張善凱，冷先倫

(1.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

1 概述

膨脹巖是一種特殊軟巖，由吸水性黏土礦物組成，在吸水濕潤時表現(xiàn)出膨脹和強(qiáng)度軟化行為[1]。由于這種特殊性的存在導(dǎo)致了膨脹巖工程特性受到嚴(yán)重影響，比如膨脹巖邊坡失穩(wěn)和路基膨脹損壞[2]。作為典型的非飽和地質(zhì)材料，膨脹巖的抗剪強(qiáng)度與含水量有很大關(guān)系。關(guān)于膨脹巖的膨脹和強(qiáng)度特征很多學(xué)者做了大量的研究，其中王軍等[3]進(jìn)行了膨脹巖強(qiáng)度特性的研究，含水量對膨脹巖的強(qiáng)度有著強(qiáng)烈影響的結(jié)論；孫樹林[4-6]等研究了改良膨脹土的抗剪強(qiáng)度特征；李建華[7]等進(jìn)行了非飽和膨脹土抗剪強(qiáng)度的三軸試驗(yàn)；李科成[8-13]等研究了膨脹土抗剪強(qiáng)度的不同的影響因素；曾志雄[14]等用3種方法測得膨脹巖的膨脹力，得到了膨脹力與初始含水率呈線性負(fù)相關(guān)的結(jié)論。

在以上研究并未充分對比膨脹巖膨脹變形后的抗剪強(qiáng)度的變化。為了更好地了解膨脹巖膨脹變形后對剪切強(qiáng)度的影響，本文對不同含水條件下的膨脹巖進(jìn)行了一系列膨脹變形和直剪試驗(yàn)。根據(jù)膨脹變形試驗(yàn)結(jié)果，提出了膨脹應(yīng)變公式、膨脹力與含水率的關(guān)系公式；根據(jù)直剪試驗(yàn)得到了盧氏膨脹巖膨脹前后的抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律以及初始含水率對抗剪強(qiáng)度的影響。

2 試驗(yàn)概述

2.1 試樣獲取

膨脹巖樣品取自蒙西鐵路三門峽市盧氏縣境內(nèi)膨脹巖高邊坡處。將鉆孔巖芯(見圖1)先后用保鮮膜、防水紙和膠帶包裹后用石蠟封存。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將強(qiáng)風(fēng)化膨脹巖經(jīng)過充分泡水崩解泥化，對其基本物理參數(shù)進(jìn)行了測試，見表1所示。

圖1 膨脹巖取樣現(xiàn)場

表1 膨脹巖基本性質(zhì)Table1 Basicpropertiesofexpansivemudstone天然含水率/%干密度/(g·cm-3)比重/Gs液限wL/%塑限wP/%塑性指數(shù)IP/%71.862.7534.620.314.3

采用D8Advance X射線衍射儀得到盧氏膨脹巖X射線成分分析結(jié)果如圖2所示。盧氏膨脹巖的礦物成分主要以黏土礦物、鐵白云石和石英為主，其中黏土礦物占36.03%，包括伊利石、蒙脫石和綠泥石。

圖2 膨脹巖礦物成分

2.2 試樣制備

鑒于盧氏膨脹巖的脆性，很難獲得許多具有一定形狀的天然樣品。因此使用直徑為61.8 mm，高度為20.0 mm的重塑樣品進(jìn)行膨脹變形和直接剪切試驗(yàn)。首先將風(fēng)化的膨脹巖粉碎，然后篩過直徑為2.0 mm的篩子；將已計(jì)算好一定質(zhì)量的水混合到樣品中以獲得相當(dāng)均勻的混合物；之后將具有不同初始含水量的樣品在圓柱形模具中壓制成形，使其達(dá)到天然膨脹巖的干密度(1.86 g/cm-3)。樣品初始含水量分別為6%、10%、14%、18%。

2.3 試驗(yàn)方案

膨脹試驗(yàn)在固結(jié)儀中完成，分別在0、12.5、25、50、75、100、125、150、200 kPa的垂直法向應(yīng)力下進(jìn)行膨脹變形試驗(yàn)。在膨脹變形試驗(yàn)后，將25、50、100、200 kPa的垂直法向應(yīng)力下的樣品拆下并用做快速剪切試驗(yàn)，并且在剪切過程中施加在每個樣品上的正應(yīng)力與膨脹變形試驗(yàn)期間應(yīng)力一致。將其余試樣稱量質(zhì)量計(jì)算含水率。另外分別在25、50、100、200 kPa的垂直法向應(yīng)力下對膨脹前樣品進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，以確定膨脹前的剪切強(qiáng)度參數(shù)。在本次實(shí)驗(yàn)中采用0.8 mm/min的位移速率進(jìn)行剪切。

