红层泥岩在不同浸水条件下填料强度特性试验研究

白志鹏， 马天驰， 尹红亮， 文良东， 吴国庆， 靖振帅

(1.西安科技大学地质与环境学院，西安 710054；2.西安科技大学煤炭绿色开采地质研究院，西安 710054；3.中交基础设施养护集团有限公司，北京 100088)

0 引言

红层泥岩是在我国西南地区广泛分布的一种极其特殊的软岩。在四川宜宾“长江生态保护·宜宾临港退岸入园”项目城市次级干路(纵二路一段)的公路工程建设中，沿线削坡及隧道挖方会产生大量红层泥岩，以就地取材的原则将其作为路基回填材料使用[1]的同时也存在承载力的问题。由于红层泥岩多为泥质胶结，且矿物成分中含有大量膨胀性黏土矿物与可溶性矿物，使其在降水量变化或地下水影响下具有露天风化严重、遇水易软化、失水易崩解的特性，从而引起路基填料局部丧失强度，造成路基塌陷、开裂以及隧道底鼓等工程问题[2-4]。可见，水是影响红层泥岩物理结构和力学性质的关键因素，研究不同浸水条件和干湿循环下红层泥岩强度劣化规律具有重要意义[5-8]。

红层泥岩在不同环境介质下力学性能变化一直是工程领域的研究热点[9-11]，许多学者针对这类情况做了大量的试验研究。如周其健等基于不同加热方式、不同温度及不同浸水时间等因素模拟了地热系统作用，通过测试观察岩样宏观力学特性和微观结构特征，得出红色泥岩在地热系统作用下会发生微观结构劣化导致其软化后发生延性破坏的特性[12]；邱恩喜等通过溶蚀试验并观察岩样的溶蚀特征，得出红层泥岩在腐蚀性环境介质下可溶成分之间溶解、流失导致裂隙增大和渗水性增强，造成红层内部结构和力学性能的损伤[13]；谢小帅等采用X射线衍射技术测得不同保水状态下岩样的矿物成分，分析了红层泥岩的遇水软化过程，得出了红层泥岩的力学性能损伤是由矿物的溶蚀、黏土矿物的吸水膨胀与崩解、泥岩与水作用导致颗粒间胶结连结破坏造成的[14]；阮毅等开展红层泥岩在不同pH值溶液条件下的干湿循环试验，通过推导崩解物质量与分形维数分析了酸性条件对泥岩力学特性与崩解规律，得出酸性条件会加剧红层泥岩崩解[15]；梁冰等基于泥岩冻-融循环试验，通过分析不同环境循环次数崩解物颗粒级配，得出冻融作用会缩短泥岩崩解周期，且使泥岩崩解速率增加[16]；张志敏通过模拟红层泥岩在持续荷载下遇水软化试验，探究荷载-水化耦合作用下红层泥岩变形和强度特征，得出荷载-水化作用发生于遇水一段时间后，破坏具有突然性且呈现脆性破坏特征[17]。

上述研究多集中于不同含水条件下红层泥岩的力学特性变化规律、劣化机制、微观结构变化特征等。针对红层泥岩的干湿环境交替的强度特性变化规律研究较少，揭示其在不同浸水条件下强度及崩解性变化规律，可对红层泥岩填筑以及隧道掘进稳定性提供技术参考。基于此，本文首先将红层泥岩样品制成三组进行不同干湿环境的模拟试验，记录在不同条件试样的单轴抗压强度并拍照分析其破坏形态，通过浸水循环试验，模拟红色泥岩试样在干湿交替环境下的崩解过程，最后基于试验结果对红层泥岩的强度性能损伤机制作进一步探讨。

1 试样制备及试验方法

1.1 试样制备

本试验样品由四川省宜宾市“长江生态保护·宜宾临港退岸入园”项目城市次级干路(纵二路一段)的工地选取，为粉砂质泥岩，胶结情况为泥质胶结。

按照《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)要求[18]，试样制成尺寸为直径D=50mm，高H=100mm的圆柱状样品，两端面不平行误差小于0.005mm，两端面不平整体误差小于0.02mm，直径误差小于0.3mm，用于不同浸水时间下红层泥岩单轴抗压强度试验。浸水循环试验所用样品由岩石钻样机钻取，使用岩石切割机和岩石打磨机切割打磨，使试样底面平整。

1.2 试验方法

1.2.1 单轴抗压强度试验

为研究不同浸水条件下抗压强度变化的过程，模拟干湿交替变化的环境条件，将9个样品进行编号并分为3组。第I组试样为干燥状态，第II组试样为浸泡24h后在室温条件中静置24h，第III组为完全浸水状态。

第I组试样测其烘干前后的质量变化，得到自然状态下含水率；第II组试样的“浸泡-静置”循环作用设计为：考虑到岩体的干湿交替环境，将烘干后的样品采用自由浸水的方法进行吸水，将试样设置放入浸泡桶中将试样完全浸入水中，24h后取出样品，在室温环境中放置24h，称质量，测其含水率；第III组将试样浸水时间延长至48h，浸水完成后称其质量，得到含水率，用保鲜膜将样品包裹，立即对其进行单轴抗压强度试验。

