某膨胀性泥岩强度特性室内试验研究

2019-02-21曹雪山张荣宽

岩土工程技术 2019年1期

王涛曹雪山张荣宽

（1.南京大学地球科学与工程学院，江苏南京 210093；2.河海大学道路与铁道工程研究所，江苏南京 210098；3.中设设计集团股份有限公司，江苏南京 210014）

0 引言

膨胀性泥岩具有遇水膨胀、崩解软化的特性，开挖暴露后在大气作用下表层岩石产生软化，强度丧失。路基填筑和边坡支护工程中，在进行填筑和护坡施工前需将软化崩解后的岩屑清除。此外，工程施工开挖出的膨胀性泥岩被运往弃渣场，经雨淋日晒后很快变成散土，若对其加以利用，将对工程建设有重大意义。

国内针对膨胀性软岩或膨胀土作为路基、边坡或堤坝等填筑材料的适用性已有不少研究成果［1-3］，但不同地区的膨胀岩土由于其成因、产状、亲水性矿物含量的不同而具有各自相异的力学特性。膨胀性泥岩用于各类工程填筑时，既要保证压实度满足要求，还应采取一定的隔水措施，减小由膨胀性泥岩浸水产生的膨胀、软化等不利影响。本文所研究的膨胀性泥岩的蒙脱石含量较高，具有较强崩解性，因此该类软岩用于工程填筑时需要重点研究以下问题：在何种干密度和含水率下该类膨胀性泥岩的强度最高，在不同压力下浸水后的强度参数变化规律等。

1 岩样基本物理特性

岩样取自合肥市某工程施工现场，岩样的物理力学性质参数见表1。由表可知，该岩样亲水性黏土矿物含量较高，其天然含水率较大，自由膨胀率51%，属于膨胀性岩。烘干后岩样的无荷膨胀率远大于天然状态下的膨胀率；抗压强度约1.1 MPa，属极软岩，耐崩解性指数为1.2%，属强崩解性。

2 试验方案

制备含水率分别为14%、18%、22%的重塑环刀样各12个（见图1），每种含水率包含3种干密度1.5 g/cm3、1.6 g/cm3、1.7 g/cm3，每种干密度的重塑环刀样各4个，见表2。制备好试样后，进行直剪试验。剪切试验时分别施加垂直压力100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。

表1 原状岩样物理力学性质

图1 部分膨胀性泥岩重塑环刀样

制备含水率分别为14%、18%、22%的三轴三开重塑样各9个，每种含水率包含3种干密度1.5 g/cm3、1.6 g/cm3、1.7 g/cm3，每种干密度的三轴三开重塑样各3个，见表2。制备好试样后，进行无侧限抗压强度试验。

表2 试样初始条件及环刀样制备方案

直剪试验和无侧限抗压试验步骤按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123—1999）［5］进行。

制备初始含水率为18%、干密度为1.7 g/cm3的重塑环刀样16个，分别在1 kPa、12.5 kPa、50 kPa、100 kPa上覆压力下进行浸水饱和24小时，见表3。试样饱和后，吸去固结仪水槽内的水，卸去上覆压力，称量试样质量。然后立即进行竖向压力为50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa下的不固结不排水快剪试验，剪切速率为0.8 mm/min。

表3 不同试验条件下的环刀样数

3 试验结果分析

3.1 重塑环刀样直剪强度特性

图2是不同干密度下，膨胀性泥岩重塑样的黏聚力c与试样含水率w的关系曲线。由图2可知，黏聚力随含水率的增加先增大后减小，随着干密度的增大而增大。含水率18%时黏聚力出现峰值，干密度为1.7 g/cm3时的黏聚力为293 kPa，干密度为1.5 g/cm3时黏聚力为124 kPa，前者比后者大两倍还多，可见干密度对强度的影响比较大。图3中内摩擦角随含水率的变化数据较离散，规律不明显。