3 膨脹試驗(yàn)

3.1 有荷膨脹試驗(yàn)

膨脹巖吸水膨脹后，根據(jù)不同初始含水率樣品在不同的上覆荷載下的膨脹變形，膨脹率與上覆荷載之間的關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可以看出，在相同上覆荷載下，初始含水率越低的試樣，膨脹率就會越大。在初始含水率一定的條件下，隨著上覆荷載增加，試樣的有荷膨脹率減小，可以發(fā)現(xiàn)有荷膨脹率與上部荷載的對數(shù)呈線性關(guān)系[15]。

圖3 膨脹率與上覆荷載之間的關(guān)系

當(dāng)上覆荷載為0時，即無荷膨脹狀態(tài)，在對數(shù)表達(dá)式中，出現(xiàn)lnp無意義的情況，導(dǎo)致數(shù)學(xué)模型建立的困難，對此一般的處理方式為在原始上覆荷載條件下，均對初始值增加1，變?yōu)閘n(p+1)。分析有荷膨脹率ε與上覆荷載p+1之間的相關(guān)關(guān)系研究。在半對數(shù)坐標(biāo)系中，有荷膨脹率ε與ln(p+1)基本呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(如圖4所示)，可用下式進(jìn)行線性擬合：

ε=aln(p+1)+b

(1)

式中：a、b為與含水率相關(guān)的擬合參數(shù)。

圖4 有荷膨脹率與上覆荷載對數(shù)之間的關(guān)系

擬合結(jié)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)

擬合參數(shù)a和b與初始含水率大致呈線性關(guān)系(如圖5所示)。

圖5 參數(shù)a和b的擬合曲線

a和b與初始含水率ω之間的線性表達(dá)式為：

a=eω+f

(6)

b=gω+h

(7)

式中：ω為試樣的初始含水率；e、f、g、h為擬合參數(shù)。將式(6)、式(7)代入式(1)中，可以得到有荷膨脹率、初始含水率、上覆荷載這3個變量之間的擬合關(guān)系式：

ε=(eω+f)ln(p+1)+(gω+h)

(8)

通過線性擬合得到參數(shù)a和b與初始含水率ω的關(guān)系式：

a=0.146ω-0.046 2

(9)

b=-0.882 5ω+0.210 1

(10)

將式(9)、式(10)代入式(8)得到式(11)，即盧氏膨脹巖膨脹模型：

ε=(0.146ω-0.046 2)ln(p+1)+

(-0.882 5ω+0.210 1)

(11)

3.2 膨脹力研究

在有荷膨脹率與上覆荷載的關(guān)系曲線上，當(dāng)有荷膨脹率為零時所對應(yīng)的上覆荷載就是該含水率下樣品的膨脹力。膨脹力與初始含水率的關(guān)系如圖6所示，初始含水率與膨脹力之間具有較好的線性負(fù)相關(guān)的關(guān)系，即膨脹力隨初始含水率增大而減小。膨脹力與初始含水率之間的關(guān)系可以用下式進(jìn)行擬合：

P=iω+j

(12)

式中：P為膨脹力,kPa；ω為試樣的初始含水率；i，j為擬合參數(shù)。

擬合結(jié)果：

P=-333.75ω+79.625，R2=0.966 6

(13)

圖6 膨脹力-初始含水率變化曲線

4 直剪試驗(yàn)

4.1 膨脹巖膨脹后的抗剪強(qiáng)度

在膨脹試驗(yàn)結(jié)束以后，將25、50、100、200 kPa垂直應(yīng)力下的試樣取出放入直剪儀進(jìn)行快剪試驗(yàn)，得到不同初始含水率試樣的剪應(yīng)力與位移的變化規(guī)律如圖7所示。其余試樣取出后擦去表面水分稱量質(zhì)量計(jì)算含水率，得到膨脹試驗(yàn)后的試驗(yàn)已接近飽和。由圖7可知雖然是在不同初始含水率狀態(tài)下但是具有相似的剪切曲線形式，且隨著初始含水率的增加，剪切強(qiáng)度逐漸增加。

取各曲線峰值可以得到不同初始含水率試樣膨脹后的抗剪強(qiáng)度與正應(yīng)力的關(guān)系曲線，如圖8所示。對于初始含水率高的試樣，表現(xiàn)出抗剪強(qiáng)度也高，這是由于初始含水率低的試樣在泡水后吸收的水更多，試樣的膨脹變形更大，土樣更疏松，顆粒之間的聯(lián)結(jié)力會減小，所以更容易發(fā)生剪切破壞，表現(xiàn)為剪切強(qiáng)度的降低[16]。