试验前对每组试验样品不同浸水条件下前后的质量、含水率进行测试记录(表1)。

表1 不同浸水条件下样品含水率

处理完成后每组试样进行单轴抗压强度试验，探究不同浸水条件对于试样强度损伤的影响。试验步骤如下：首先将不同浸水条件的试样置于刚性垫块之间，然后将位移传感器调整至合适位置，最后施加轴向荷载至试样破坏。

1.2.2 浸水循环试验

通过浸水循环试验探究红层泥岩在不同浸水条件下的强度性能变化规律，模拟干湿交替环境的浸水条件，对试样进行浸水循环处理，采取“浸水—烘干筛分—再浸水—再烘干筛分”的作用模式。

试验步骤如下：①将试样放入浸泡桶中并加水使试样完全浸入水中，浸水24h后使用0.075mm筛过滤水溶液防止细颗粒固结；②将试样在烘箱内使用35℃烘干12h直至质量稳定，分别使用5mm、2.5mm、2mm、0.5mm、0.2mm、0.075mm的标准筛网筛分样品崩解物，记录各粒径崩解物颗粒质量并分析颗粒级配；③将所有粒径大于0.075mm的试样重复浸水-烘干过程直至崩解物级配变化不明显，试验结束。记录多次浸水循环试样崩解过程，分析试样在干湿循环中的崩解过程。

2 结果与分析

2.1 单轴抗压强度试验数据分析

岩石在干湿环境交替的水岩相互作用后，其单轴抗压强度试验的结果会发生改变，通过对比不同浸水状态下泥岩的抗压强度和弹性模量的变化，确定不同浸水条件对岩石的损伤程度。

2.1.1 应力-应变曲线分析

从图1可以看出：①与干燥状态下的岩样相比，随着样品浸水时间的增加，应力-应变曲线末端应力跌落不明显，说明样品内部黏结力使破坏过程变缓；②浸水后岩样的应力-应变曲线在极限强度后线形增长，主要原因是在浸水初期，试样沿层面方向首先出现裂隙，裂隙宽度随着浸水时间的增加逐渐扩展、延伸，但试样没有破坏，呈现出延性特征。

(a)第I组试样 (b)第II组试样 (c)第III组试样

2.1.2 抗压强度与弹性模量变化

表2为干-湿循环对于红层泥岩的单轴抗压强度测试结果。由表2可知：①随着浸水时间的增加，三组岩石的抗压强度、弹性模量和峰值应变都呈现出降低趋势；②样品单次干湿循环中抗压强度随浸泡时间的大幅减少，样品在多次干湿循环后完全崩解，其崩解原因主要由红层泥岩的水岩相互作用产生，膨胀裂隙对岩石的损伤是逐渐累加进行的且不可修复；③红层泥岩的弹性模量随着浸水时间的增加而降低，而经过静置后的试样弹性模量高于完全浸水试样，这可能是由于浸水初期导致的层间裂隙在静置脱水过程的进行逐渐闭合，颗粒结合水膜变薄，颗粒间由于水膜的张力作用产生黏合效应，使得整体微裂缝颗粒发生运动黏合，脱水后形成新的似连续介质，整体性增强。

表2 单轴压缩试验结果

2.1.3 单轴压缩破坏形态

通过单轴抗压试验，不同浸水条件下试样的破坏形态不同，以红层泥岩5、6号试样单轴压缩破坏形态为例，经过单次不同阶段干湿环境交替处理，在外部荷载作用下试样呈现出主要的两种破坏形态(图2)。

由图2可以看出：①未经浸水处理的泥岩试样在单轴荷载作用下发生破坏时，破坏面相对分散，说明未经浸水的试样内部孔隙并非完全连通；②经过“浸水-静置”处理后，破坏面相对集中，说明试样在破坏时内部孔隙在水岩相互作用下已有少量贯通；③在完全浸水条件下，随着浸水时间的增长，试样内部孔隙逐渐贯通，内部裂隙不断发育且破坏面的松散颗粒软化，并在裂隙处假黏结(表3)。

(a)5号试样破坏形态 (b)6号试样破坏形态

表3 单轴压缩试验软化分析

2.2 浸水循环试验数据分析

2.2.1 干湿循环下样品的崩解过程

图3为第2次至第12次“浸水-风干”循环红层泥岩试样崩解过程。从图3可以看出：①随着浸水循环次数的增加，崩解物形态由碎块、碎片状逐渐转化为碎屑状、泥状，粒径不断减小；②随着浸水循环过程的进行，水岩相互作用使试样内部裂隙贯通，垂直层理方向裂隙与平行层理方向裂隙同时发育，试样破碎现象不断进行直至破碎达到临界平衡；③筛分过滤溶液泥质成分不断增加并逐渐趋于稳定，崩解物可溶矿物成分减少。

