泥岩路基填料抗剪性能实验研究

杨君磊，王 淼，韩佰恩，吕国伟，陈雯雯

(1.山东省路桥集团有限公司,山东 济南 250357; 2.济南科技学校,山东 济南 250014)

1 概述

随着我国经济的快速发展，作为我国经济大动脉的公路铁路，其发展就变得至关重要了[1]。就公路路基填料而言，为达到公路路基强度要求，路基填料应尽量选取集配良好的碎石等优质填料或级配不好的碎石、砂等良好填料，但是由于现场施工条件以及经济条件等原因，全部使用优质填料不现实，因此必须考虑级配不好的细砂等一般填料即黏土等劣质填料[2-3]。泥岩是一种在天然状态下结构完整、岩质坚硬、强度较高的软岩，但是在降雨入渗等因素影响下，泥岩填料在短时间内会发生软化、崩解等，泥岩填料路基边坡稳定安全系数随之降低，由于其自身的不稳定性，国内许多学者对其开展针对性的实验研究，获得了其弱膨胀、抗蚀等诸多变化规律[4-11]，为工程应用提供了详实的依据。为获取泥岩填料在不同含水率以及压实度情况下的抗剪强度指标，为其路用性能设计提供详实参数，本文采用MTS三轴试验，采取三轴固结不排水方法获得泥岩填料在不同含水率以及压实度情况下的抗剪强度指标，并拟合了其变化规律，为后续泥岩调料路用性能及泥岩边坡稳定性能提供数据支撑。

2 实验方案

泥岩路基填料击实试验结果表明，试件在P5=80%时的最佳含水率(质量分数)为9.0%，最大干密度为2.18 g/cm3。因此，本文采用P5含量(质量分数)为80%的颗粒级配进行试验，主要获得不同含水率、不同压实度条件下泥岩填料试件的抗剪强度指标，变量条件确定为含水率、压实度与围压。在围压分别为50 kPa,100 kPa,150 kPa的情况下制定如下试验方案：1)保持最佳含水率(质量分数)9.0%前提下，泥岩填料分别控制在90%,92%,94%,96%,98%压实度制件。2)保持压实度90%前提下，泥岩填料含水率(质量分数)分别按照9.0%,11.0%,13.0%,15.0%,17.0%制件。具体实验方案如表1所示。

表1 三轴实验方案表

2.1 试验仪器

本次试验采用MTS万能试验机作为三轴试验的试验仪器，MTS万能试验机可以进行压缩、弯曲、拉伸等众多静态试验，甚至还可以做疲劳和蠕变试验，且适用于各种材料。MTS万能试验机共有三种控制模式，分别为位移控制、载荷控制和应变控制；MTS万能试验机主要由四部分组成，包括驱动装置、压力室、辅助装置(气压泵、油泵等)以及MTS Test Star 11s控制器。

2.2 试验步骤

1)制件。本次试验所用泥岩填料试件采用分层压实法进行制备，在自制模具中进行压实，按压实度要求计算每层需要的泥岩填料质量，每层压实厚度为50 mm，共计4层，试件总高度为200 mm,直径为100 mm。压实结束后，采用手动脱模仪将试件取出，并用保鲜膜密封备用，具体压实、脱模方法见图1。

2)试件安装。将套有橡胶膜的泥岩填料试件垂直放置到压力室底板上，用橡胶圈将其固定，将位移传感器安装在泥岩填料试件两侧，将压力室的玻璃罩放下，调节伸缩杆的长度，使其与泥岩填料试件刚好接触，向压力室内崩入硅油至没过泥岩填料试件顶面后关闭进油阀。检查仪器设备无错误提示之后，安装结束。

3)加载。向安装好的压力室内通入空气至预定围压，在预定围压下进行预压，泥岩填料试件预压采用的初始轴向静荷载大小与围压相同，加载方式采用位移控制式，加载速度为0.01 mm/h。达到要求时停止加载，整个过程不允许试件排水。待固结稳定后，逐渐增加轴向压力σ1，使试件在不排水的条件下受力直至发生破坏。试验结束后，将泥岩填料试件取出，得到如图2所示试件，由图2发现试件在荷载的作用下由中部位置开始向外凸起，从而使得泥岩填料试件发生变形破坏。

3 实验结果分析

(1)

其中，σ1，σ3分别为大、小主应力，kPa；α，β均为试验参数，与围压及含水率等有关；根据摩尔-库仑破坏准则表达式，如式(2)所示：

(2)

其中，σ1，σ3分别为大、小主应力，kPa；c为土的黏聚力，kPa；φ为内摩擦角，(°)。

τ=σtanφ+c

(3)