(a)含水率為6%時

圖8 膨脹后膨脹巖抗剪強(qiáng)度與正應(yīng)力之間的關(guān)系

通過線性擬合膨脹后樣品的抗剪強(qiáng)度與正應(yīng)力的關(guān)系(見表2)，得到其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ。隨著初始含水率的減小，粘聚力c呈減小的趨勢，而內(nèi)摩擦角φ變化很小。當(dāng)初始含水率由18%減小到6%時，粘聚力c從74.27 kPa急劇減小至38.97 kPa，而內(nèi)摩擦角φ基本在29.11°～30.11°范圍內(nèi)保持不變。

表2 膨脹巖膨脹后抗剪強(qiáng)度參數(shù)Table2 Shearstrengthparametersofexpandedrockafterex-pansion初始含水率/%粘聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)638.9729.331053.4029.791461.2429.741874.2730.12

4.2 膨脹巖膨脹前的抗剪強(qiáng)度

在25、50、100、200 kPa的垂直法向應(yīng)力下對膨脹前樣品進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，以確定膨脹前的剪切強(qiáng)度參數(shù)。試樣的剪應(yīng)力與剪切位移之間的關(guān)系如圖9所示，可以發(fā)現(xiàn)與膨脹后剪切曲線的不同之處在于隨著剪切位移的增加，剪應(yīng)力增大至峰值后會迅速的減小。在相同垂直壓力下，含水率越高的試樣峰值應(yīng)力越小。

(a)含水率為6%時

取各峰值強(qiáng)度值可以得到不同含水率的試樣抗剪強(qiáng)度與正應(yīng)力的關(guān)系曲線，如圖10所示。通過線性擬合膨脹前抗剪強(qiáng)度與正應(yīng)力的關(guān)系，得到膨脹巖抗剪強(qiáng)度參數(shù)粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ(見表3)。粘聚力和內(nèi)摩擦角都隨著含水率的增加而減小，當(dāng)初始含水率由6%增加到18%時，膨脹巖粘聚力c由144.82 kPa急劇減小至64.4 kPa，內(nèi)摩擦角φ由47.98°減小至38.31°。

圖10 膨脹前膨脹巖抗剪強(qiáng)度與正應(yīng)力之間的關(guān)系

對比盧氏膨脹巖吸水前后的抗剪強(qiáng)度參數(shù)(見表2、表3)，發(fā)現(xiàn)試樣吸水膨脹后的黏聚力和摩擦角明顯降低，初始含水率越低的試樣黏聚力和內(nèi)摩擦角衰減幅度越大，尤其是黏聚力最為敏感。

表3 膨脹巖膨脹前抗剪強(qiáng)度參數(shù)Table3 Shearstrengthparametersofexpandedrockbeforeex-pansion初始含水率/%粘聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)6144.8247.8810122.1345.401488.9745.161864.4038.40

5 結(jié)論

本文通過一系列膨脹試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)研究了初始含水率對強(qiáng)風(fēng)化盧氏膨脹巖膨脹性和剪切強(qiáng)度特性的影響以及膨脹前后抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律，主要得到以下認(rèn)識：

a.在盧氏膨脹巖的膨脹試驗(yàn)中，膨脹應(yīng)變和膨脹壓力都隨初始含水量的增加而減??；膨脹應(yīng)變、膨脹壓力與初始含水量之間存在線性關(guān)系。

b.膨脹應(yīng)變與膨脹壓力的對數(shù)呈線性關(guān)系，得到了膨脹應(yīng)變、膨脹壓力與初始含水率的擬合表達(dá)式，得到了盧氏膨脹巖的膨脹模型。

c.膨脹前樣品的剪切強(qiáng)度參數(shù)隨初始含水量的增加而降低，膨脹前膨脹巖處于非飽和狀態(tài)，隨著含水量的增加，水起到潤滑的作用削弱了顆粒之間的摩擦力，使膨脹巖的抗剪強(qiáng)度降低。

d.吸水膨脹后的膨脹巖剪切強(qiáng)度大大降低，在膨脹過程中膨脹巖吸水飽和，使初始含水量較低的樣品表現(xiàn)出較大的劣化，表現(xiàn)為隨著初始含水量的增加，膨脹后樣品的黏聚力增加，而內(nèi)摩擦角保持恒定。