红层泥质岩干湿循环下的变形特性试验研究

李凯甜， 邓荣贵， 文琪鑫， 潘玉杰

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

1 概述

红层泥质岩作为一种工程性质较差的软质岩，具有易风化、易崩解的特性。红层泥质中富含的矿物成分包括石英、云母、高岭石等粘性土矿物[1,2]，具有一定的膨胀性，尤其对于风化后的泥岩，其内部产生较多裂隙，吸水性显著增强。西南地区红层泥质岩分布广泛，主要以侏罗系和白垩系地层为主，本文中泥质岩是指砂质泥岩、泥质砂岩和泥岩的总称。四川盆地红层泥质岩分布区建成的成都至重庆高速铁路、西安至成都高速铁路、成都至达州快速铁路和在建的成都至贵阳高速铁路，多个深挖路堑路基和隧道底部路基地段自联调和运营变形监控开始，出现了至今持续数年的上拱变形，尚无收敛稳定的迹象，这是是普速铁路不被引起注意的现象，致使动车降速至200～80 km/s运行，待弄清路基持续上拱变形的原因和彻底根治处理后恢复设计速度运行。泥质岩路基如此长期持续上拱变形是路基泥质岩“开挖卸荷-吸水(风化)-膨胀变形累积”为主，还是“卸荷-流变(模型及参数劣化)-蠕变累积”为主或者两者的占比，以及路基上拱变形的时间过程特征尚无定论，为尽快解决高速铁路降速和安全隐患问题，本试验研究即为配合相关研究工作进行的泥质岩原状试样干湿循环膨胀变形特性试验研究。

现阶段对红层泥质岩的研究主要表现在其物理力学特性、膨胀特性两个方面。王其海等[3]结合南浏醴高速公路的实际工程，对红层泥岩边坡进行室内物理力学试验，探究红层软岩的物理力学性能，得到了软岩在干湿循环作用下的干燥抗压强度与饱和抗压强度随循环次数变化的规律。魏永幸等[4,5]通过室内试验以及现场试验对红层泥岩的工程特性以及变形特性进行了研究，得到了其作为高速铁路路基填料的适用性。季明等[6]对灰质泥岩浸水膨胀变形进行了室内试验研究，并提出岩石膨胀稳定的时间阈值。武科等[7]利用改进的收缩仪对膨胀土进行常温无荷载情况下的干湿循环试验，证明了随着循环次数的增加，膨胀土孔隙率随之增大，导致其体积增大。孙得安等[8]对膨胀土进行室内干湿循环试验，探究了膨胀土湿胀干缩变形随循环次数变化的规律。胡文静等[9]通过对重庆地区红层泥岩膨胀性的研究发现，随竖向荷载增加，膨胀率降低迅速，并且含水量也对泥岩膨胀变形有控制作用。马丽娜等[10]进行了不同含水率以及不同干密度情况下泥岩的膨胀位移室内试验，发现泥岩的膨胀位移受原状泥岩的原始结构影响。大多学者对重塑土以及膨胀土进行了室内膨胀试验分析研究[11-13]，但是对于原状泥岩的膨胀特性而言研究较少，而原状泥岩的内部裂隙以及结构严重影响了整个泥质岩的膨胀以及收缩变形特性，由于泥岩所处地区的差异性，其力学特性以及变形特性差别较大，需要根据具体工程进行实地取样分析。

本文通过对成渝客运专线某段路基上拱变形处取回的岩样进行室内试验，探究红层泥质岩在干湿循环作用下变形特性与循环次数以及含水率之间的关系。试验模拟路基或边坡开挖后在有侧向约束状态中泥质岩在外界条件下经历干湿循环后所产生的变形特性，以期为西南地区类似工程提供参考依据。

2 试样及试验

2.1 试样

试验所用的红层泥质岩试样取自成都至重庆客运专线某中间站路基持续上拱变形地段，颜色偏紫红色，泥质胶结，具有浸水易崩解、易膨胀的特性。现场底层结构如图1所示，为紫红色泥质岩、泥质砂岩、砂质泥岩以及灰绿色泥岩、砂岩交错分布。鉴于泥岩扰动后易影响其物理力学特性，在现场取得大块新鲜红层泥质岩后，用保鲜膜小心包裹，放入有减震泡沫的物流箱运至试验室，在试验室加工成直径为50 mm高度100 mm的标准圆柱形试样以供后续试验使用。

