清晰，計(jì)算方法簡單，基本能反映顆粒破碎的全貌，成果精度也能滿足工程要求。因此筆者采用Marsal破碎率作為評(píng)價(jià)顆粒破碎程度的量化指標(biāo)，計(jì)算公式如式(1)：

(1)

式中：Bg為試驗(yàn)前后各粒組含量質(zhì)量之差的正值和；Wki為試驗(yàn)前某粒組的質(zhì)量百分含量；Wkf為試驗(yàn)后該粒組質(zhì)量百分含量。

4種砂泥巖顆?；旌媳鹊脑嚇?，在不同軸向壓力下的流變?cè)囼?yàn)后各粒組含量及顆粒破碎率成果如表2；通過對(duì)各組試樣的顆粒破碎成果進(jìn)行整理，得到不同混合比試樣在不同軸壓下的顆粒破碎率與軸向壓力的關(guān)系，如圖5，軸向應(yīng)變與顆粒破碎率的關(guān)系如圖6。

圖5 顆粒破碎率與軸向壓力的關(guān)系Fig. 5 Relationship between particle breakage ratio and axial pressure

由圖5可知，流變?cè)囼?yàn)后試樣的顆粒破碎率隨軸向壓力的增大呈線性增長關(guān)系。在相同的軸向壓力作用下，顆粒破碎率隨混合料中泥巖含量的增加而增大，這種關(guān)系在較高的軸壓水平下更為明顯。圖6為4種不同混合比的砂泥巖混合料在每級(jí)軸向壓力作用下的試驗(yàn)后顆粒破碎情況(顆粒破碎率)與該級(jí)壓力下的最終流變量之間的關(guān)系。圖中從左至右的6個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)分別為100、200、400、800、1 200、1 600 kPa等6級(jí)軸向壓力作用下流變?cè)囼?yàn)結(jié)束后的的軸向應(yīng)變和顆粒破碎率。由圖6可知，不同混合比試樣的最終流變量均隨顆粒破碎率的增大而增大，其關(guān)系可以較好地用線性關(guān)系擬合，當(dāng)試樣發(fā)生相同的流變變形時(shí)，泥巖含量多的試樣顆粒破碎更為嚴(yán)重。

表2 試驗(yàn)后各粒組含量及顆粒破碎率Table 2 Grain content and particle breakage ratio after tests

圖6 軸向應(yīng)變與顆粒破碎率的關(guān)系Fig. 6 Relationship between axial strain and particle breakage ratio

3 砂泥巖混合料流變機(jī)理分析

由于砂泥巖顆?；旌狭系念w粒組成和顆粒接觸形式與普通的單一巖性堆石料不同，所以其流變機(jī)理與堆石料的流變機(jī)理不同。砂泥巖顆粒混合料的流變特性受試樣的巖性組成影響較大，在流變特別是經(jīng)過濕化作用的流變過程中，砂巖顆粒和泥巖顆粒發(fā)生差異裂化。由于砂巖的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于泥巖，且水對(duì)砂巖顆粒和泥巖顆粒的影響也截然不同，浸水后的泥巖顆粒在較低的壓力水平下就發(fā)生破碎、軟化甚至泥化。大粒徑泥巖顆粒破碎后，顆粒之間的接觸應(yīng)力得以釋放，顆粒發(fā)生滑移并充填粗顆粒孔隙。而砂巖顆粒的強(qiáng)度高，軟化系數(shù)比泥巖大許多，水理性質(zhì)穩(wěn)定，在浸水后顆粒強(qiáng)度變化較小，試驗(yàn)中的顆粒破碎程度小。這種水理性質(zhì)差異造成了流變過程中砂泥巖混合料劣化機(jī)理與堆石料有較大差別。流變發(fā)展速度趨于平緩，隨著軸向壓力進(jìn)一步加大，至砂巖顆粒之間的接觸應(yīng)力達(dá)到極限強(qiáng)度后，砂巖粗顆粒隨之發(fā)生破碎。最后砂巖顆粒和泥巖顆粒達(dá)到新的平衡狀態(tài)。在新的平衡狀態(tài)下，隨著軸向壓力的增大，顆粒間接觸應(yīng)力繼續(xù)增大，直至發(fā)生新一輪的顆粒破碎。

