炭质泥岩填料静止侧压力系数试验研究

付泓锐



炭质泥岩填料静止侧压力系数试验研究

付泓锐

（重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074）

为了查明密实度、含水率、颗粒级配的改变对炭质泥岩填料作用于路堤结构物上的静止土压力大小的影响，本文研究了干密度、含水率、颗粒级配对炭质泥岩填料的静止侧压力系数的特性影响，采用GJY型固结仪进行炭质泥岩填料的静止侧压力系数试验. 设置4种干密度，5种含水率，5种颗粒级配探究炭质泥岩填料的静止侧压力系数的变化规律. 研究结果表明：炭质泥岩填料的干密度越大，竖向变形越小，静止侧压力系数越小. 随着含水率的增加，静止侧压力系数先减小后增大，其中含水率为6%时静止侧压力系数最小，随着颗粒级配的增加，静止侧压力系数也是先减小后增大，其中颗粒级配3的静止侧压力系数最小. 研究结果可为以炭质泥岩作为填料的工程提供一定参考依据.

干密度；含水率；颗粒级配；炭质泥岩；静止侧压力系数

在我国西南部的云贵地区，炭质泥岩广泛分布，但因为其强度低，遇水易崩解等特点[1]，不宜用于工程建设中. 在这些地区的很多工程建设中存在的大量炭质泥岩不仅难以被利用，而且它的存在还可能给建筑物带来很大的安全隐患. 随着我国公路基础设施建设的快速发展，需要的填料越来越多，就地取材的炭质泥岩开始被用作路堤的填料，变废为宝的炭质泥岩不仅节约了成本，而且更加环保. 因此，炭质泥岩的工程性能以及用作填料后的工程安全问题成为了该领域的研究热点.

对炭质泥岩作为路基填料的工程安全问题，曾玲等[2-3]研究了降雨对炭质泥岩路堤稳定性的影响，推断炭质泥岩路堤填筑材料细观损伤演化是一个非线性的累积增长过程；颜建春[4]利用ABAQUS建立炭质泥岩的路堤模型，分析得到不同深度的同一平面上的竖向的沉降变形差异，越深的地方沉降越小，且随着水平位置的增大而减小；莫凯[5]认为炭质泥岩路堤的变形与车辆的速度和车载有密切关系；郝建云[6]认为不同干密度、不同颗粒级配的砂泥岩混合料的侧向压力和轴向压力关系呈良好的直线关系. 然而炭质泥岩填料作用于路堤结构物上的静止土压力大小也是不可忽视的工程安全问题，本文将从干密度、含水率、颗粒级配3个方面研究其对炭质泥岩填料的静止侧压力系数的特性影响，分析密实度、含水率、颗粒级配的改变对炭质泥岩填料作用于路堤结构物上的静止土压力大小的影响.

1 试验制备及方法

本试验炭质泥岩取自贵州六盘水某高速路边一滑坡，其物理参数见表1. 采用GJY型固结仪进行炭质泥岩填料的静止侧压力系数试验，轴向应力用WG型单杠杆固结仪三联来施加，侧向应力采用TYC-1型孔隙压力测量仪传感器来测量. 用颚式破碎机将炭质泥岩破碎，随后用震击式标准振筛机筛分，按粒径大小分类放入干燥箱内，恒温烘至恒重. 根据不同干密度、不同含水率、不同颗粒级配按照水利部土工试验规程SL237-002-1999中的公式7.0.1、7.0.2来计算土料和水的含量，然后搅拌好装入环刀（尺寸：高度，直径），下一步把装好土料的环刀再装入固结仪. 安装好WG型单杠杆固结仪，TYC-1型孔隙压力测量仪传感器和百分表. 最后开始施加轴向压力，压力等级依次分为、、、、. 实验现场环境见图1.

表1 炭质泥岩基本物理参数

图1 实验现场环境

2 试验方案

本文主要研究了干密度、含水率、颗粒级配对炭质泥岩填料的静止侧压力系数的特性影响，具体试验方案见表2.

表2 炭质泥岩填料的静止侧压力系数试验方案

3 结果分析

土样的静止侧压力系数计算如下

. （2）

3.1 干密度对静止侧压力系数的影响

表3 不同干密度的静止侧压力系数试验结果

表3 不同干密度的静止侧压力系数试验结果

轴向压力/kPa 压缩量/mm侧向压力/kPa压缩量/mm侧向压力/kPa压缩量/mm侧向压力/kPa压缩量/mm侧向压力/kPa 0250.3920080.3440060.3730060.328005 0500.7650180.7220160.6770130.665012 1001.4320361.0450260.9880241.035026 2002.5120762.1650622.0980581.875052 4003.8651523.5761323.3121183.185109

由图3分析得到总体上静止侧压力系数随着干密度的减小而增加，这是因为炭质泥岩填料的干密度越小，土体间的孔隙就越多，密实度越低，压缩变形就越大，这样在轴向压力的作用下造成对侧向的挤压力也增大，所以静止侧压力系数变大. 所以在用作路堤填料中我们应该最大限度地使填料的密实的增大，这样才能防止沉降变形过大导致侧压力引起路堤垮塌.

