干濕循環作用下紅層軟巖填料強度特性試驗研究

劉曉明，顏 圣，劉 凱，曲詩章，陳仁朋

(湖南大學 建筑安全與節能教育部重點實驗室，湖南 長沙 410082)

0 引言

紅層軟巖在我國分布廣泛，將它用作路基填料可獲得良好的經濟效益和環保效益。但是紅層軟巖具有崩解性，查明紅層軟巖填料的長期強度特性是將它應用為路基填料的前提。李健[1]、趙明華[2]在我國首先開展了紅層軟巖(紅砂巖)填料強度特性的研究，探索紅層軟巖填料包括CBR值在內的各項指標是否滿足高速公路填料要求。蔣關魯等[3]對紅層泥巖路基填料進行了動、靜三軸試驗，獲得了其在動、靜荷載條件下的強度和變形規律。自然環境中的路基填料一直在經歷干濕循環作用。紅層填料由紅層軟巖經破碎形成，內部含較多具有崩解性的大顆粒，在干濕循環作用下，這些大顆粒仍可能崩解，導致填料性質發生變化。胡甜等[4]對紅砂巖路基填料進行了反復浸水-烘干的干濕循環條件下的大型一維側限壓縮試驗，得到紅砂巖路基填料壓縮系數、孔隙比隨干濕循環進行而逐漸增大的結論。韋慧等[5]對紅砂巖碎石土開展了反復浸水條件下的大型一維壓縮試驗，得到的結論是濕化變形量在前2次干濕循環增加較大，3次后趨于穩定且浸水時間越長濕化變形量越大，變形模量隨含水量增加而減小的結論。郭威等[6]對多次烘干-浸水后的紅砂巖填料進行干濕循環，通過大型直剪試驗得到了紅砂巖填料抗剪強度參數與干濕循環次數的關系，并以此為依據采用數值模擬獲得了前3次干濕循環邊坡安全系數下降較大，之后趨于穩定的結論。孔震寧[7]通過大型直剪和壓縮試驗，同樣得到干濕循環作用下紅砂巖填料強度參數和壓縮參數在前期衰減較快，后期趨于穩定的結論。B. Y. Zhang等[8]發現在應力、溫度、干濕循環耦合作用下，高應力下的紅層填料會由于顆粒破碎而發生致密化。以上紅層填料干濕循環研究所得的紅層填料強度和模量隨干濕循環次數增加而下降的認識，能解釋一種工程現象：運營哪怕超過20 a的紅層填料道路仍會被路基沉陷問題困擾[1-2]，而普通填料路基在多年使用后，一般就不再有這個問題。一般來說，如果材料強度下降，紅層填料路基面臨持久沉陷的同時，應該還會伴生滑坡問題。但是工程實踐表明，經長期服役的紅層填料路堤的滑坡非常罕見，這說明長期干濕循環作用下紅層填料的強度變化規律并不一定如我們所認識的那樣。應注意到的是，前述研究的壓縮和剪切試驗方法都是一維的，未能模擬真實路基中填料處于三向受力的真實條件，或許并未揭示紅層填料的根本特征。因此，根據路基中的實際應力狀態，采用三軸試驗揭示紅層軟巖填料的強度性質仍有必要。

對于采用三軸試驗研究干濕循環作用下巖土強度特性，國內外均開展了不少，如楊和平等[9]對南寧外環膨脹土，涂義亮等[10]對粉質黏土，G. Stoltz[11]等對石灰改良土，S. H. MP等[12]對飽和未擾動殘積土，L. Kong等[13]對花崗巖殘積土開展了研究。

為揭示干濕循環作用下紅層填料的強度特性，本研究在室內制備不同干濕循環次數的紅層填料試樣，然后進行固結排水三軸試驗，研究干濕循環條件下紅層填料強度和變形性質的變化特性，以期深化紅層填料特性的研究。

