白志鵬， 馬天馳， 尹紅亮， 文良東， 吳國慶， 靖振帥

(1.西安科技大學地質(zhì)與環(huán)境學院，西安 710054；2.西安科技大學煤炭綠色開采地質(zhì)研究院，西安 710054；3.中交基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護集團有限公司，北京 100088)

0 引言

紅層泥巖是在我國西南地區(qū)廣泛分布的一種極其特殊的軟巖。在四川宜賓“長江生態(tài)保護·宜賓臨港退岸入園”項目城市次級干路(縱二路一段)的公路工程建設(shè)中，沿線削坡及隧道挖方會產(chǎn)生大量紅層泥巖，以就地取材的原則將其作為路基回填材料使用[1]的同時也存在承載力的問題。由于紅層泥巖多為泥質(zhì)膠結(jié)，且礦物成分中含有大量膨脹性黏土礦物與可溶性礦物，使其在降水量變化或地下水影響下具有露天風化嚴重、遇水易軟化、失水易崩解的特性，從而引起路基填料局部喪失強度，造成路基塌陷、開裂以及隧道底鼓等工程問題[2-4]?？梢?，水是影響紅層泥巖物理結(jié)構(gòu)和力學性質(zhì)的關(guān)鍵因素，研究不同浸水條件和干濕循環(huán)下紅層泥巖強度劣化規(guī)律具有重要意義[5-8]。

紅層泥巖在不同環(huán)境介質(zhì)下力學性能變化一直是工程領(lǐng)域的研究熱點[9-11]，許多學者針對這類情況做了大量的試驗研究。如周其健等基于不同加熱方式、不同溫度及不同浸水時間等因素模擬了地熱系統(tǒng)作用，通過測試觀察巖樣宏觀力學特性和微觀結(jié)構(gòu)特征，得出紅色泥巖在地熱系統(tǒng)作用下會發(fā)生微觀結(jié)構(gòu)劣化導致其軟化后發(fā)生延性破壞的特性[12]；邱恩喜等通過溶蝕試驗并觀察巖樣的溶蝕特征，得出紅層泥巖在腐蝕性環(huán)境介質(zhì)下可溶成分之間溶解、流失導致裂隙增大和滲水性增強，造成紅層內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學性能的損傷[13]；謝小帥等采用X射線衍射技術(shù)測得不同保水狀態(tài)下巖樣的礦物成分，分析了紅層泥巖的遇水軟化過程，得出了紅層泥巖的力學性能損傷是由礦物的溶蝕、黏土礦物的吸水膨脹與崩解、泥巖與水作用導致顆粒間膠結(jié)連結(jié)破壞造成的[14]；阮毅等開展紅層泥巖在不同pH值溶液條件下的干濕循環(huán)試驗，通過推導崩解物質(zhì)量與分形維數(shù)分析了酸性條件對泥巖力學特性與崩解規(guī)律，得出酸性條件會加劇紅層泥巖崩解[15]；梁冰等基于泥巖凍-融循環(huán)試驗，通過分析不同環(huán)境循環(huán)次數(shù)崩解物顆粒級配，得出凍融作用會縮短泥巖崩解周期，且使泥巖崩解速率增加[16]；張志敏通過模擬紅層泥巖在持續(xù)荷載下遇水軟化試驗，探究荷載-水化耦合作用下紅層泥巖變形和強度特征，得出荷載-水化作用發(fā)生于遇水一段時間后，破壞具有突然性且呈現(xiàn)脆性破壞特征[17]。

上述研究多集中于不同含水條件下紅層泥巖的力學特性變化規(guī)律、劣化機制、微觀結(jié)構(gòu)變化特征等。針對紅層泥巖的干濕環(huán)境交替的強度特性變化規(guī)律研究較少，揭示其在不同浸水條件下強度及崩解性變化規(guī)律，可對紅層泥巖填筑以及隧道掘進穩(wěn)定性提供技術(shù)參考。基于此，本文首先將紅層泥巖樣品制成三組進行不同干濕環(huán)境的模擬試驗，記錄在不同條件試樣的單軸抗壓強度并拍照分析其破壞形態(tài)，通過浸水循環(huán)試驗，模擬紅色泥巖試樣在干濕交替環(huán)境下的崩解過程，最后基于試驗結(jié)果對紅層泥巖的強度性能損傷機制作進一步探討。