其中，τ为试件的抗剪强度，kPa；σ为试件剪切滑动面上的法向应力，kPa；c为泥岩填料的黏聚力，kPa；φ为泥岩填料的内摩擦角，(°)。

泥岩填料的黏聚力c为剪切应力与垂直法向应力关系曲线的截距，泥岩填料的内摩擦角φ为剪切应力与垂直法向应力关系曲线的倾角。

3.1 不同含水率情况下泥岩填料抗剪指标变化规律

泥岩填料压实度为90%时，不同含水率情况下泥岩填料的莫尔应力圆和强度包络线如图3所示。

根据图3得到不同含水率情况下泥岩填料的内摩擦角与黏聚力如表2所示。

表2 不同含水率情况下泥岩填料的强度参数

由表2可知，泥岩填料黏聚力随着其含水率的增加呈现持续减小趋势。泥岩填料含水率(质量分数)由9.0%增加至17.0%，填料的黏聚力由71.31 kPa降低至35.88 kPa，降低率达47%；与黏聚力一致，泥岩填料内摩擦角随着其含水率的增加同样呈现持续减小趋势，实验结果表明，随着含水率增大，泥岩填料的内摩擦角由24.51°降低至15.56°，降低率达36.5%。

为进一步明确泥岩填料含水率对黏聚力及内摩擦角的影响，获得泥岩填料黏聚力和内摩擦角随含水率的变化规律，对不同含水率条件下的黏聚力和内摩擦角关系曲线进行拟合研究，拟合曲线如图4,图5所示。

拟合获得的泥岩填料含水率与黏聚力之间的线性关系符合式(4)，含水率与内摩擦角之间的线性关系符合式(5)。

(4)

其中，c为泥岩填料黏聚力，kPa；ω为泥岩填料含水率，%；R为相关系数。

(5)

其中，φ为泥岩填料内摩擦角,(°)；ω为泥岩填料含水率,%；R为相关系数。

3.2 不同压实度情况下泥岩填料抗剪指标变化规律

泥岩填料处于最佳含水率状态下，不同压实度情况下泥岩填料的莫尔应力圆和强度包络线如图6所示。

由图6莫尔应力圆剪切破坏可以获得泥岩填料含水率保持在最佳含水率不变时，不同压实度情况下泥岩填料的黏聚力及内摩擦角如表3所示。

表3 不同压实度情况下泥岩填料的强度指标

研究结果表明：随着泥岩填料压实度由90%增加至98%，泥岩填料黏聚力由71.31 kPa增加至95.87 kPa，增长率为34%，而泥岩填料内摩擦角基本维持在24°～25°之间保持不变，因此，在研究泥岩填料压实度对其抗剪强度指标的影响时，忽略内摩擦角。

为更加清晰地研究泥岩填料压实度对其黏聚力的影响，对泥岩填料压实度及黏聚力的变化进行拟合分析，得到泥岩填料压实度与其黏聚力的拟合曲线如图7所示。

在泥岩填料含水率保持不变的情况下，随着其压实度的增加，泥岩填料的黏聚力逐渐增加并表现出明显的线性增长趋势，对泥岩填料试件压实度与黏聚力的关系进行拟合分析，获得了同一含水率情况下泥岩填料黏聚力随其压实度的增加呈如式(6)所示趋势。

c=2.776K-179.5
R=0.912 37

(6)

其中，c为泥岩填料的黏聚力，kPa；K为泥岩填料的压实度，%；R为相关系数。

4 结论

不同含水率情况下泥岩填料抗剪指标变化规律表明：泥岩填料黏聚力和内摩擦角均随着其含水率的增加呈现持续减小趋势。随着泥岩填料含水率的增加，泥岩填料试件内颗粒之间的薄膜水逐渐变厚，从而导致颗粒之间的黏结能力逐渐降低；随着泥岩填料含水率的增加，泥岩填料试件内部的自由水逐渐增加，而自由水的出现会使泥岩填料试件内部中的胶结物质溶解，从而进一步降低了泥岩颗粒之间的吸力，导致泥岩填料的黏聚力随着其含水率的增加而逐渐降低；泥岩填料试件内部的自由水随之增加，使得泥岩填料颗粒之间在发生相对滑动时所产生的摩擦力降低，进而导致泥岩填料的内摩擦角随着其含水率的增加而逐渐降低。

不同压实度情况下泥岩填料抗剪指标变化规律表明：随着其压实度的增加，泥岩填料的黏聚力逐渐增加并表现出明显的线性增长趋势，但内摩擦角基本保持不变。随着泥岩填料压实度逐渐增加，泥岩填料试件主体之间的孔隙比逐渐降低，直接导致试件内部颗粒的间距逐渐减小，土体更加密实，颗粒之间能够接触的点增多，从而增加了泥岩填料颗粒之间的黏结力；由于泥岩填料试件内部孔隙比的减小，使得泥岩颗粒之间更加密实，孔隙之间的流通性降低，导致颗粒之间公用的水化膜逐渐形成结合水致使颗粒之间的黏结力增大，泥岩填料试件内部的自由水逐渐转化为弱结合水，泥岩填料的黏聚力增大。