1 材料特性及試驗方案

1.1 紅層填料基本物理性質

本研究的現場填料分形維數測試試驗依托長沙市某實際工程進行。該工程填筑材料采用的是本地區廣泛分布的紅層軟巖[14]，礦物組成如表1所示，其地質名稱為中風化泥質粉砂巖，巖石天然含水率9%，天然含水率下單軸無側限抗壓強度2.4 MPa，浸水24 h完全崩解成渣狀。在現場測試了壓實后填料的密度、含水量，在室內測試了填料級配等其他參數，結果為：細顆粒液限34.2%，塑限20.9%，塑性指數13.3，最大干密度2.06 g/cm3，最優含水量為11.6%，現場壓實度為94%。

表1 紅層軟巖的礦物組成Tab.1 Mineral composition of red bed soft rock

1.2 試樣制備及干濕循環

按文獻[15]的方法準備相似級配填料(縮尺料顆粒級配如表2所示)，制備三軸試樣，試樣直徑101 mm，高200 mm，試樣最大粒徑為20 mm。在最優含水率下擊實，得到現場壓實度相同的擊實試樣，先將試樣置入飽和器飽和，然后進行干濕循環。干濕循環的方法是：將裝有試樣的飽和器放入真空干燥箱內，40 ℃恒溫條件下抽真空干燥至恒重(此為“干”)；將干燥試樣連同飽和器放入真空桶，將試樣抽真空，然后注水飽和24 h(此為“濕”)。按照此法制備0，1，2，4，8次干濕循環試樣備用。

1.3 三軸試驗方案

將經歷不同干濕循環次數的飽和試樣裝上三軸儀，分別在100，200，300，400 kPa這4級圍壓下進行固結排水三軸試驗。試驗儀器采用TSZ型普通應變控制式三軸儀。試驗前確認Δμ/Δσ3不小于0.98(Δμ為孔隙水壓力增量，Δσ3為圍壓增量)，然后進入固結過程，記錄固結排水過程，待試樣在目標圍壓固結穩定后，施加軸向偏應力進行剪切試驗，剪切速率取每分鐘0.05%。

表2 試樣顆粒級配Tab.2 Particle size distribution of sample

2 試驗結果

2.1 應力應變關系曲線

試驗得到經歷0，1，2，4，8次干濕循環的試樣，分別在4級圍壓下的應力應變曲線關系如圖1所示。

圖1 不同干濕循環次數紅層填料試樣應力應變曲線Fig.1 Stress-strain curves of sample of red bed filler after different dry-wet cycles

由圖1可知，不同干濕循環次數下的試樣應力應變曲線形態、峰值強度都有所差異。圖1(a)為未經受干濕循環試樣的應力應變曲線，可以發現當圍壓為100 kPa時，應力應變曲線具有明顯的下降段，對應的體積應變斜率為負值，說明此時圍壓小于試樣先期固結壓力，試樣發生了剪脹。而圖1(b)～(e)為經歷了干濕循環的試樣，在100 kPa圍壓下試樣都沒有發生剪脹，這說明干濕循環可改變紅層填料試樣的內部結構。

2.2 峰值強度變化規律

將不同干濕循環次數試驗曲線的偏應力峰值強度(無峰值時，則取軸向應變15%對應的偏應力為峰值)除以同圍壓下0次干濕循環試驗結果，得到歸一化峰值強度(無量綱)與干濕循環次數的變化關系，見圖2。

圖2 不同圍壓下填料歸一峰值強度與干濕 循環次數關系Fig.2 Relationships between normalized peak strength and dry-wet cycles under different confining pressures

為顯示紅層填料的強度變化特點，將文獻[10]中南寧外環膨脹土(直剪試驗結果)及文獻[11]中粉質黏土在100 kPa壓力下的峰值強度變化規律也繪制在圖2中作為對比。

由圖2可知，一般巖土如膨脹土、粉質黏土的偏應力峰值強度均隨干濕循環次數的增加而衰減。但紅層填料偏應力峰值強度變化展現出完全不同的特點：試樣在經歷第1次干濕循環后峰值強度下降，然后，隨著干濕循環次數的增加，強度逐漸上升，高圍壓的試樣經歷多次干濕循環后，峰值強度甚至超過未經干濕循環的試樣，巖土填料強度變化的這種特征以前還沒有發現過。

