泥岩路基填料强度的干湿循环效应

董　波　汪洪星　左清军　谈云志

(三峡大学 三峡库区地质灾害教育部重点实验室， 湖北 宜昌　443002)



泥岩路基填料强度的干湿循环效应

董波汪洪星左清军谈云志

(三峡大学 三峡库区地质灾害教育部重点实验室， 湖北 宜昌443002)

摘要：泥岩是一类遇水易崩解的岩土材料，崩解前呈现岩石特征，但崩解后呈现泥质特性．故实际工程中需要掌握泥岩崩解前后的力学性能变化幅度．以取自洞新高速泥岩为研究对象，开展了击实和强度试验，并进行直剪强度的干湿循环效应研究．结果表明，泥岩遇水泥化，强度急剧衰减；击实曲线呈明显的双峰特征．干湿循环对泥岩的强度特性有着显著的影响，粘聚力随干湿循环次数的增加而增大(增长幅度为95.8%)，内摩擦角则随干湿循环次数增加而减小(减小幅度为26.5%)，但总体上还是弱化了泥岩的抗剪强度．结合试验结果分析，建议取最大含水率22.6%，最大干密度1.56 g/cm3为实际填筑的控制标准．研究同时表明，当干湿循环次数达到12次附近时，干湿循环对泥岩粘聚力和内摩擦角作用的影响程度减弱．

关键词：泥岩；强度；干湿循环

泥岩是一类工程特性易受环境影响而发生急剧衰减的岩土材料[1-4]．当经历大气降雨和蒸发的反复作用时，易发生崩解、破碎、甚至泥化等现象[5-6]；特别是耦合上覆荷载作用时，更易诱发大量的工程灾变行为[7-8]．因此，一般应尽量少用这类特殊岩土体材料．但受环境保护和工程投资的限制，实践中又要尽可能地利用这类性能易受环境影响泥岩[9-11]．当前，运用此岩类土体作路基填充材料施工时，主要采取预先喷水崩解破碎，然后再进行填筑压实．显然，如何控制好泥岩的崩解程度，对保证工程的长期稳定性具有十分重要的意义[12-13]．因为崩解过度，则其强度将会完全丧失；而崩解不够，后期性能会很不稳定．

湖南洞新高速公路某路段分布有大量的泥岩，为了大面积推广利用泥岩填筑，进行了试验路建设．图1(c)为压路机压实过后的表面，可以看出荷载作用下泥岩容易被压粉化；但灌砂法测压实度时，发现试坑下部的泥岩依然呈粗颗粒状，如图1(d)所示．可见，掌握泥岩崩解前后的特性具有十分重要的工程意义．为此，通过开展承载比强度、直接剪切强度等试验，模拟大气干湿循环作用下泥岩路基填料强度的演化规律，为泥岩路基修筑提供科学合理的建议．

图1　洞新高速泥岩试验路

1泥岩的基本特性

泥岩试样取自湖南洞新高速公路第20合同段，受湖南炎热多雨气候的影响，泥岩表层风化明显．泥岩未受雨水浸泡时强度较高，类似岩石的特征；但遭受水分侵蚀后崩解成泥状，又类似于黏土的特征．考虑到泥岩的不稳定性，以及论文主要研究泥岩崩解后的性能，故物理力学性能测试均以崩解泥化后的泥岩作为研究对象．为此，按《公路土工试验规程》(JTGE40-2007)进行有关指标的测试．崩解后的泥岩物理力学性能指标，见表1．从液塑限指标分析，泥岩遇水浸泡后表现为黏土特性．

表1　泥岩基本物性指标

2泥岩的击实特性

为了确定泥岩填筑的压实度控制标准，根据《公路土工试验规程》(JTGE40-2007)的规定，将洞新高速泥岩晾晒后，经过5 mm的圆孔筛筛分后放入烘箱内进行干燥，烘箱温度设置为105℃，干燥时间为8 h．脱水完成后，利用喷水壶均匀湿润试样至预定的含水率．装入塑料袋密封焖料24 h，然后按照重型击实标准进行击实，每层98击．进行了宽范围含水率和窄范围含水率的击实试验，干密度与含水率的关系，如图2所示．

图2　干密度与含水率的关系

图2(a)可见，泥岩击实曲线呈现明显的双峰特性，并且不对称；峰值①干密度较大，含水率变化小；峰值②干密度小，但含水率变化范围宽．图2(b)为该公路标段施工单位获得的试验结果，其值也与图2(a)中峰值②相吻合．

造成双峰曲线的原因主要有：1)含水率较低时泥岩未充分崩解，呈现粗粒料特性，且级配不良．大颗粒含量较多，而小颗粒含量少，击实后颗粒间的间隙缺少细颗粒充填，故造成“搭积木”似的暂稳状态．2)含水率较低时泥岩颗粒的强度较高，击实后会出现峰值①，而此时含水率所对应的泥岩颗粒强度较大，击实功还不足以将其破碎粉化；随着含水率的增加，泥岩颗粒强度降低，击实作用使得颗粒发生破碎，并促进破碎颗粒进一步靠拢，从而出现峰值②．

