考虑荷载与浸水条件的预崩解炭质泥岩变形试验

2019-06-13陈小薇曾铃付宏渊刘杰陈少壮刘大顺

中南大学学报（自然科学版） 2019年4期

陈小薇，曾铃，付宏渊，刘杰，陈少壮，刘大顺

(1.长沙理工大学土木工程学院，湖南长沙，410114；2.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙，410114)

炭质泥岩广泛分布于我国西南地区，是由软弱灰岩、砂岩、页岩和页岩互层等沉积类岩石构成的地质体[1]。由于炭质泥岩具有风化快、强度低等特点，进行路堤填筑之前须先对其进行充分预崩解，即预崩解炭质泥岩[2]。预崩解炭质泥岩作为路堤填筑材料既可极大地降低工程造价并能较好地保护生态环境，已在广西、云南等高速公路工程中推广应用[3]，发现其水理性强，强度低，易崩解，在季节性反复降雨后，预崩解炭质泥岩产生持续崩解及强度降低，堵塞路堤排水管道，导致路堤内部处于荷载与浸水环境，产生超限变形，甚至引发路堤失稳，危害行车安全[2]。然而，目前缺乏预崩解炭质泥岩荷载与浸水条件下变形特性的相关理论及试验研究，为降低或避免预崩解炭质泥岩的变形，使其在路堤工程中得到更好的应用，有必要全面、深入地研究荷载与浸水条件下预崩解炭质泥岩的变形特性。国内外学者针对岩土体的变形进行了大量研究，主要研究方法有数值模拟、现场试验及室内试验等。邹德高等[4-5]利用数值模拟的方法研究了岩土体的湿化变形，为相关工程设计提供了一定参考依据；毛雪松等[6-7]通过原位试验及现场监测对岩土体的变形进行了研究；LIU等[8-9]针对岩土体的浸水变形开展了大样本室内试验研究，得到了不同类岩土体的应力-应变曲线，并给出了相关岩土体变形特性的一般规律。上述研究促进了岩土体变形相关理论的发展，但其主要针对膨胀土、黏土、软岩等非饱和岩土体，而关于预崩解炭质泥岩浸水变形的室内实验、数值计算及理论研究很少，且炭质泥岩与其他类岩土体的变形存在显著差异，如其水理性强，高温、降雨交替作用后表面快速剥落，适用于其他类岩土体的相关理论并不一定适用于炭质泥岩，而室内试验试样尺寸小，费用低，是获取大样本数据的优选方法，因此，可对其进行室内试验。此外，季节性降雨使得路堤经受反复干湿循环，长期处于荷载与浸水条件下，对边坡变形和稳定性产生不可忽视的影响[10-12]，而人们关于荷载与浸水条件下岩土体湿化变形规律的研究较少，故有必要研究多因素对预崩解炭质泥岩变形特性的共同影响。为此，本文作者研发一套可同时考虑竖向荷载、浸水条件等多因素综合影响的湿化变形试验装置，并采用正交试验研究压实度、含水率、竖向荷载、浸水时间及循环次数等因素对预崩解炭质泥岩变形特性的影响，以期为相关理论研究和路堤工程实践提供参考。

1 炭质泥岩矿物组成及物理指标

于广西六寨—河池高速公路炭质泥岩路堤工点K18+500处取充分崩解的炭质泥岩进行 X线衍射分析，其X线衍射图谱见图1。从图1可知：预崩解炭质泥岩的矿物组成主要为石英、伊利石、高岭石，其余各矿物成分质量分数均小于等于 5%。对预崩解炭质泥岩试样进行基本物理力学试验，试验结果见表1。

