某膨脹性泥巖強度特性室內試驗研究

王 濤 曹雪山 張榮寬

（1.南京大學地球科學與工程學院，江蘇南京 210093；2.河海大學道路與鐵道工程研究所，江蘇南京 210098；3.中設設計集團股份有限公司，江蘇南京 210014）

0 引言

膨脹性泥巖具有遇水膨脹、崩解軟化的特性，開挖暴露后在大氣作用下表層巖石產(chǎn)生軟化，強度喪失。路基填筑和邊坡支護工程中，在進行填筑和護坡施工前需將軟化崩解后的巖屑清除。此外，工程施工開挖出的膨脹性泥巖被運往棄渣場，經(jīng)雨淋日曬后很快變成散土，若對其加以利用，將對工程建設有重大意義。

國內針對膨脹性軟巖或膨脹土作為路基、邊坡或堤壩等填筑材料的適用性已有不少研究成果［1-3］，但不同地區(qū)的膨脹巖土由于其成因、產(chǎn)狀、親水性礦物含量的不同而具有各自相異的力學特性。膨脹性泥巖用于各類工程填筑時，既要保證壓實度滿足要求，還應采取一定的隔水措施，減小由膨脹性泥巖浸水產(chǎn)生的膨脹、軟化等不利影響。本文所研究的膨脹性泥巖的蒙脫石含量較高，具有較強崩解性，因此該類軟巖用于工程填筑時需要重點研究以下問題：在何種干密度和含水率下該類膨脹性泥巖的強度最高，在不同壓力下浸水后的強度參數(shù)變化規(guī)律等。

1 巖樣基本物理特性

巖樣取自合肥市某工程施工現(xiàn)場，巖樣的物理力學性質參數(shù)見表1。由表可知，該巖樣親水性黏土礦物含量較高，其天然含水率較大，自由膨脹率51%，屬于膨脹性巖。烘干后巖樣的無荷膨脹率遠大于天然狀態(tài)下的膨脹率；抗壓強度約1.1 MPa，屬極軟巖，耐崩解性指數(shù)為1.2%，屬強崩解性。

2 試驗方案

制備含水率分別為14%、18%、22%的重塑環(huán)刀樣各12個（見圖1），每種含水率包含3種干密度1.5 g/cm3、1.6 g/cm3、1.7 g/cm3，每種干密度的重塑環(huán)刀樣各4個，見表2。制備好試樣后，進行直剪試驗。剪切試驗時分別施加垂直壓力100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。

表1 原狀巖樣物理力學性質

圖1 部分膨脹性泥巖重塑環(huán)刀樣

制備含水率分別為14%、18%、22%的三軸三開重塑樣各9個，每種含水率包含3種干密度1.5 g/cm3、1.6 g/cm3、1.7 g/cm3，每種干密度的三軸三開重塑樣各3個，見表2。制備好試樣后，進行無側限抗壓強度試驗。

表2 試樣初始條件及環(huán)刀樣制備方案

直剪試驗和無側限抗壓試驗步驟按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—1999）［5］進行。

制備初始含水率為18%、干密度為1.7 g/cm3的重塑環(huán)刀樣16個，分別在1 kPa、12.5 kPa、50 kPa、100 kPa上覆壓力下進行浸水飽和24小時，見表3。試樣飽和后，吸去固結儀水槽內的水，卸去上覆壓力，稱量試樣質量。然后立即進行豎向壓力為50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa下的不固結不排水快剪試驗，剪切速率為0.8 mm/min。

表3 不同試驗條件下的環(huán)刀樣數(shù)

3 試驗結果分析

3.1 重塑環(huán)刀樣直剪強度特性

圖2是不同干密度下，膨脹性泥巖重塑樣的黏聚力c與試樣含水率w的關系曲線。由圖2可知，黏聚力隨含水率的增加先增大后減小，隨著干密度的增大而增大。含水率18%時黏聚力出現(xiàn)峰值，干密度為1.7 g/cm3時的黏聚力為293 kPa，干密度為1.5 g/cm3時黏聚力為124 kPa，前者比后者大兩倍還多，可見干密度對強度的影響比較大。圖3中內摩擦角隨含水率的變化數(shù)據(jù)較離散，規(guī)律不明顯。