泥岩击实曲线呈现双峰特性，路基填筑时的填筑控制标准到底应该选择峰值①还是峰值②，值得进一步的探讨．如果能保证路基长期处于干燥状态，显然按照峰值①对应的标准，即按最大含水率为10.4%，最大干密度为1.60 g/cm3进行控制；实际上泥岩大都分布在热带多雨地区，路基很难处于理想的干燥环境，因此按照峰值②的标准控制更加符合实际情况．为了说明二者的差异性，后续进行了两种最优含水率(10.4%和22.6%)状态下的强度试验．

3泥岩承载比强度

根据加州承载比强度表征峰值②处，最优含水率附近泥岩试样表现出的强度特性与公路段施工单位获得试验结果峰值相吻合这一特征，设计了以下试验：在大于最佳含水率范围内配制了3种含水率(22.0%、25.5%和28.2%)，3种击实功(30击、50击和98击)的CBR强度试验，结果见表2．

表2　承载比强度

《公路路基设计规范》(JTGD30-2004)中规定，路堤填料选择的首要依据为CBR强度指标．从表2可以看出，所有浸水试样的CBR值都小于3%，按照规定这类泥岩不能作为路基填料．但泥岩在不泡水条件下其抗压强度比较高，泥岩能否直接用作路堤填料，关键要根据路基工程的受力特点及其周边水文条件确定合理的填筑部位，并采取正确的工程措施来保持其强度和稳定性．

4泥岩抗剪强度的干湿循环效应

为了说明泥岩初始填筑状态偏干时，抗压强度受大气干湿循环作用的影响．开展了干湿循环作用下，初始含水量为图2(a)中①处最优含水率试样的强度演化规律试验．

4.1试样制备

将试验用料进行翻晒，锤击后过2 mm筛后，将其置于烘箱内烘干，烘箱温度设置为105℃，烘烤时间为8h．取烘干后的土样，选取3种含水率进行配水即10.4%，8%和13%，拌合均匀后密封静置24 h，以达到混合均匀的目的．每种含水率选用3种压实度，即100%、96%、90%，压实成环刀试样(61.8 mm×20 mm)．

4.2干湿循环循环试验控制

干湿循环试验控制过程，如图3所示．

图3　干湿循环过程

操作过程：将制备好的环刀样放入饱和器并对其进行称量，记录好质量后置于蒸馏水中进行浸泡，浸泡时间为24h．浸泡完成后将其取出置于烘箱内烘烤，温度设置为50℃，干燥过程中定期将其取出进行称量，若质量与初始质量相近(误差不超过5%)即可认为完成一次干湿循环．

4.3试验结果与讨论

1)不同压实度和含水率对泥岩内摩擦角的影响

不同工况下粘聚力的变化关系曲线，如图4所示．

图4　粘聚力变化

图4表明，粘聚力均随含水率和干密度的增加而增大．粘聚力的大小取决于与土体间的连接程度，泥岩试样压实越密，泥岩颗粒间粘聚力越大．已有理论显示：泥岩遇水后部分钾长石变为高岭石，试样表面的裂纹数目、宽度随遇水-风干次数的增加而增加．钾长石是铝硅酸盐矿物，晶体惯态为固态，两组完全解理；而高岭石是一种含水的铝硅酸盐粘土矿物，晶体惯态为黏土状，无解理．泥岩泥化前后物态与性质发生了巨大变化，粘土颗粒变小、变多．同时，泥岩主要成分伊利石是介于云母和高岭石及蒙脱石间的中间矿物，是一种类似云母的有层状结构的粘土矿物，伊利石黏粒遇水后水分子进入黏粒晶胞之间，引起晶格膨胀，黏粒表面吸附的水膜导致黏粒间距增加；泥岩遇水过程中在水的物理、化学作用下内部产生大量次生孔隙并且体积膨胀；风干过程中泥岩表层风干速度大于内部风干速度，表层局部黏粒富集区域体积收缩产生裂纹，随着遇水-风干循环次数的增加，泥岩内部裂纹的数量和尺寸逐渐增加，当裂纹贯穿试样时试样断裂，此过程同样形成了更多、更小颗粒的黏土颗粒．试验结果正好与此理论相吻合：由于试样初始为非饱和状态，随着含水率的增加，泥岩遇水泥化后的细微颗粒增多，颗粒间相互的接触面积增大，使得颗粒间连接程度增强，故而粘聚力增大．

不同工况下内摩擦角变化曲线，如图5所示．

图5　内摩擦角变化

图5表明，内摩擦角随含水率和压实度的增加而逐渐减小．究其原因，泥岩是一种易风化崩解的软岩，压实程度越大外界施加的荷载就越大，受荷载作用后泥岩颗粒发生崩解破碎，即粗糙程度降低．随着压实度的增加孔隙比虽减小，但颗粒被压碎后其粗糙程度降低，故内摩擦角随干密度的增加反而减小．