图1 炭质泥岩X线衍射谱Fig.1 X-ray diffraction pattern of carbon mudstone

表1 炭质泥岩物理指标Table 1 Physical indexes of carbon mudstone

2 湿化变形试验设计

炭质泥岩路堤在荷载与浸水条件下易发生湿化变形从而导致路堤结构破坏等一系列灾害问题，为获得炭质泥岩路堤长期变形机理及预测方法，须对预崩解炭质泥岩变形特性进行研究。

2.1 试验方案

正交试验是研究多因素多水平的一种科学设计方法，可高效、快速、经济地分析出各因素对试验结果的影响[13]。结合炭质泥岩路堤的工程实际，采用正交试验研究压实度、含水率、竖向荷载、浸水时间及循环次数对预崩解炭质泥岩变形的共同作用，设置5因素4水平共16组试验。由于土工试验存在一定误差，故每组试验做3组平行试验，取3组试验结果平均值。考虑路堤填筑工程中炭质泥岩压实度一般控制在90%以上，故拟定4种压实度分别为92%，94%，96%和98%；在自然状态下，预崩解炭质泥岩含水率在10%左右浮动，故配置土样初始含水率为6%，10%，14%和18%；10 m路堤自重应力大致为200 kPa，竖向荷载可取0，50，100和200 kPa；考虑干湿循环影响单次浸水时间取0，24，48和72 h。试验发现循环次数为3次后，试样变形基本稳定，故循环次数分别取0(不浸水加载)，1，2和 3次。试验因素水平及试验方案分别见表2和表3。

表2 试验因素水平Table 2 Factors and levels of experiment

2.2 试样制备

选取崩解完全的炭质泥岩土样，其干密度为2.015 g/cm3，制作直径为10 cm、高度为20 cm的试样。通过数显式压力试验机并采用分层制样法分5层压样成型。首先，根据试验方案中压实度及含水率计算各试样所需干土及水的质量；再将一定质量的干土和水充分拌和后用薄膜袋密封放置在保湿箱内静置24 h；然后，将拌制好的土样均分成5份，分5次倒入预先定制好的钢模内进行静压。钢模的内直径为10 cm，高度为21 cm，其中，多出的高度1 cm由高度为1 cm、直径为10 cm的垫块填充。当压力机将垫块压至与钢模平齐时，试样刚好达到预定的压实度。静压完成后，让千斤顶继续施加压力，稳定一段时间后再卸载，以防止试样回弹，最后用其他垫块从底部将试样慢慢顶出。压样前钢模内须涂抹少许凡士林，以便减少脱模时试样与钢模间的摩擦力。试样成型后，用保鲜膜密封装好后再次放入保湿箱内静置，供试验所用。

表3 正交试验方案Table 3 Orthogonal test programs

2.3 试验装置

本文自主研发一套测量土体湿化变形的新型试验装置，其主要由试验装置、加载装置及测量装置共 3部分组成，装置示意图见图2。通过试验装置的通水孔控制试验仪器的水位，模拟炭质泥岩在浸水循环中的环境，竖向荷载通过砝码及杠杆加载；试样变形量通过固定在试样表面垫块上的百分表读取。

图2 湿化变形装置示意图Fig.2 Diagrammatic sketch of wetting deformation device

2.4 试验步骤

1)调平。调节试验仪器左端杠杆上的调平砝码位置，使之与未加砝码前右端杠杆保持平衡，并用螺母将其固定。

2)装样。将制好的试样从保湿箱内取出，缓慢装入筒壁带有孔眼的内筒。装入内筒前，须在内筒内壁涂抹凡士林保持润滑，以减少筒壁与试样的摩擦力。在装样过程中不能破坏试样。

3)加载。将装好试样的内筒放入外筒，下部垫置直径为10 cm的透水石，上部放置加载盖，调节加压杆在内筒中央位置并保持竖直，施加砝码进行加载。

4)浸水与循环。先将试样在无水环境下加载1个浸水周期，然后将外筒灌满水，使整个试样在水中完全饱和并持续1个浸水周期，此为1个干湿循环。进行下一个循环时，需将试样连同内筒取出放进烤箱内烘干(温度为50℃)。刚开始烘干时，每间隔5 h称量1次。当含水率与初始含水率之差小于10%时，每隔1 h称量1次。当质量相对误差绝对值小于0.5%时，认为完成由湿到干的过程。如此反复循环，直至试验完成为止。

