軟巖填料濕化變形規律

殷坤垚, 杜秦文, 劉 輝

(長安大學公路學院，西安 710064)

粗粒料的濕化變形指材料浸水后由于軟化及顆粒破碎、滑動等作用而重新排列引起的變形，其計算是設計中急需解決而沒有完全解決的關鍵技術問題之一[1]。長期以來，眾多學者對此進行了研究[2-7]。張少宏等[8]認為濕化應力與濕化變形之間存在雙曲線關系，但濕化應力-應變的初始切線模量與周圍壓力之間的關系并不完全符合Janbu公式。丁艷輝等[9]重點研究了堆石料濕化變形的過程、特性及發生機制，認為可將堆石料濕化變形劃分為濕化瞬時變形和濕態流變變形兩個部分。姜景山等[10]采用CT三軸濕化變形試驗探討了濕化變形的細觀機理。周雄雄等[11]認為濕化體變與濕化軸變的比值k、平均主應力p和廣義剪應力q三者滿足扭面關系，認為濕化軸變與濕化應力水平呈雙曲線關系。傅華等[12]分析了不同密度、不同圍壓、不同應力水平狀態對堆石料進行浸水后變形特性的規律，指出在圍壓和應力水平增加超過某一范圍后，堆石料的濕化軸向應變明顯增大。

以往研究工作大多是針對壩體硬質巖石堆石料進行的，對于軟質巖石濕化變形的研究工作相對不充分。公路行業一般認為原巖的飽和單軸抗壓強度為5～30 MPa的為軟質巖石[13]。荷載作用下軟質巖石填料無疑會發生更大的濕化變形[14]。張小洪等[15]認為軟質巖石的濕化變形機理可能發生了變化，導致軟巖與硬質巖石粗粒料的濕化變形存在差異。張丹等[1]指出固定圍壓條件下，當對軟巖粗粒土試樣進行增濕時，含水率5%就能引發幾乎全部的增濕變形。劉新喜等[16]研究了強風化軟巖作用路基填料的適宜性，認為其所研究的強風化軟巖填料的軸向應變臨界值約為2%，強風化軟巖的濕化不僅產生較大的附加軸向應變，而且還能引起相當大的附加體積應變和偏應變。王剛等[17]采用鄧肯-張E-B模型和有限元方法分析了軟巖填料壩體的變形。劉永軍[18]、杜秦文等[19]和杜艷艷等[20]采用大型三軸、室內三軸等方法，研究了秦巴山區不同種類的軟巖填料濕化變形規律，提出了濕化變形經驗計算公式。

由上可知，軟質巖石濕化變形規律有其自身的特點，但目前的研究工作還遠未充分。山區公路建設實踐中，一般要求將隧道棄渣和削坡棄方盡量全部用于路堤填筑。對其機理和規律進行更加深入和細致的分析工作，在研究和實踐中都具有重要價值。對取自秦嶺北麓的軟巖填料的變形和濕化變形規律進行了試驗研究，以期得出濕化變形計算公式。

1 軟巖濕化變形試驗

1.1 試驗材料及試驗設備

圖1 試驗材料及正交偏光下巖石顯微結構

試驗用料如圖1(a)所示，利用正交偏光顯微鏡觀察經磨片機磨片后的試樣原巖，如圖1(b)所示，通過偏光試驗分析原巖的礦物成分及含量，試驗結果如下：巖石具有角礫狀結構，鱗片狀變晶結構，石英含量為45%～50%；絹云母含量為35%～45%，碳酸鹽礦物含量為10%～15%，定名為灰褐色絹英巖。

試樣的單軸飽和抗壓強度為26.13 MPa。規范[13]規定單軸飽和抗壓強度為5～30 MPa的巖石為軟巖。集料篩分后得到級配如圖2所示，試樣最大粒徑20 mm，不均勻系數Cu=5.3，曲率系數Cs=1.47。