2)干湿循环次数对泥岩强度的影响

岩的泥化崩解作用对其强度特性有着显著的影响，图6为初始含水率8%、压实度96%试样的强度参数随干湿循环次数的演化规律．

图6　强度参数与干湿循环次数的关系

图6(a)表明，粘聚力随着干湿循环次数的增加呈现逐步增大到趋于稳定的过程．泥岩在干湿循环过程中大颗粒崩解成小颗粒，甚至出现了泥化，从而颗粒间的接触面积增加，而粘聚力的大小取决于与土体间的连接程度，故粘聚力出现了增大的现象；当干湿循环次数达到12次附近时，试验所用泥岩的崩解泥化过程基本完成，即泥岩颗粒大小不再有显著变化，颗粒间的接触面积随之不变，试样结构性趋于稳定，因此粘聚力的变化不大．结合泥岩遇水泥化机制的理论，不同种类泥岩应该具有同种性质，即在干湿循环作用下，泥岩崩解泥化过程中粘聚力随干湿循环次数的增加而逐步增大，当到达一定程度后该过程基本完成，并趋于稳定，粘聚力不再变化．

图6(b)表明，内摩擦角随干湿循环次数的变化减小．干湿循环作用实际是不断破碎了泥岩的颗粒，因此内摩擦角逐渐减小．虽然干湿循环作用使试样的孔隙比减小，一定程度上使内摩擦角增大，但其增量不足以抵消颗粒破碎引起的弱化效应，故总体上表现为内摩擦角减小．

5结论

1)泥岩击实曲线是明显的双峰曲线，鉴于泥岩易崩解特征，为保证工程质量标准，建议采用最大含水率为22.6%，最大干密度为1.56 g/cm3作为控制标准．

2)干湿循环对泥岩试样的强度特性有着显著的影响，粘聚力随干湿循环次数的增加而增大，内摩擦角则随干湿循环次数增加而减小．当干湿循环次数达到一定次数时，试样结构趋于稳定，干湿循环作用的影响减弱．

3)干湿循环作用破坏了原有泥岩的颗粒架构，一方面它增强了崩解后泥岩的凝聚力，增长幅度为95.8%；另一方面却减少了内摩擦角，减小幅度为26.5%，但总体上还是弱化了泥岩的抗剪强度．

参考文献：

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[责任编辑周文凯]

收稿日期：2015-09-05

基金项目：国家自然科学基金(41402259)；三峡大学硕士学位论文培优基金(2015PY013)

通信作者：谈云志(1979-)，男，副教授，博士，主要从事特殊土方面的教学与科研工作．E-mail：yztan@ctgu.edu.cn

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.01.008

中图分类号：TU411

文献标识码：A

文章编号：1672-948X(2016)01-0037-04

Wetting-drying Cycle Effects on Filler Strength of Mudstone Subgrade

Dong BoWang HongxinZuo QingjunTan Yunzhi

(Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area，Ministry of Education，China Three Gorges Univ., Yichang 443002，China)

AbstractAs a kind of geotechnical material, mudstone's road performance vary widely; many unfavorable engineering properties appear under the wetting-drying cycles in atmospheric particularly. However, it is difficult to avoid to use mudstone as roadbed filler material in actual project. To reveal the effect of the mechanism of wetting-drying cycle effect will have important significance in the control of the embankment filling. Taking the mudstone in Dongxin high-speed subgrade as objects, the direct shear strength variation research of mudstone at different degrees of compaction and moisture conditions are carried out; and typical working conditions are selected to explore its direct shear strength under wetting-drying cycle effects; and analyzed its water sensitivity from compaction curve, particle composition, contrast liquid and plastic limit, CBR intensity changes. The results show that the mudstone begins to mud when suffer water; its strength attenuates sharply. Mudstone's compaction curve is obviously a bimodal curve, in view of characteristics that mudstone can easily disintegrate, in order to ensure standards of project quality, maximum moisture content of 22.6% is recommended; taking the maximum dry density of 1.56 g/cm3 as control standards. Wetting-drying cycles have a significant effect on the strength properties of mudstone. Its cohesion increases with the increase of wetting-drying cycles; while the internal friction angle decreases with the increase of wetting-drying cycles. The sample structure begins to stabilize when the number of cycles up to 12, the effect of wetting-drying cycle weakens. The real effects of wetting-drying cycles is the destruction of the original particle structure; on the one hand it enhances the cohesion of the disintegrating mudstone, the growth reaches 95.8%, on the other hand the internal friction angle reduces, the reduction is 26.5%. In general, wetting-drying cycles weaken the shear strength of mudstone.

Keywordsmudstone;strength;wetting-drying cycle