1 試樣制備及試驗方法

1.1 試樣制備

本試驗樣品由四川省宜賓市“長江生態(tài)保護·宜賓臨港退岸入園”項目城市次級干路(縱二路一段)的工地選取，為粉砂質(zhì)泥巖，膠結(jié)情況為泥質(zhì)膠結(jié)。

按照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40—2007)要求[18]，試樣制成尺寸為直徑D=50mm，高H=100mm的圓柱狀樣品，兩端面不平行誤差小于0.005mm，兩端面不平整體誤差小于0.02mm，直徑誤差小于0.3mm，用于不同浸水時間下紅層泥巖單軸抗壓強度試驗。浸水循環(huán)試驗所用樣品由巖石鉆樣機鉆取，使用巖石切割機和巖石打磨機切割打磨，使試樣底面平整。

1.2 試驗方法

1.2.1 單軸抗壓強度試驗

為研究不同浸水條件下抗壓強度變化的過程，模擬干濕交替變化的環(huán)境條件，將9個樣品進行編號并分為3組。第I組試樣為干燥狀態(tài)，第II組試樣為浸泡24h后在室溫條件中靜置24h，第III組為完全浸水狀態(tài)。

第I組試樣測其烘干前后的質(zhì)量變化，得到自然狀態(tài)下含水率；第II組試樣的“浸泡-靜置”循環(huán)作用設(shè)計為：考慮到巖體的干濕交替環(huán)境，將烘干后的樣品采用自由浸水的方法進行吸水，將試樣設(shè)置放入浸泡桶中將試樣完全浸入水中，24h后取出樣品，在室溫環(huán)境中放置24h，稱質(zhì)量，測其含水率；第III組將試樣浸水時間延長至48h，浸水完成后稱其質(zhì)量，得到含水率，用保鮮膜將樣品包裹，立即對其進行單軸抗壓強度試驗。

試驗前對每組試驗樣品不同浸水條件下前后的質(zhì)量、含水率進行測試記錄(表1)。

表1 不同浸水條件下樣品含水率

處理完成后每組試樣進行單軸抗壓強度試驗，探究不同浸水條件對于試樣強度損傷的影響。試驗步驟如下：首先將不同浸水條件的試樣置于剛性墊塊之間，然后將位移傳感器調(diào)整至合適位置，最后施加軸向荷載至試樣破壞。

1.2.2 浸水循環(huán)試驗

通過浸水循環(huán)試驗探究紅層泥巖在不同浸水條件下的強度性能變化規(guī)律，模擬干濕交替環(huán)境的浸水條件，對試樣進行浸水循環(huán)處理，采取“浸水—烘干篩分—再浸水—再烘干篩分”的作用模式。

試驗步驟如下：①將試樣放入浸泡桶中并加水使試樣完全浸入水中，浸水24h后使用0.075mm篩過濾水溶液防止細顆粒固結(jié)；②將試樣在烘箱內(nèi)使用35℃烘干12h直至質(zhì)量穩(wěn)定，分別使用5mm、2.5mm、2mm、0.5mm、0.2mm、0.075mm的標準篩網(wǎng)篩分樣品崩解物，記錄各粒徑崩解物顆粒質(zhì)量并分析顆粒級配；③將所有粒徑大于0.075mm的試樣重復浸水-烘干過程直至崩解物級配變化不明顯，試驗結(jié)束。記錄多次浸水循環(huán)試樣崩解過程，分析試樣在干濕循環(huán)中的崩解過程。

2 結(jié)果與分析

2.1 單軸抗壓強度試驗數(shù)據(jù)分析

巖石在干濕環(huán)境交替的水巖相互作用后，其單軸抗壓強度試驗的結(jié)果會發(fā)生改變，通過對比不同浸水狀態(tài)下泥巖的抗壓強度和彈性模量的變化，確定不同浸水條件對巖石的損傷程度。

2.1.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

從圖1可以看出：①與干燥狀態(tài)下的巖樣相比，隨著樣品浸水時間的增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線末端應(yīng)力跌落不明顯，說明樣品內(nèi)部黏結(jié)力使破壞過程變緩；②浸水后巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在極限強度后線形增長，主要原因是在浸水初期，試樣沿層面方向首先出現(xiàn)裂隙，裂隙寬度隨著浸水時間的增加逐漸擴展、延伸，但試樣沒有破壞，呈現(xiàn)出延性特征。

