干密度和含水率对压实红层泥岩路基填料强度特性的影响研究

刘先峰 ，马杰 ，袁胜洋 ，陈康 ，潘申鑫 ，郑立宁 ，胡熠

(1. 西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；2. 西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川 成都 610031；3. 新疆工程学院 土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830023；4. 中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610052；5. 中建地下空间有限公司，四川 成都 610052)

红层泥岩在我国西南地区广泛分布，随着西南地区高速铁路建设快速发展，不可避免地要穿越红层泥岩地区，但西南地区山地丘陵多、地形起伏大，导致A，B组填料资源有限，若整条线路都采用A，B组填料，则会极大地增加建设成本，若能将红层泥岩用作路基填料，既可节省大量的工程投资，又可避免因红层弃土带来的环境污染问题[1]。已有研究表明，干密度及含水率的变化可导致路基填料强度发生改变，绝大部分路基沉陷、坍塌都是由于填料抗剪强度不足引起的，而路基溜滑、坍塌，多属于突然的脆性破坏，将严重影响列车行车安全[2-7]。对于红层泥岩，已有研究结果表明：红层泥岩在最优含水率条件下压实后，强度较高，抗变形能力较强，可以用作基床底层填料，但现场动力激振试验也表明，红层泥岩在高含水率状态或饱和状态时强度急剧衰减，压缩变形急剧增加[8-16]。西南地区气候湿润，降雨丰富，雨水下渗往往会引起红层泥岩路基填料含水率发生改变，进而引起填料强度的改变[17-18]。但目前针对红层泥岩路基填料强度的研究主要集中于最优含水率状态和饱和状态，不能准确反映干密度和含水率对红层泥岩路基填料脆性和剪胀性的影响，且脆性和剪胀性相互影响的研究也相对较少，因而很有必要研究干密度和含水率对压实红层泥岩路基填料抗剪特性的影响。针对此问题，本文首先对全风化红层泥岩进行击实试验，确定了最大干密度和最优含水率，此后对不同干密度、不同含水率状态的红层泥岩进行直剪试验研究，明确干密度和含水率对压实红层泥岩路基填料强度的影响规律，揭示压实红层泥岩脆性指数与剪胀角的相互影响规律，研究结果可为压实红层泥岩路基填料在运营环境中强度的确定提供参考。

1 试验材料及方案

1.1 试验材料及试样制备

本次试验所用全风化红层泥岩取自成都天府新区浅层1～3 m处，该地红层泥岩属侏罗系蓬莱镇组(J3P)。结合实际工程应用流程[1]，试验所用红层泥岩首先经过一定时间的自然崩解，然后锤击破碎，筛取粒径1 mm以下土颗粒用于试验研究。由轻型击实曲线(见图1)可知，红层泥岩最大干密度ρdmax为1.76 g/cm3，最佳含水率wopt为16.3%。采用马尔文试验对颗粒粒径进行量测，由级配曲线(见图2)可知，本次试验所用全风化红层泥岩粒径分布范围较广且级配良好。

表1 红层泥岩基本物性指标Table 1 Basic physical properties of red mudstone

将本次试验所用红层泥岩放置于105 ℃的烘箱中烘干，然后均匀喷洒一定质量的水，配置为目标含水率的试验用土，保存于真空密封袋中使其水汽平衡，再通过控制初始干密度的方式，采用1 mm/min的加载速率，将土体静压成型为直径63.5 mm，高度25.4 mm的圆饼样，保存于真空密封袋中以备后续试验使用。

1.2 试验方案

为研究含水率对压实红层泥岩的影响，在最优含水率左侧、右侧各选取一代表性含水率，考虑到防排水系统出现故障时，红层泥岩路基由于雨水淤积浸泡而饱和，故又进行了饱和红层泥岩的抗剪试验。路基本体填料填筑要求压实度须在95%以上，故试验分别进行了干密度为1.67 g/cm3和1.76 g/cm3(K=95%，K=100%)的直剪试验，实际工程应用中，可以通过增加压实功，提高压实度来增加路基填料的强度，故又对干密度为1.85 g/cm3(K=105%)的红层泥岩进行直剪试验。对于需要饱和的试样，直剪试验前先进行抽气饱和，考虑到其剪切过程中可能会有孔隙水压的影响，故进行慢剪试验，其余非饱和试样进行快剪试验。本试验参照《铁路工程土工试验规程》(TB 10102—2010)进行。