图1 现场地层结构

2.2 泥质岩试样基本特性

为得到试验所用泥质岩的常规参数，除需得到密度以及含水率外，还需对其进行常规单轴、三轴试验，得到泥岩试样的弹性模量、泊松比、粘聚力以及内摩擦角等力学参数。进行单轴及三轴试验采用的仪器为MTS815型电液伺服岩石试验系统。对试验得到的数据进行整理分析得到泥质岩基本参数如表1所示。

表1 泥质岩基本参数

取部分试样浸水崩解试验，将崩解后的泥岩碎块进行筛分，得到干湿循环前试样的级配曲线，级配曲线如图2所示，有图中数据可知试验中颗粒粒径小于0.075 mm的颗粒含量占总含量的9.96 %。

图2 颗粒级配曲线

2.3 干湿循环变形试验

干湿循环试验采用自制的仪器完成，试验所用的试样为加工的直径50 mm，高度100 mm的标准圆柱形试样，试验步骤如下：

(1)加工厚度为3 mm的钢管对试样提供侧向约束，钢管外壁有直径为10 mm的圆孔4排，共4列，以保证水分能够充分进入试样内部且不影响钢管的侧向约束强度；(2)试验前称量各试样的初始质量，测量各试样的尺寸，将试样外包裹几层PET膜并固定，试样与PET膜之间涂抹一层凡士林，以减小侧壁摩阻力，将试样小心放入入钢管内，使试样与钢管之间留下尽可能小的缝隙，保证钢管对试样的有效侧向约束。试样完全放入钢管内，然后挖出钢管壁圆孔处多余的PET膜，如图3(a)所示；(3)钢管外缠绕加热装置，使试样处于一个干热的环境中，进行干湿循环试验；(4)将试样放入自制透明容器中如图3(b)所示，试样上下分别放置一块透水石以使水分充分进入试样，分别对4组不同含水率的试样进行干湿循环试验；(5)干湿循环试验过程中对试样先进行浸水饱和24 h左右，然后用加热装置给试样低温加热，加热时间控制在24 h左右，完成一次干湿循环。整个过程中用千分表记录试样的竖向变形量。按照上述步骤操作对试样进行6次循环，以第7次循环浸水24 h结束。

(a)置入透水钢管中的试样 (b)试验中试样 图3 试验中的试样

3 试验结果分析

3.1 泥质岩浸水与失水单个循环变形特征分析

在单个干湿循环试验中可以发现，泥质岩的膨胀变形曲线相同，失水收缩变化曲线也相同。对每单个循环下泥质岩试样的变形特性进行分析能够反映泥质岩在浸水以及失水条件下的变形特性。

3.1.1 浸水膨胀变形特征

试样在干燥收缩以及浸水膨胀过程中内部结构遭到破坏，试样表面以及内部产生越来越多的微裂隙，为自由水进入试样提供了通道。为定量分析试样在整个循环过程中的膨胀变形特性，引入膨胀率进行衡量，由于试样表面有侧向约束，忽略直径方向的变化量，只考虑竖直方向高度的变化，膨胀率计算如下：

δi为第i次循环中试样的膨胀率；hwi为第i次循环中试样膨胀变形稳定后高度；h0为试样试验前的初始高度。对试验数据进行处理，得到各试样膨胀率随时间的变化，如图4所示，其中N表示循环次数。

由图中膨胀率与时间的关系可以看出，浸水初期膨胀率变化较快且能够在整个试验过程中20 %的时间内达到90 %以上的变形量，随后膨胀变形基本保持稳定。从各个试样的膨胀变形曲线来看，随着循环次数的增加，试样达到稳定变形所用的时间逐渐减少，即循环次数越多试样的膨胀变形量越快达到稳定。

(a)1#试样膨胀率时程曲线

(b)2#试样膨胀率时程曲线

(c)3#试样膨胀率时程曲线

(d)4#试样膨胀率时程曲线图4 各试样膨胀率时程曲线

图5 各试样膨胀率随循环次数变化曲线

绘制各试样的膨胀率随循环次数的变化曲线，如图5所示。从循环次数与膨胀率的曲线图来看，在最初的4个循环中，膨胀率基本保持线性增长的趋势，随后随着循环次数增加逐渐趋于稳定。泥质岩长期处于浸水膨胀失水收缩的循环作用下其试样内部产生越来越多的微裂隙，新产生的微裂隙使得岩体颗粒的表面积增加，吸水率增强，膨胀率随之增加，但是在微裂缝增加到一定程度后，新产生的微裂缝逐渐减少，膨胀率也随之趋于稳定。