如果分析不同圍壓下的試樣峰值強度變化規律，可以發現：第1次干濕循環后，圍壓為100 kPa時強度下降幅度最大，試樣峰值強度最低值僅為未經干濕循環試樣的80.6%，而400 kPa時為91%，200和300 kPa時在兩者之間，說明圍壓越低強度下降幅度越大。第2次干濕循環后的強度上升規律則恰恰相反：100 kPa和400 kPa圍壓下的強度上升最大值分別是未經干濕循環試樣的98.7%，114.1%，200 kPa 和300 kPa時在兩者之間，說明圍壓越大強度上升幅度越大。可見試樣強度上升和下降的幅度與圍壓緊密相關。另一方面，試樣強度上升趨于穩定所需的干濕循環次數也與圍壓大小相關：100 kPa 圍壓下強度增長較慢，強度增長段近似呈直線型，可推測8次干濕循環以后強度仍有繼續增長的趨勢。而400 kPa圍壓試樣強度開始時增長很快，隨后變緩，可推測8次干濕循環時，峰值強度已經趨于穩定。

2.3 固結排水量與試樣強度的關系

三軸試驗還記錄了試樣的固結排水過程，將每個試樣的固結排水量除以試樣總體積可得到不同圍壓下的固結體變率，將其與試樣經歷的干濕循環次數關系繪制為圖3。

圖3 相同圍壓下填料不同干濕循環次數試樣 固結排水量Fig.3 Relationships between dry-wet cycles and consolidation drainage of samples under same confining pressure

從圖3可以發現，紅層填料試樣的固結體變率隨干濕循環次數的增多而逐漸增加，這表明經歷干濕循環的試樣更容易固結，也表明開始剪切時經歷干濕循環次數多的試樣具有更高的密實度(其他條件相同時)。

3 側限條件下的巖塊崩解試驗

為了揭示干濕循環作用下紅層填料強度變化特殊規律的機理，進一步研究包裹在紅層填料中仍具有崩解性的大顆粒的崩解特征。

為了模擬紅層填料顆粒在填筑體中受限的干濕循環狀態，按《公路工程巖石試驗規程》(JTG E41—2005)[16]規定，在天然含水率條件下切割制備50 mm×50 mm×50 mm的立方巖塊(切割時保證表面無明顯裂縫)，將巖塊裝入飽和器，周邊用中砂填充，然后在上方放置彈簧，通過控制彈簧的壓縮量施加50 kPa應力在中砂頂部，使巖塊處于一定側限狀態。

與填料干濕循環過程相同，經歷過一定次數干濕循環后，將受限飽和后的巖塊取出觀察(如圖4所示)，發現經過8次受限干濕循環后，巖塊并未產生明顯裂縫，只有邊角少量顆粒在試塊取出時容易被碰落。

圖4 巖塊干濕循環前后對比Fig.4 Comparison of rock block before and after dry-wet cycles

干濕循環試驗次數仍分為0，1，2,4，8次5組，每組6個巖塊，干濕循環后擦干，按《公路巖石試驗規程》進行單軸抗壓強度試驗，并取平均值為試驗結果。

將試驗結果繪制成干濕循環次數與單軸抗壓強度關系曲線，如圖5所示。試驗結果表明，隨著干濕循環的進行，巖塊強度發生顯著的衰減，經歷8次干濕循環的巖塊強度為896 kPa，該強度也顯著高于紅層填料的抗壓強度。

圖5 不同干濕循環次數下巖塊單軸抗壓強度Fig.5 Uniaxial compressive strength of rock block under different dry-wet cycles

受限條件下的巖塊崩解試驗表明，處于包裹中的巖塊經歷多次干濕循環后，雖然邊角更易產生脫落但沒有整體開裂，甚至連明顯的貫通裂縫都沒有，且巖塊強度仍高于填料強度。該試驗結果對于理解紅層填料的強度變化特性的意義在于：