5)记录数据。将百分表安装在加载盖上，并将百分表的指针调零。注意预留试样的变形量，通过百分表的读数连续记录试样竖向变形量。

3 试验结果分析

3.1 竖向变形特征

图3所示为不同循环次数、不同浸水时间下预崩解炭质泥岩竖向变形随时间的变化情况。由图3可知：

1)当循环次数为0时，各组炭质泥岩竖向变形随时间缓慢增大，无突变；而当循环次数为 1，2和 3时，竖向变形在第1次浸水时发生突变，在其他时间均缓慢增大，循环1次后试样变形基本稳定。

2)各组预崩解炭质泥岩竖向变形在 2个时间点即加载初期和首次浸水时发生较大变形，在其他时段增大速度缓慢。

图3 不同循环次数下预崩解炭质泥岩竖向变形Fig.3 Vertical deformation of pre-disintegrating carbonaceous mudstone at different cycle times

3)预崩解炭质泥岩变形是一个持续过程，竖向变形随时间持续增大。

4)炭质泥岩竖向变形量与循环次数有关，在不同循环次数下，炭质泥岩最大竖向变形随循环次数的增加呈先增大后减小的变化规律，在循环次数为2时竖向变形出现最大值。

产生上述现象原因可解释为：1)在加载初期，试样变形为压缩变形，在竖向荷载作用下，试样内部孔隙中的水和气体流失，颗粒重新排列，粒间间隙缩短，骨架体发生错动；2)首次浸水时，试样变形为湿化变形，试样浸水后含水率增大，逐渐由非饱和状态变为饱和状态，内部结构被破坏，颗粒在外力荷载的压密作用下重新排列，试样浸水软化发生湿化变形。

3.2 压缩变形、湿化变形及最大竖向变形

路堤土体变形主要包括压缩变形及湿化变形2部分，其中，压缩变形一般趋于稳定，路堤土体的后期沉降主要取决于由含水率增大所产生的湿化变形[14-15]。

3.2.1 测试原理

“单线法”较“双线法”能更加准确地分析土体浸水湿化变形的实际过程[16-18]，因此，采用“单线法”原理测量炭质泥岩的湿化变形。首先给试样施加一定荷载，加载后试样的变形量为压缩变形，再将试样浸水饱和，此时，可测得试样的湿化变形。参考 JTG E40—2007“公路土工试验规程”，在标准压缩试验中，当每级荷载作用下试样1 h内压缩量不超过0.01 mm时，认为变形已经稳定，而本试验中各组试样在加载或浸水1 h后的变形增长速率均小于0.01 mm/h，因此，压缩变形可取加载后1 h试样变形量，湿化变形取首次浸水1 h试样变形量。测试原理示意图见图4。

3.2.2 对比分析

预崩解炭质泥岩最大竖向变形(smax)、压缩变形(s0)、湿化变形(s')试验结果见表4。由表4可知：最大竖向变形smax变动范围为-3.19～12.50 mm，压缩变形s0变动范围为-0.10～7.40 mm，湿化变形s′变动范围为-2.55～9.75 mm。

图4 单线法示意图Fig.4 Schematic diagram of single-line method

将表4中各数值代入式(1)可得到最大竖向变形、压缩变形、湿化变形的平均值，分别为，可见炭质泥岩竖向变形以压缩变形和湿化变形为主，湿化变形量比压缩变形量大 25.7%，压缩变形为最大竖向变形的 39.1%，湿化变形为最大竖向变形的49.2%。