3.1.2 失水收缩变形特征

泥质岩在失水条件下产生收缩变形，为探究试样在干湿循环过程中的失水收缩变形特性，将每次循环中的收缩量随时间的变化关系用图6中曲线来表示。其中纵坐标为每次失水收缩时产生的变形量，横坐标为失水收缩的时间。

(a)1#试样收缩变形时程曲线

(b)2#试样收缩变形时程曲线

(c)3#试样收缩变形时程曲线

(d)4#试样收缩变形时程曲线图6 收缩变形量时程曲线

由收缩变形时程曲线可以看到，试样在加热干燥初期的半个小时左右，由于试样表面以及内部被大量自由水包围，水分首先吸收热量蒸发，试样在热胀冷缩的物理作用下变形量会保持短时间不变或者有较缓的上升趋势。随着水分的蒸发减少，试样开始受热产生收缩变形，前5 h的收缩变形量已经能够达到总收缩量的90 %以上，随后变形趋于平缓。随着循环次数的增加，虽然其变形曲线的形状相似，但其收缩量随循环次数的增加而逐渐增加。由图中各试样的收缩曲线可见，干湿循环作用导致试样内部结构发生破坏，使结构内部产生裂隙或导致部分颗粒剥落，产生收缩变形。

3.1.3 含水率以及变化速率分析

经过多次循环试验后，随着试样中的裂隙增多其吸水量也逐渐变大，经过6次干湿循环后试样的含水率相对于之前的初始含水率有所提高，各试样的初始含水率以及24 h饱水含水率如表2所示。

表2 各试样参数

从上表中可以看到，经过几次干湿循环后试样的密度均有所减小，且减小值在0.1 g/cm3左右，含水率有所增加，增加值在2 %左右，说明了干湿循环作用影响了试样的内部结构使得泥质岩的吸水性能有一定提高。

在每个循环变形过程中，浸水初期变形速率较大使得泥质岩膨胀变形量迅速增加，其一个小时的变形速率最高达到了2.06 mm/h，随后逐渐减小最后基本趋于零，变形速率的变化规律导致了试样高度首先快速增长，随后增长变换最后趋于稳定的特点。

3.2 泥质岩浸水与失水多个循环变形特征分析

图7 为全过程干湿循环中试样的变形曲线。由图中曲线可见，试样的膨胀变形以及收缩变形与时间的关系曲线均属于非线性关系。试验过程中发现，泥质岩试样在浸水时产生快速膨胀变形，尤其在浸水初期阶段现象明显，其最开始一个小时膨胀变形量能够达到总膨胀变形量的70 %以上。

图7 整过程变形曲线

对于收缩变形而言，虽然其每次收缩变形量随循环次数的增加而逐渐增加，但是由于浸水时试样内部产生了不可逆的变形，故收缩后的试样高度并不能还原到失水收缩前的原始高度，这使得试样的累积变形量越来越大，随着循环次数的增加，相邻两次循环之间的累积变形量逐渐减小，试样的累积变形量逐渐趋于稳定。

绘制不同含水率情况下试样在干湿循环中的变形曲线图，得到如图8所示的变形量-时间关系曲线。对应表2中的参数可知，试样的初始含水率是影响试样变形量的原因之一，1#～4#试样含水率逐渐增加，随着干湿循环试验的进行，最终泥质岩的变形量随初始含水率的增加而增加，含水率较大的4#试样在经过6次干湿循环试验后变形量最大。

图8 不同含水率变形量-时间曲线

4 结论

(1)红层泥质岩具有浸水膨胀失水收缩的变形特性，尤其是在外界环境的干湿循环条件下，变形特性更是明显。

(2)在每个循环过程中，泥质岩的膨胀变形量以及收缩变形量随循环次数的增加而逐渐增加，且在浸水膨胀变形与失水收缩变形循环初期，泥质岩的变形速率均呈现由大到小最后趋近与零的规律。

(3)红层泥质岩在干湿循环条件下逐渐产生不可逆的变形累积，导致泥质岩产生较大的净膨胀量，且最终膨胀量与泥质岩的初始含水率有一定的关系，即随初始含水率的增加而增大。