图3 试样不同浸水条件下单轴压缩破坏形态

2.2.2 干湿循环下样品崩解物颗粒级配曲线

图4为第2次至第12次“浸水-风干”循环红层泥岩试样颗粒粒径级配曲线变化图。从图4可以看出：①随着干湿循环次数的增加，颗粒级配曲线逐渐向上移动，崩解物由>10mm粒径的颗粒不断崩解为细颗粒；②第六次循环为样品崩解速率的转折点，崩解物粒径>3mm的颗粒粒径崩解速率缓慢降低，颗粒级配逐渐趋于稳定。

图4 泥岩试样颗粒粒径级配曲线变化

2.3 矿物成分分析

本次研究利用X衍射仪(XRD)分析上述试验红层泥岩试样的矿物成分，其中伊利石为22%，高岭石为13%，石英为22%，钠长石为25%，方解石为7%，赤铁矿为2%，绿泥石为9%。样品的X射线衍射矿物分析谱如图5。

图5 红层软岩试样 X 射线粉晶衍射谱

从矿物成分的分析可以看出：①碎屑物钠长石、石英含量最高，其次为伊利石、高岭石，最后为少量绿泥石、方解石和赤铁矿。②泥岩易呈现崩解特性主要与黏土矿物含量有关，其中伊利石为较强亲水性黏土矿物，高岭石湿润时具有可塑性、黏着性和体积膨胀性，影响泥岩试样强度特性和破坏形态。

综上所述，在路基工程中，红层泥岩作为筑路材料，或为隧道围岩主要成分时，往往会因降水及其他原因发生局部较大变形导致公路的开裂及围岩失稳等各种病害，严重影响了公路的正常使用。导致各种病害的主要原因是红层泥岩的矿物组成易发生水岩相互作用导致填料的承载能力与稳定性降低。因此，研究红层泥岩不同浸水条件条件下强度劣化及崩解规律具有重要的工程意义。通过研究结果分析，解决红层泥岩本身遇水失稳问题，应当以改善岩体含水条件与排、防水保护措施等方面着手：①加速红层泥岩排水固结可进行强夯处理，以降低水的渗入；②岩体裸露面层覆盖隔水材料以及岩体内部排水疏导；③红层泥岩路基填筑完成后应当进行路基表面进行疏水处理，防止地表水聚集并长期浸泡。

2.4 工程应用实例

2021年3月至7月，在四川省宜宾市临港经济技术开发区东部产业园区内临港退岸入园项目纵二路一段工程建设中，中交基础设施养护集团联合西安科技大学共同推进的“高填方路基强夯施工参数优化与质量控制关键技术”科研项目在该工程建设中开展现场监测、取样和室内试验等研究，且试验研究所得成果在实际工程中得到具体应用。研究发现，自然降水引起强夯路基发生小幅沉降对工程建设的影响较小，红层泥岩经过强夯处理可削弱其自然崩解的不良影响，力学特性可达到所需建设要求。根据研究成果，为减少降水对强夯路基承载力的影响，优化了强夯施工工艺。具体方案：①在施工之前测试填土含水率，通过填料平铺碾压并晾晒3d，控制填料含水率在16%～18%，以减少膨胀性黏土发生水岩作用使填料结构劣化，增加填料黏聚力；②施工过程中通过路基渗沟排水，降水时覆盖防水篷布，以降低路基岩体地下水位；③施工完成后，灌砂试验测试压实度达96.8%；动力触探试验结果得出强夯路基填料试样锤击平均数为18.2， 容许承载力大于0.66MPa；沉降量监测结果显示该路段1周含降水条件下总沉降量降至100 mm以下，与未处理填料的路段沉降量相比减少约40%。由此可见，优化后的各项施工技术指标满足公路规范设计要求。

3 结论

本文以红层泥岩为研究对象，对不同浸水条件作用下红层泥岩的单轴抗压强度、崩解劣化规律进行了研究，得出以下结论：

1)在单次浸水条件下，样品含水率在浸水过程中不断增加，使泥岩在浸水条件下由于样品内部矿物膨胀，产生不均匀分布的拉应力，使得颗粒间裂隙发育并导致单轴抗压强度和弹性模量降低。

2)样品在静置脱水阶段，对于泥岩的单轴抗压强度和弹性模量有一定恢复效果，但恢复效果远不及劣化作用结果，表现为泥岩在多次干湿循环后呈现破坏更为显著，说明水岩作用的损伤主要发生在每次干湿循环交替的浸水过程中。

3)在多次浸水-风干循环下，泥岩试样因为可溶性矿物与黏土矿物的水岩相互作用，逐渐崩解，崩解物由较大块径片状颗粒逐渐软化分解成小块径颗粒，可溶性物质消失，剩余泥质成分增加，在第六次循环后颗粒级配逐渐趋于稳定，岩石强度完全丧失。