表2 直剪试验方案Table 2 Direct shear test programs

2 试验结果与分析

2.1 干密度、含水率、竖向荷载对应力-位移曲线的影响

干密度对应力-位移曲线的影响如图3所示，在含水率及竖向荷载不变时，峰值强度随着干密度减小而逐渐减小，且应力-位移曲线随着干密度减小逐渐由软化型向硬化型过渡，试样达到峰值抗剪强度所需剪切位移也随干密度减小在逐渐增大。

含水率对应力-位移曲线的影响如图4所示，在干密度及竖向荷载不变时，随着含水率增加，试样峰值抗剪强度逐渐减小，应力-位移曲线逐渐由软化型向硬化型过渡，达到峰值强度所需的剪切位移也在逐渐增大。

竖向荷载对应力-位移曲线的影响如图5所示，随着竖向荷载的增加，应力-位移曲线逐渐由软化型向硬化型过渡，且达到峰值强度所需的剪切位移随着竖向荷载的增加逐渐增大。

2.2 干密度、含水率对抗剪强度的影响

如图6所示，对于应变软化型曲线，取剪应力最大值为峰值抗剪强度，取剪应力基本不变时的平均值作为残余抗剪强度。对于应变硬化型曲线，取剪应力基本不变时的平均值作为残余抗剪强度，因剪应力随剪切位移先增加而后保持不变，故峰值抗剪强度与残余抗剪强度取相同值。

图7为不同干密度摩尔-库伦强度线，在最优含水率条件下，红层泥岩峰值抗剪强度随着干密度的增加而增加，这是由于干密度越大，土颗粒间的机械咬合作用越显著，且干密度越大，制备试样施加的压力也越大，在竖向荷载相同时，固结比更大，故强度也会更高。

干密度为1.76 g/cm3，含水率不同时的摩尔-库伦强度线如图8所示，在干密度相同时，含水率越大，红层泥岩抗剪强度越小，这是由于随着含水率的增大，包裹在土颗粒外围的结合水膜变厚，对土颗粒间的摩擦有润滑作用，颗粒间机械咬合作用减弱，故红层泥岩抗剪强度随着含水率增大而减小。对比最优含水率条件下的抗剪强度，红层泥岩浸水饱和后颗粒软化，导致强度急剧下降，反映出红层泥岩具有极强的水敏性。故在实际的工程应用中，须通过对红层泥岩路基设置防水层并采取相应的排水措施，避免红层泥岩吸水后颗粒软化，引起抗剪强度急剧下降，造成路基病害。

如图9所示，在含水率相同时，随着干密度增大，颗粒咬合变得更加紧密，故残余抗剪强度随着干密度的增加略有增加，但不同干密度试样残余抗剪强度总体相差不大。如图10所示，在干密度相同时，含水率高的红层泥岩软化越显著，残余抗剪强度随着含水率增大逐渐减小。

如图11所示，在含水率相同时，残余黏聚力均小于峰值黏聚力，二者之间的差值也随干密度增大逐渐增大。在含水率相同时，试样残余内摩擦角均要高于峰值内摩擦角，且随着干密度增大，残余内摩擦角较峰值内摩擦角的增加幅度也越大。

如图12所示，在干密度相同时，试样峰值黏聚力随着含水率增加逐渐减小，且随着含水率增加，残余黏聚力与峰值黏聚力二者之间的差值在逐渐减小。对比峰值黏聚力与残余黏聚力后发现，除饱和状态外，试样峰值黏聚力均大于残余黏聚力。在干密度相同时，除饱和状态外，试样峰值内摩擦角均小于残余内摩擦角，且随着含水率的增加，试样残余内摩擦角逐渐减小，在饱和状态时与峰值内摩擦角达到相同值。

由图11和图12可知，除饱和状态外，不同干密度，含水率试样残余黏聚力均小于峰值黏聚力，残余内摩擦角均大于峰值内摩擦角，主要是由于竖向荷载较小时，试样应力-位移曲线多为软化型，试样残余抗剪强度远小于峰值抗剪强度，在竖向荷载较大时，试样应力-位移曲线多为硬化型，试样残余抗剪强度与峰值抗剪强度相近或相等，由此确定出来的摩尔-库伦强度参数，总是残余黏聚力低于峰值黏聚力，残余内摩擦角大于峰值内摩擦角。

如图13所示，脆性指数随着竖向荷载的增加逐渐减小，这是由于随着竖向荷载的增加，应力-位移曲线由软化型向硬化型过渡，残余抗剪强度与峰值抗剪强度之间的差值越来越小，故脆性指数随着竖向荷载的增大逐渐减小，在含水率相同时，试样干密度越大，脆性指数越大，这主要是由于干密度越大的试样在低竖向荷载作用下，残余抗剪强度与峰值抗剪强度差值越大，应力-位移曲线软化现象更显著，故干密度越大，脆性指数也越大。