(a)第I組試樣 (b)第II組試樣 (c)第III組試樣

2.1.2 抗壓強度與彈性模量變化

表2為干-濕循環(huán)對于紅層泥巖的單軸抗壓強度測試結(jié)果。由表2可知：①隨著浸水時間的增加，三組巖石的抗壓強度、彈性模量和峰值應(yīng)變都呈現(xiàn)出降低趨勢；②樣品單次干濕循環(huán)中抗壓強度隨浸泡時間的大幅減少，樣品在多次干濕循環(huán)后完全崩解，其崩解原因主要由紅層泥巖的水巖相互作用產(chǎn)生，膨脹裂隙對巖石的損傷是逐漸累加進行的且不可修復；③紅層泥巖的彈性模量隨著浸水時間的增加而降低，而經(jīng)過靜置后的試樣彈性模量高于完全浸水試樣，這可能是由于浸水初期導致的層間裂隙在靜置脫水過程的進行逐漸閉合，顆粒結(jié)合水膜變薄，顆粒間由于水膜的張力作用產(chǎn)生黏合效應(yīng)，使得整體微裂縫顆粒發(fā)生運動黏合，脫水后形成新的似連續(xù)介質(zhì)，整體性增強。

表2 單軸壓縮試驗結(jié)果

2.1.3 單軸壓縮破壞形態(tài)

通過單軸抗壓試驗，不同浸水條件下試樣的破壞形態(tài)不同，以紅層泥巖5、6號試樣單軸壓縮破壞形態(tài)為例，經(jīng)過單次不同階段干濕環(huán)境交替處理，在外部荷載作用下試樣呈現(xiàn)出主要的兩種破壞形態(tài)(圖2)。

由圖2可以看出：①未經(jīng)浸水處理的泥巖試樣在單軸荷載作用下發(fā)生破壞時，破壞面相對分散，說明未經(jīng)浸水的試樣內(nèi)部孔隙并非完全連通；②經(jīng)過“浸水-靜置”處理后，破壞面相對集中，說明試樣在破壞時內(nèi)部孔隙在水巖相互作用下已有少量貫通；③在完全浸水條件下，隨著浸水時間的增長，試樣內(nèi)部孔隙逐漸貫通，內(nèi)部裂隙不斷發(fā)育且破壞面的松散顆粒軟化，并在裂隙處假黏結(jié)(表3)。

(a)5號試樣破壞形態(tài) (b)6號試樣破壞形態(tài)

表3 單軸壓縮試驗軟化分析

2.2 浸水循環(huán)試驗數(shù)據(jù)分析

2.2.1 干濕循環(huán)下樣品的崩解過程

圖3為第2次至第12次“浸水-風干”循環(huán)紅層泥巖試樣崩解過程。從圖3可以看出：①隨著浸水循環(huán)次數(shù)的增加，崩解物形態(tài)由碎塊、碎片狀逐漸轉(zhuǎn)化為碎屑狀、泥狀，粒徑不斷減??；②隨著浸水循環(huán)過程的進行，水巖相互作用使試樣內(nèi)部裂隙貫通，垂直層理方向裂隙與平行層理方向裂隙同時發(fā)育，試樣破碎現(xiàn)象不斷進行直至破碎達到臨界平衡；③篩分過濾溶液泥質(zhì)成分不斷增加并逐漸趨于穩(wěn)定，崩解物可溶礦物成分減少。

圖3 試樣不同浸水條件下單軸壓縮破壞形態(tài)

2.2.2 干濕循環(huán)下樣品崩解物顆粒級配曲線

圖4為第2次至第12次“浸水-風干”循環(huán)紅層泥巖試樣顆粒粒徑級配曲線變化圖。從圖4可以看出：①隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，顆粒級配曲線逐漸向上移動，崩解物由>10mm粒徑的顆粒不斷崩解為細顆粒；②第六次循環(huán)為樣品崩解速率的轉(zhuǎn)折點，崩解物粒徑>3mm的顆粒粒徑崩解速率緩慢降低，顆粒級配逐漸趨于穩(wěn)定。

圖4 泥巖試樣顆粒粒徑級配曲線變化

2.3 礦物成分分析

本次研究利用X衍射儀(XRD)分析上述試驗紅層泥巖試樣的礦物成分，其中伊利石為22%，高嶺石為13%，石英為22%，鈉長石為25%，方解石為7%，赤鐵礦為2%，綠泥石為9%。樣品的X射線衍射礦物分析譜如圖5。