由于組成混合料的砂巖和泥巖顆粒，在受壓前已存在細(xì)微裂縫等原始缺陷，這些缺陷在浸水和壓力作用情況下逐漸被放大，直至顆粒發(fā)生破碎。所以，砂泥巖顆?；旌狭系牧髯儥C(jī)理，可認(rèn)為是由于浸水、風(fēng)干、荷載作用等外部環(huán)境作用，導(dǎo)致顆粒中原有裂縫和缺陷被逐漸發(fā)展、強(qiáng)度逐漸降低的顆粒裂化過程。

4 結(jié) 論

采用自行研制的土體飽水-疏干循環(huán)壓縮試驗(yàn)儀，對(duì)砂泥巖顆?；旌狭线M(jìn)行了考慮濕化作用的側(cè)限壓縮流變?cè)囼?yàn)。得到如下結(jié)論：

1) 砂泥巖顆?；旌狭系牧髯兣c時(shí)間的關(guān)系，隨試驗(yàn)時(shí)間的延長由線性關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)閮绾瘮?shù)關(guān)系，流變量與軸壓之間符合線性關(guān)系，隨混合料中泥巖含量的增加而增大。

2) 顆粒破碎率與軸向壓力、流變量與顆粒破碎率之間均存在較好地線性關(guān)系。相同壓力水平下，顆粒破碎率隨泥巖含量的增加而增大，這種關(guān)系在高應(yīng)力水平下更為明顯。

3) 砂泥巖顆粒混合料的流變主要經(jīng)歷3個(gè)階段，在較小壓力下粒徑較大的泥巖顆粒先破碎并充填粗顆粒孔隙；當(dāng)顆粒間的接觸應(yīng)力達(dá)到一定水平后，砂巖粗顆粒發(fā)生破碎；最后砂巖顆粒和泥巖顆粒達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)，隨著軸向壓力的進(jìn)一步增大，顆粒間接觸應(yīng)力繼續(xù)增大，直至發(fā)生新一輪的顆粒破碎。

從試驗(yàn)成果可知，砂泥巖顆?；旌狭系牧髯冎饕怯捎陬w粒的破碎、滑移和充填所引起。而顆粒的破碎貫穿于裝樣—壓縮固結(jié)—浸水濕化—流變完成的整個(gè)試驗(yàn)過程中，所指的破碎率為流變?cè)囼?yàn)結(jié)束后的顆粒破碎率，未能區(qū)分試驗(yàn)各階段的砂巖顆粒與泥巖顆粒的級(jí)配變化和顆粒破碎情況，這方面還有待進(jìn)一步研究。

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(責(zé)任編輯：朱漢容)

Rheological Behavior of Sandstone-Mudstone Mixture

YANG Yang1，2，WANG Junjie1，2，ZHANG Juntang1，2，LIU Yunfei1，2

(1.National Engineering Research Center for Inland Waterway Regulation，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，P.R.China; 2.Key Laboratory of Hydraulic and Waterway Engineering of Ministry of Education，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，P.R.China)

A self-developed drying-wetting cycle compression test system was used to investigate the long term settlement after construction of high embankment of sandstone-mudstone mixture.Compression rheological tests of sandstone-mudstone particle mixture samples with four mixture ratio were carried out，which considered the wetting effect.The influence of axial pressure and sandstone-mudstone mixture ratio on the rheological test was discussed.The corresponding particle breaking rate of the samples after tests was calculated，and the relationships among the particle breakage rate，the axial pressure and final rheological deformation were analyzed.From the test results，it can be seen that the final rheological strain，the particle breakage rate and the axial pressure have a good linear relationship，and the relationship between the rheological strain and time can be approximately expressed by power function.Lithology composition of the sandstone-mudstone mixture has a great influence on rheological deformation.

geotechnical engineering; sandstone-mudstone particle mixture; wetting effect; confined compression; rheological behavior; particle breakage

2016-01-05；

2016-05-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51479012)；“十二五”國家科技支撐計(jì)劃課題項(xiàng)目(2015BAK09B01)；重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目(CSTC2013JCYJA30009)

楊 洋(1982—)，男，黑龍江齊齊哈爾人，高級(jí)工程師，博士研究生，主要從事水工結(jié)構(gòu)及巖土方面的研究。E-mail：25742857@qq.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.06.10

TU43

A

1674-0696(2017)06-064-06