不同含水率时脆性指数变化如图14所示，除饱和状态外，脆性指数随竖向荷载的增加逐渐减小。干密度相同时，含水率越小，脆性指数越大，这主要是由于含水率越小的试样，残余抗剪强度与峰值抗剪强度差值越大，应力-位移曲线软化现象更显著，故脆性指数也越大。

2.3 竖向荷载、含水率对剪胀性的影响

不同竖向荷载作用下，竖向位移随剪切位移变化如图15所示，图中竖向位移为正代表试样被压缩，表现为剪缩特性，反之则表现为剪胀特性。对于发生剪胀的试样，在初始剪切阶段，试样都先出现剪缩，而后随着剪切位移的增加，出现不同程度的剪胀。对于发生剪缩的试样，在整个剪切过程中，体积一直被压缩。随着竖向荷载的增加，试样逐渐由剪胀向剪缩过渡，存在一个临界竖向荷载，当竖向荷载小于临界竖向荷载时，试样在剪切过程中产生剪胀，反之，试样在剪切过程中产生剪缩。

将竖向位移增量与剪切位移增量比值的反正切值的相反数作为剪胀角[20]，如图16及式(2)所示，采用剪胀角表示红层泥岩在剪切过程中，竖向位移随剪切位移变化的大小。

式中：ψ为剪胀角；Δy为竖向位移增量；Δx为剪切位移增量。

不同含水率下剪胀角随竖向荷载的变化如图17所示，在竖向荷载相同时，剪胀角随着含水率的增加逐渐减小，在半对数坐标系中，相同含水率条件下，剪胀角随竖向荷载的增加呈线性减小趋势。

2.4 剪胀性与强度特性的相互影响

脆性指数与强度有关，剪胀角与剪胀性有关，故可用二者研究红层泥岩强度特性与剪胀性的相互影响，如图18所示。红层泥岩脆性指数随剪胀角的变化，可以分为3个阶段：第1阶段，脆性指数大于1，此阶段剪胀角大于0°，脆性指数随着剪胀角的减小迅速减小，此阶段试样应力-位移曲线表现为软化型，且发生剪胀。第2阶段，脆性指数等于1，此阶段剪胀角依然大于0°，在此阶段，脆性指数随剪胀角减小保持不变，试样应力-位移曲线表现为硬化型，但仍产生剪胀。第3阶段，脆性指数等于1，但剪胀角小于0°，此阶段试样全部发生剪缩，相应的应力-位移曲线全部表现为硬化型。

根据脆性指数随剪胀角的变化，红层泥岩应力-位移曲线随竖向位移的变化可以分为以下3种类型：1) 软化型-剪胀型；2) 硬化型-剪胀型；3) 硬化型-剪缩型。

通过与WANG等[21-22]对砂土强度特性与剪胀性的研究进行对比，在一定范围内，砂土脆性指随剪胀角的减小而迅速减小，表现出与上述红层泥岩第Ⅰ阶段相似的变化趋势。

3 结论

1) 含水率、干密度和竖向荷载是影响红层泥岩应力-位移曲线的重要因素，随含水率增加、竖向荷载增加，红层泥岩应力-位移曲线由软化型向硬化型过渡，随干密度的增加，红层泥岩应力-位移曲线由硬化型向软化型过渡。

2) 红层泥岩在饱和后强度急剧下降，反映出红层泥岩具有极强的水敏性，故在实际工程应用中，须对红层泥岩路基设置防水层及相应排水措施。

3) 在竖向荷载较小时，试样残余抗剪强度远小于峰值抗剪强度，脆性指数较大，在竖向荷载较大时，试样残余抗剪强度与峰值抗剪强度相近或相等，脆性指数接近于1，脆性指数随竖向荷载增大逐渐减小，因此，除饱和状态外，残余黏聚力都小于峰值黏聚力，残余内摩擦角都大于峰值内摩擦角。

4) 随竖向荷载的增加，试样体积变化逐渐由剪胀型向剪缩型过渡，存在一个临界竖向荷载，竖向荷载小于临界竖向荷载时，发生剪胀，反之则发生剪缩，且在半对数坐标系中，剪胀角随竖向荷载增大呈线性减小趋势。

5) 脆性指数随剪胀角的变化主要分为3个阶段，即试样剪胀性与抗剪强度特性的相互影响可以分为3种类型：① 软化型-剪胀型；② 硬化型-剪胀型；③ 硬化型-剪缩型。