圖5 紅層軟巖試樣 X 射線粉晶衍射譜

從礦物成分的分析可以看出：①碎屑物鈉長石、石英含量最高，其次為伊利石、高嶺石，最后為少量綠泥石、方解石和赤鐵礦。②泥巖易呈現(xiàn)崩解特性主要與黏土礦物含量有關(guān)，其中伊利石為較強親水性黏土礦物，高嶺石濕潤時具有可塑性、黏著性和體積膨脹性，影響泥巖試樣強度特性和破壞形態(tài)。

綜上所述，在路基工程中，紅層泥巖作為筑路材料，或為隧道圍巖主要成分時，往往會因降水及其他原因發(fā)生局部較大變形導致公路的開裂及圍巖失穩(wěn)等各種病害，嚴重影響了公路的正常使用。導致各種病害的主要原因是紅層泥巖的礦物組成易發(fā)生水巖相互作用導致填料的承載能力與穩(wěn)定性降低。因此，研究紅層泥巖不同浸水條件條件下強度劣化及崩解規(guī)律具有重要的工程意義。通過研究結(jié)果分析，解決紅層泥巖本身遇水失穩(wěn)問題，應(yīng)當以改善巖體含水條件與排、防水保護措施等方面著手：①加速紅層泥巖排水固結(jié)可進行強夯處理，以降低水的滲入；②巖體裸露面層覆蓋隔水材料以及巖體內(nèi)部排水疏導；③紅層泥巖路基填筑完成后應(yīng)當進行路基表面進行疏水處理，防止地表水聚集并長期浸泡。

2.4 工程應(yīng)用實例

2021年3月至7月，在四川省宜賓市臨港經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)東部產(chǎn)業(yè)園區(qū)內(nèi)臨港退岸入園項目縱二路一段工程建設(shè)中，中交基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護集團聯(lián)合西安科技大學共同推進的“高填方路基強夯施工參數(shù)優(yōu)化與質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)”科研項目在該工程建設(shè)中開展現(xiàn)場監(jiān)測、取樣和室內(nèi)試驗等研究，且試驗研究所得成果在實際工程中得到具體應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，自然降水引起強夯路基發(fā)生小幅沉降對工程建設(shè)的影響較小，紅層泥巖經(jīng)過強夯處理可削弱其自然崩解的不良影響，力學特性可達到所需建設(shè)要求。根據(jù)研究成果，為減少降水對強夯路基承載力的影響，優(yōu)化了強夯施工工藝。具體方案：①在施工之前測試填土含水率，通過填料平鋪碾壓并晾曬3d，控制填料含水率在16%～18%，以減少膨脹性黏土發(fā)生水巖作用使填料結(jié)構(gòu)劣化，增加填料黏聚力；②施工過程中通過路基滲溝排水，降水時覆蓋防水篷布，以降低路基巖體地下水位；③施工完成后，灌砂試驗測試壓實度達96.8%；動力觸探試驗結(jié)果得出強夯路基填料試樣錘擊平均數(shù)為18.2， 容許承載力大于0.66MPa；沉降量監(jiān)測結(jié)果顯示該路段1周含降水條件下總沉降量降至100 mm以下，與未處理填料的路段沉降量相比減少約40%。由此可見，優(yōu)化后的各項施工技術(shù)指標滿足公路規(guī)范設(shè)計要求。

3 結(jié)論

本文以紅層泥巖為研究對象，對不同浸水條件作用下紅層泥巖的單軸抗壓強度、崩解劣化規(guī)律進行了研究，得出以下結(jié)論：

1)在單次浸水條件下，樣品含水率在浸水過程中不斷增加，使泥巖在浸水條件下由于樣品內(nèi)部礦物膨脹，產(chǎn)生不均勻分布的拉應(yīng)力，使得顆粒間裂隙發(fā)育并導致單軸抗壓強度和彈性模量降低。

2)樣品在靜置脫水階段，對于泥巖的單軸抗壓強度和彈性模量有一定恢復效果，但恢復效果遠不及劣化作用結(jié)果，表現(xiàn)為泥巖在多次干濕循環(huán)后呈現(xiàn)破壞更為顯著，說明水巖作用的損傷主要發(fā)生在每次干濕循環(huán)交替的浸水過程中。

3)在多次浸水-風干循環(huán)下，泥巖試樣因為可溶性礦物與黏土礦物的水巖相互作用，逐漸崩解，崩解物由較大塊徑片狀顆粒逐漸軟化分解成小塊徑顆粒，可溶性物質(zhì)消失，剩余泥質(zhì)成分增加，在第六次循環(huán)后顆粒級配逐漸趨于穩(wěn)定，巖石強度完全喪失。