图2 不同干密度下的黏聚力-含水率关系曲线

膨胀性泥岩重塑样的抗剪强度由黏聚力、土粒间的摩擦力、基质吸力、约束外力等因素决定。干密度越大，孔隙比越小，土粒间的引力和咬合作用越强，黏聚力越大［6］。随着含水率的增加，膨胀性泥岩重塑样的土颗粒之间因水的吸附作用，产生了一定的黏聚力，使得抗剪强度增大。土颗粒间的结合水膜随着含水率的增加而变厚，受力时孔隙水压力增大，有效应力降低，使土体抗剪强度降低。林鸿州等人［7-8］通过研究得出，对于重塑的粉细砂与砂质粉土，在饱和与全干的情况下其黏聚力为0，而在非饱和情况下则因基质吸力的影响而产生黏聚力；无论何种土，黏聚力在饱和度为40%～60%时最大，而内摩擦角则随饱和度增加而减少。一些学者的研究结果［9］和本文试验结果基本一致，表明本试验中黏聚力存在峰值是合理的。另外一些学者［10］的研究结果中，岩土样的强度随饱和度的增加而线性减小，这是由于和本文试验方法的不同引起的。本试验是制备不同干密度和含水率状态的试样后进行强度试验，而另外一种方法［10］是使同一初始状态下的试样不同程度的吸水饱和后进行强度试验，此时试样不仅含水率发生改变，干密度、孔隙比也发生了改变，另外吸水导致试样内部和表面水分不均，从而共同引起了强度的衰减。

图3 不同干密度下的内摩擦角-含水率关系曲线

3.2 重塑三轴三开样的无侧限抗压强度特性

图4 是部分试样破坏后的状态，从图中可以看出，含水率为14%时，试样破坏时无明显贯穿试样的大裂缝，而是试样中部被压碎或劈裂，随后强度丧失。而含水率为18%和22%时，试样破坏时均有贯穿试样的斜裂缝，裂缝与水平面的夹角约为50°～60°。这是由于含水率较低时，土粒间的黏结力较低，整体性较差，因此试样会以局部碎裂的形式破坏。随着含水率的增加，土粒间的黏结力逐渐增大，整体性较好。

图5是不同干密度下的无侧限抗压强度与含水率的关系曲线，从图中可以明显看出，随着含水率的增加，无侧限抗压强度出现峰值，峰值出现在含水率为18%处。表明含水率18%接近膨胀性泥岩重塑样的最佳含水率，即此时膨胀性泥岩重塑样的抗压强度最高。

图4 无侧限抗压试验部分破坏后的试验照片

图5 不同干密度下的无侧限抗压强度-含水率关系曲线

3.3 重塑环刀样吸水饱和后的强度参数

重塑环刀样在不同上覆压力下吸水饱和后，通过直剪试验得到试样在不同上覆压力下的黏聚力c和内摩擦角φ，见表4。

表4 不同压力浸水膨胀后的黏聚力和内摩擦角

图6和图7表示了黏聚力、内摩擦角与上覆压力之间的曲线关系。由曲线可知：①膨胀性泥岩重塑环刀样在不同上覆压力下吸水饱和后的强度参数c随上覆压力的增大而增大，在上覆压力较小时，增长速率较大，黏聚力与上覆压力近似呈幂函数关系变化；②内摩擦角均随浸水上覆压力的增加而增加，内摩擦角与上覆压力也近似呈幂函数关系变化。

膨胀性泥岩吸水后的强度降低是由于膨胀性泥岩亲水性的黏土矿物含量高，吸水后黏土矿物颗粒之间出现水化膜，颗粒之间的接触变成水化膜接触，孔隙水压力增加，有效应力减小；同时黏土矿物颗粒体积膨胀，晶片之间的间距变大，结构变得松弛，强度也就随之迅速降低。

上覆压力较小时吸水膨胀后的强度参数远小于上覆压力较大时吸水膨胀后的强度参数，其中上覆压力为1 kPa时比上覆压力为100 kPa时的黏聚力降低约70%。这是由于上覆压力显著抑制了试样的膨胀变形，减小了结构的强度损失。因此该类岩料用于工程填筑时，为防止边坡失稳或填筑体产生较大变形，该类岩料上方需用非膨胀土或改良土覆盖压重，另外应做好填筑体的防水、排水，减小填料的吸水程度，从而减小填筑体的变形和强度损失。