式中：为变形量的平均值，mm；si为试样Ti的变形量，mm；N为试验组数，N=16。

3.3 各因素对预崩解炭质泥岩竖向变形量的影响

预崩解炭质泥岩竖向变形与多个因素有关，运用极差分析、方差分析及回归分析等方法可分析各因素对预崩解炭质泥岩竖向变形的影响[19]。

3.3.1 竖向变形结果极差分析

为评价压实度、含水率、竖向荷载、浸水时间及循环次数对预崩解炭质泥岩竖向变形的影响规律，分别对16组试验结果进行极差分析。

根据表4所示试验结果，可求得各个因素在不同水平下的最大竖向变形平均值(sⅠ，sⅡ，sⅢ，sⅣ)及其极差R，如表5所示。表5中含水率所对应的sⅢ=1.29，它是表4中s所对应的编号T3，T7，T11和T15的最大竖向变形平均值，即

表4 预崩解炭质泥岩变形量Table 4 Deformation of pre-disintegrating carbonaceous mudstone

表5 竖向变形极差分析Table 5 Range analysis of vertical deformation

R为各个因素在不同水平对应的竖向变形平均值的极差，其可表示各水平下竖向变形指标变动幅度，能够判断因素的主次，R越大，说明该因素对试验指标的影响也越大。

由表5可知：1)各个因素对竖向变形均有影响，且不同因素的影响趋势存在显著差异。据R可得到各因素影响的主次顺序(从主至次)依次为竖向荷载→循环次数→浸水时间→压实度→含水率；2)当含水率为10%时，竖向变形量最小；当含水率大于或小于10%时，竖向变形量均增大，其原因为10%可能是预崩解炭质泥岩的最佳含水率；3)竖向荷载是影响竖向变形的最显著因素，在0～200 kPa范围内，竖向变形与竖向荷载大致呈正相关关系，即竖向变形随竖向荷载的增大而增大；4)浸水条件对竖向变形影响较大，竖向变形增长量随浸水时间增大逐渐减少，循环次数为 2时竖向变形增长量最大，2次循环后竖向变形逐渐趋于稳定。

3.3.2 竖向变形结果方差分析

为进一步评价和验证各因素对预崩解炭质泥岩竖向变形的影响规律，分别对16组试验结果进行方差分析，最大竖向变形方差分析结果见表6。

表6 竖向变形方差分析Table 6 Variance analysis of vertical deformation

方差F服从自由度(3，3)的F分布表，选取显著水平 0.10，0.05以及0.01进行查询，可知：F0.1(3，3)=5.39，F0.05(3，3)=9.28，F0.01(3，3)=29.5。F是 2个均方差的比值，F越大，表明该因素对结果的影响程度越高，通过表6中F可再次验证影响最大竖向变形的主次因素(从主至次)依次为竖向荷载→循环次数→浸水时间→压实度→含水率。

3.3.3 竖向变形结果回归分析

为定量评价压实度、含水率、竖向荷载、浸水时间及循环次数对预崩解炭质泥岩竖向变形的影响规律，采用多元回归分析方法对数据进行标准化处理，得到最大竖向变形与各因素的关系式为

式中：ymax为最大竖向变形量，mm；x1为压实度；x2为含水率；x3为竖向荷载，kPa；x4为浸水时间，h；x5为循环次数；bx1，bx2，bx3，bx4和bx5分别为压实度、含水率、竖向荷载、浸水时间及循环次数的标准回归系数；R为多元回归分析的复相关系数。

由式(4)可知：拟合方程复相关系数为93.1%，表明预崩解炭质泥岩荷载及浸水条件下的最大竖向变形与各因素具有较强的相关性，可用于预测荷载及浸水条件下预崩解炭质泥岩的变形量(压实度为92%～98%，含水率为6%～18%，荷载为0～200 kPa，浸水时间为0～72 h，循环次数为0～3)。由各因素的标准回归系数可知：，说明竖向荷载、循环次数、浸水时间、压实度、含水率对炭质泥岩竖向变形影响依次降低。

通过极差分析、方差分析以及回归分析得出各因素对预崩解炭质泥岩竖向变形影响程度一致，验证了试验及分析方法的科学性。