試驗設備采用英國GDS公司生產的電機控制靜三軸儀，該儀器主要由五部分組成，如圖3所示，可通過應力應變兩種控制方式完成三軸壓縮試驗。該儀器的主要技術參數如表1所示。

圖2 試驗材料的級配曲線

①為壓力室；②為壓力室底座；③為反壓控制器；④為圍壓控制器；⑤為計算機及數據采集系統

表1 GDS三軸儀主要技術參數

1.2 試驗方法

試樣尺寸為φ101 mm×200 mm，制樣干密度控制為2.1 g/cm3，采用分層擊實法進行制樣[9,14]，制備完成的試樣如圖4所示。在50、150、200、300 kPa圍壓條件下，分別對風干及飽和試樣均進行固結排水試驗，飽和樣采用飽和水頭法[21]進行飽和。試驗中軸向剪切速率為0.2 mm/min，至軸向應變達15%卸載。

2 試驗結果及分析

2.1 應力-應變關系

如圖5所示為4種圍壓條件風干及飽和狀態試樣的應力-應變曲線。

εa表示試樣的軸向應變，σ1-σ3為軸向偏應力，下同

可以看出：①4種圍壓條件下，風干與飽和狀態試樣的應力-應變曲線變化規律類似，隨著圍壓的增大，相同的豎向偏應力增量引起的軸向應變增量呈減小趨勢；②相同豎向偏應力下飽和狀態填料軸向應變更大，這是由于試驗過程中，飽和狀態填料發生了更多的濕化變形，包括更多的破碎等；③風干狀態下的應力-應變曲線上豎向偏應力具有“峰值”，類似于“軟化型”曲線規律；對應于從小到大的4種圍壓，其峰值分別約為428、999、1 214、1 466 kPa，可以看出，隨著圍壓的增大，曲線對應的峰值在逐漸增加，但增加幅度呈減小趨勢；對應的軸向應變分別約為9.73%、8.67%、7.07%、6.89%，即達到峰值時期軸向應變逐漸減小。這與圍壓的約束作用有關；④飽和狀態下的應力-應變曲線，除在試驗中最低圍壓50 kPa條件下的曲線略呈現出“峰值”外，其他三種更高圍壓下的曲線“峰值”不明顯，類似于“硬化型”曲線特征。這與飽和狀態下填料發生了更多的軟化、破碎，以及填料顆粒間因為水的潤滑更容易發生相對位移有關；⑤隨著圍壓的增大，無論是風干狀態還是飽和狀態的填料，其應力-應變曲線均有由“軟化型”向“硬化型”發展的趨勢，即其曲線上的“峰值”由較明顯向不明顯發展，這是圍壓的約束作用所造成。

2.2 濕化變形規律

采用雙線法研究試驗中填料的濕化變形發展規律：將同一應力狀態下風干及飽和條件下試樣的應變差值，作為試樣在該應力狀態下的軸向濕化應變：

(1)

圖6 不同圍壓下Δεa與σ1-σ3關系曲線

可以看出：①不同圍壓下的濕化應變曲線均存在“拐點”，將濕化應變曲線分為兩個階段，隨著豎向偏應力增加，初始階段中濕化應變增加較小；②在各曲線“拐點”之前的初始階段中，不同圍壓條件下的各條曲線非常貼近，說明該階段中，圍壓不是濕化變形大小的主要影響因素。該特點在其他軟巖填料濕化變形研究成果中也有表現[1,18,20]。這一特點可能也與其原巖礦物成分、含量等因素有關，值得提出并進行更進一步的探討；③不同圍壓條件下各曲線的“拐點”位置不同，隨著圍壓增大，濕化應變曲線上“拐點”位置逐漸向后移動，表明圍壓的約束作用，使濕化應變大量發生所需要的豎向偏應力更大。圍壓對濕化變形過了“拐點”進入第二階段后的發展規律影響明顯。

以豎向偏應力和圍壓的比值χ，作為無量綱偏應力，如式(2)所示，整理繪制χ-Δεa關系曲線，如圖7所示。

(2)