圖2 不同干密度下的黏聚力-含水率關系曲線

膨脹性泥巖重塑樣的抗剪強度由黏聚力、土粒間的摩擦力、基質吸力、約束外力等因素決定。干密度越大，孔隙比越小，土粒間的引力和咬合作用越強，黏聚力越大［6］。隨著含水率的增加，膨脹性泥巖重塑樣的土顆粒之間因水的吸附作用，產(chǎn)生了一定的黏聚力，使得抗剪強度增大。土顆粒間的結合水膜隨著含水率的增加而變厚，受力時孔隙水壓力增大，有效應力降低，使土體抗剪強度降低。林鴻州等人［7-8］通過研究得出，對于重塑的粉細砂與砂質粉土，在飽和與全干的情況下其黏聚力為0，而在非飽和情況下則因基質吸力的影響而產(chǎn)生黏聚力；無論何種土，黏聚力在飽和度為40%～60%時最大，而內摩擦角則隨飽和度增加而減少。一些學者的研究結果［9］和本文試驗結果基本一致，表明本試驗中黏聚力存在峰值是合理的。另外一些學者［10］的研究結果中，巖土樣的強度隨飽和度的增加而線性減小，這是由于和本文試驗方法的不同引起的。本試驗是制備不同干密度和含水率狀態(tài)的試樣后進行強度試驗，而另外一種方法［10］是使同一初始狀態(tài)下的試樣不同程度的吸水飽和后進行強度試驗，此時試樣不僅含水率發(fā)生改變，干密度、孔隙比也發(fā)生了改變，另外吸水導致試樣內部和表面水分不均，從而共同引起了強度的衰減。

圖3 不同干密度下的內摩擦角-含水率關系曲線

3.2 重塑三軸三開樣的無側限抗壓強度特性

圖4 是部分試樣破壞后的狀態(tài)，從圖中可以看出，含水率為14%時，試樣破壞時無明顯貫穿試樣的大裂縫，而是試樣中部被壓碎或劈裂，隨后強度喪失。而含水率為18%和22%時，試樣破壞時均有貫穿試樣的斜裂縫，裂縫與水平面的夾角約為50°～60°。這是由于含水率較低時，土粒間的黏結力較低，整體性較差，因此試樣會以局部碎裂的形式破壞。隨著含水率的增加，土粒間的黏結力逐漸增大，整體性較好。

圖5是不同干密度下的無側限抗壓強度與含水率的關系曲線，從圖中可以明顯看出，隨著含水率的增加，無側限抗壓強度出現(xiàn)峰值，峰值出現(xiàn)在含水率為18%處。表明含水率18%接近膨脹性泥巖重塑樣的最佳含水率，即此時膨脹性泥巖重塑樣的抗壓強度最高。

圖4 無側限抗壓試驗部分破壞后的試驗照片

圖5 不同干密度下的無側限抗壓強度-含水率關系曲線

3.3 重塑環(huán)刀樣吸水飽和后的強度參數(shù)

重塑環(huán)刀樣在不同上覆壓力下吸水飽和后，通過直剪試驗得到試樣在不同上覆壓力下的黏聚力c和內摩擦角φ，見表4。

表4 不同壓力浸水膨脹后的黏聚力和內摩擦角

圖6和圖7表示了黏聚力、內摩擦角與上覆壓力之間的曲線關系。由曲線可知：①膨脹性泥巖重塑環(huán)刀樣在不同上覆壓力下吸水飽和后的強度參數(shù)c隨上覆壓力的增大而增大，在上覆壓力較小時，增長速率較大，黏聚力與上覆壓力近似呈冪函數(shù)關系變化；②內摩擦角均隨浸水上覆壓力的增加而增加，內摩擦角與上覆壓力也近似呈冪函數(shù)關系變化。

膨脹性泥巖吸水后的強度降低是由于膨脹性泥巖親水性的黏土礦物含量高，吸水后黏土礦物顆粒之間出現(xiàn)水化膜，顆粒之間的接觸變成水化膜接觸，孔隙水壓力增加，有效應力減小；同時黏土礦物顆粒體積膨脹，晶片之間的間距變大，結構變得松弛，強度也就隨之迅速降低。

上覆壓力較小時吸水膨脹后的強度參數(shù)遠小于上覆壓力較大時吸水膨脹后的強度參數(shù)，其中上覆壓力為1 kPa時比上覆壓力為100 kPa時的黏聚力降低約70%。這是由于上覆壓力顯著抑制了試樣的膨脹變形，減小了結構的強度損失。因此該類巖料用于工程填筑時，為防止邊坡失穩(wěn)或填筑體產(chǎn)生較大變形，該類巖料上方需用非膨脹土或改良土覆蓋壓重，另外應做好填筑體的防水、排水，減小填料的吸水程度，從而減小填筑體的變形和強度損失。

圖6 浸水時上覆壓力-黏聚力關系曲線

圖7 浸水時上覆壓力-內摩擦角關系曲線

4 結論

1）本次試驗的膨脹性泥巖重塑環(huán)刀樣的直剪強度和重塑三軸三開樣的無側限抗壓強度均在含水率約18%時存在峰值，且強度隨干密度的增加而顯著增大。用該類巖樣進行填筑時，將最優(yōu)含水率控制在約18%時進行壓實，并盡量提高填筑料的干密度，以使填筑體邊坡的抗剪強度達到最高。

2）膨脹性泥巖重塑環(huán)刀樣在不同上覆壓力下吸水飽和后的強度隨上覆壓力的增大而增大。上覆壓力較小時，試樣吸水飽和后的強度降低幅度較大，而增大上覆壓力可有效增強巖樣吸水飽和后的強度，尤其當上覆壓力處于較小水平時效果更為明顯。

收稿日期：2018-10-31