(1)受限的巖塊在經歷干濕循環后不產生明顯崩解，表明在干濕循環過程中紅層填料的顆粒級配不會發生顯著變化。既有研究[17-18]表明，土的強度與顆粒最大粒徑及粗顆粒含量顯著相關。紅層軟巖填料盡管含有仍可崩解的粗顆粒，但是在受限干濕循環過程中，這些顆粒并不崩解，所以填料的級配并不會發生顯著變化，因此填料的強度不會顯著降低。

(2)受限的巖塊在經歷干濕循環后，邊角容易被碰落，原因應是巖塊強度下降所致。這說明在經歷干濕循環后，紅層填料中粗顆粒的邊角在圍壓作用下更容易破碎，這對處于圍壓環境下的紅層填料微觀結構的自我調整和改善有利。在三軸試驗固結階段以及真實路基應力環境中，粗顆粒的邊角往往是應力集中的位置，大顆粒在干濕循環后強度降低，邊角的位置更容易碎裂，這些碎裂產物能進一步填充試樣內部孔隙，有利于改善土的微觀結構，使土體在受剪切時表現出更高強度。

4 干濕循環下紅層填料強度變化機理分析

三軸試驗表明，紅層填料在經歷第1、2次干濕循環時試樣強度會降低，2次干濕循環后，試樣強度會開始恢復和上升，其強度變化特性不同于一般巖土材料。綜合本研究試驗成果，可推測出紅層填料的強度變化中存在3種機制。

(1)強度下降機制：紅層填料也是巖土材料的一種，第1、2次干濕循環時試樣強度的降低原因可能與一般巖土類似，即：干濕循環對土的結構具有普遍破壞作用，一般認為這種作用是土中親水礦物干縮濕脹破壞了土體內部顆粒聯結所致[9-10]，這種作用導致的強度下降將隨著干濕循環次數的增加逐漸減弱。

(2)強度穩定機制：受限條件下的紅層軟巖經歷干濕循環后雖然強度會下降，但其仍保持原來的完整性，而且能保持一定強度(8次干濕循環后仍具有896 kPa的抗壓強度)，說明試樣干濕循環后的顆粒組成并不會發生太大變化，顆粒強度也遠大于填料強度，因此試樣強度不會發生顯著降低。

(3)強度上升機制：由于紅層填料中各種粒徑的粗顆粒在干濕循環作用下強度降低，在固結壓力下，由于邊角應力集中，局部應力可能大于顆粒的強度，使顆粒邊角被破碎形成微觀結構調整，這使得試樣變得更加密實，最終導致填料抗剪強度上升。需要指出的是，干濕循環作用下紅層填料的強度上升，是以固結階段更大的體積變形為代價的。

上述下降、穩定、上升機制的組合，決定了紅層填料強度在干濕循環作用下先下降后上升的特性。

工程實踐表明，采用紅層軟巖填料填筑的道路經多年運營后，即便經過多次路面重建，仍會受到路基不均勻沉陷導致的路面裂縫的困擾，但是路堤邊坡失穩的現象卻不多見。本研究表明，由于填料中顆粒能崩解，紅層填料強度具備隨干濕循環次數下降后能恢復和上升的特性，因此，工程中不需擔心紅層填料路堤邊坡的失穩問題。但是紅層填料強度的上升是以填料總體積減小為代價的，所以干濕循環作用下，路基在自重和荷載作用下產生進一步的固結變形和沉降就不可避免了。

5 結論

紅層填料因內部含有可繼續崩解的顆粒，導致其在干濕循環條件下的強度具有獨特性質，通過三軸試驗和巖塊受限崩解試驗研究，得出以下結論：

(1)在干濕循環作用下，相同圍壓下不同干濕循環次數的紅層填料試樣峰值強度表現為先下降后逐漸上升的規律，其特性與一般巖土填料不同。

(2)受限條件下的紅層軟巖在干濕循環作用下強度會降低，但并不會發生顯著崩解，這有利于填料保持強度穩定；而其邊角更容易被不均勻的接觸應力破碎，又有利于改善填料內部微觀結構，有利于填料強度提高。所以在干濕循環作用下紅層填料的強度變化不僅存在下降機制，還存在上升和穩定機制，這3種機制綜合作用，形成了干濕循環條件下紅層填料強度變化的特殊規律。