圖7 各圍壓條件下χ與Δεa,ur關系曲線

類似圖6、圖7所示不同圍壓下曲線也都存在“拐點”。將圖7中各曲線“拐點”對應的縱坐標Δεa，定義為“臨界濕化應變”，用Δεa,ur表示；對應的χ用χur表示，可稱為“無量綱臨界偏應力”。可以看出，圖7中各曲線發展到臨界值χur之后，不同圍壓下，濕化應變相對大小情況較為復雜，這是因為圖7中各曲線達到“臨界濕化應變”的先后不同，即對應的χur值的大小不同。

由圖7中數據可得，圍壓分別為50、150、200、300 kPa情況下，Δεa,ur分別為0.40%、0.65%、0.90%、0.92%，對應的χur分別約為4.03、3.71、3.54、3.51。可以看出隨著圍壓的增大，“臨界濕化應變”呈現逐漸增大并趨于穩定的規律；“無量綱臨界偏應力”減小并也呈現出趨于穩定的趨勢。

3 濕化變形公式

不同圍壓下σ1-σ3與Δεa的關系曲線形態類似雙曲線關系，即：Δεa與Δεa/(σ1-σ3)呈線性關系，如圖8所示。將其表達為如式(3)形式：

(3)

式(3)中：a、b均為擬合參數，可得到各圍壓條件下參數a、b的值，如表2所示。

圖8 各圍壓下Δεa/(σ1-σ3)與Δεa關系曲線

表2 各圍壓下參數a、b的值

可以看出：參數a隨著圍壓的增大逐漸減小，參數b隨圍壓的增大逐漸增加，a、b與圍壓均近似成線性關系，令：

(4)

式(4)中：m1、m2、n1、n2為擬合參數；σ3為圍壓，Pa=101 kPa。根據圍壓為50、150、200 kPa條件下的試驗數據可得：

(5)

將式(1)代入式(3)得：

(6)

將式(4)、式(5)代入式(6)，可得飽和狀態下該軟巖填料的應變與圍壓之間的經驗公式：

(7)

將式(7)的計算結果與圍壓200 kPa條件下的另一組獨立的試驗數據進行比較，結果如圖9所示，二者吻合較好。

圖9 200 kPa圍壓下試驗結果與經驗公式計算結果對比

4 結論

主要分析了風干和飽和狀態軟質巖石填料在不同圍壓條件下的變形規律；采用雙線法，分析了其濕化變形發展規律，得到了以下主要結論。

(1)圍壓不但對軟巖填料應變規律有影響，還對其濕化應變規律有影響；相較風干狀態填料，其對飽和狀態下填料的變形及濕化變形影響更大。

(2)風干和飽和狀態下填料的應力-應變曲線特征分別呈現出類似“軟化型”和“硬化型”曲線的特點；隨著圍壓增大，都表現出由“軟化型”向“硬化型”發展的趨勢。

(3)填料濕化應變發展表現出兩個階段，隨著豎向偏應力增加，初始階段濕化應變增大相對平緩，直到“臨界濕化應變”后的第二階段，濕化應變迅速增加，工程實踐應對此給予足夠重視。

(4)在濕化應變的初始階段，圍壓不是其主要影響因素，該規律在其他軟巖填料濕化變形研究工作中也有體現，值得提出并進一步研究。

(5)濕化應變在過了臨界值后的第二階段，隨豎向偏應力的增加而顯著增加，此階段中圍壓對其影響作用明顯：隨著圍壓的增加，“臨界濕化應變”逐漸增大并趨于穩定；對應的“無量綱臨界偏應力”逐漸減小并也呈現趨于穩定的趨勢。

(6)變質軟巖濕化應力與應變呈現雙曲線關系，利用3種圍壓條件的試驗數據得到了濕化應變計算公式，并與獨立的第4種圍壓試驗數據進行的比較，結果吻合較好。該公式可用于考慮浸水影響的軟巖填料路堤變形分析。