图2 不同干密度的关系曲线

图3 不同干密度的关系曲线

3.2 含水率对静止侧压力系数的影响

表4 不同含水率的静止侧压力系数试验结果

表4 不同含水率的静止侧压力系数试验结果

轴向压力/kPa 压缩量/mm侧向压力/kPa压缩量/mm侧向压力/kPa压缩量/mm侧向压力/kPa压缩量/mm侧向压力/kPa压缩量/mm侧向压力/kPa 250.3350050.3210050.3440060.4360090.389007 500.7130150.6920140.7220160.7730190.815020 1000.9190230.9750241.0450261.3240331.416035 002.0590601.9020562.1650622.2350672.477075 003.4561283.3851203.5761323.7121413.825150

图4 不同含水率的关系曲线

图5 不同含水率的关系曲线

3.3 颗粒级配对静止侧压力系数的影响

不同颗粒级配的静止侧压力系数试验结果如表5.

表5 不同颗粒级配的静止侧压力系数试验结果

不同颗粒级配土料试验结果分析见图6和图7. 由图6可得颗粒级配1、颗粒级配2、颗粒级配3、颗粒级配4、颗粒级配5的静止侧压力系数分别为、、、、，可见静止侧压力系数随着颗粒级配的增大先减小后增大. 在其他条件相同情况下颗粒级配3的炭质泥岩填料的静止侧压力系数是最小的，所以它的稳定性也最好.

图6 不同颗粒级配的关系曲线

图7 不同颗粒级配的关系曲线

炭质泥岩填料不同颗粒级配试样的试验结果表明，颗粒级配的增加，静止侧压力系数先减小后增大，其中颗粒级配3的静止侧压力系数最小，工程中如果用炭质泥岩填料那么相同条件下级配为3的填料的可压缩量最小.

4 结论

本文以某高速路路边滑坡的炭质泥岩填料为研究实例，从填料的密实度、含水率以及颗粒级配3个方面研究其对静止侧压力系数的影响. 可以知道，炭质泥岩填料的静止侧压力系数随着干密度的增大而减小，所以实际工程中我们应该尽量压实填料使其干密度增大. 随着炭质泥岩填料的含水率增加，其静止侧压力系数先减小后增大，其中含水率在6%静止侧压力系数是最小的，因此推测炭质泥岩填料的含水率在5%到7%稳定性是最好的. 炭质泥岩填料的静止侧压力系数随着颗粒级配的增加先减小后增加，颗粒级配3的静止侧压力系数最小，竖向变形最小，稳定性最好. 本研究对实际工程具有一定的参考价值，对于的炭质泥岩填料的研究还可以进一步研究其含炭量对物理力学特性的影响.

[1] 刘子昂，满立，别江波. 贵州六盘水炭质泥岩特性探究[J]. 岩土工程技术，2014(1): 50-56.

[2] 曾铃，付宏渊，贺炜，等. 三轴CT条件下预崩解炭质泥岩路堤填料的细观试验[J]. 中南大学学报（自然科学版），2014, 45(3): 927-929.

[3] 曾铃，付宏渊，贺炜，等. 降雨入渗因素对炭质泥岩路堤边坡稳定性的影响[J]. 公路交通科技，2013, 30(3): 41-44.

[4] 颜建春. 高速公路中炭质泥岩路堤研究[D]. 西安：长安大学，2015.

[5] 莫凯，付宏渊，曾铃. 车辆荷载作用下炭质泥岩路堤动力变形特征分析[J]. 中外公路，2014, 34(1): 14-19.

[6] 郝建云. 沙泥岩混合料压缩变形特性及K0系数试验研究[D]. 重庆：重庆交通大学，2014.

[7] 刘新喜，戴毅，张平，等. 炭质泥岩软弱夹层岩质边坡稳定性影响因素分析[J]. 湖南文理学院学报（自然科学版），2017, 29(1): 65-69.

[责任编辑：韦 韬]

An Experimental Study of Static Pressure Coefficients of Carbonaceous Mudstone

FUHong-rui

(Key Laboratory of Hydraulic and Waterway Engineering of Ministry of Education, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

In order to find out what effects changing density, moisture content and particle size distribution have on the earth pressure at rest of embankment structure in which the carbonaceous mudstone is the filler, we studied what effects dry density, moisture content and particle size distribution would have on the character of the pressure coefficient at rest of carbonaceous mud stone filler, and we chose theconsolidation apparatus of GJY type to test the pressure coefficient at rest of the carbonaceous mudstone filler. To explore the changing rules of the pressure coefficient at rest of carbonaceous mud stone filler, we set four dry densities, five moisture contents and five particle size distributions. Results showed that the denser the dry density of carbonaceous mudstone was，the smaller the vertical deformation was，and the smaller the pressure coefficient at rest was. With the increase of moisture content, the pressure coefficient at rest increased at first, but then decreased gradually; when the moisture was 6%, the pressure coefficient at rest reached its minimum. With the increase of the particle size distribution, the pressure coefficient at rest showed the same result as the moisture content; when the particle size distribution was 3, the pressure coefficient at rest reached its minimum. Therefore, these results provide important references for the projects in which the carbonaceous mudstone is the filler.

dry density; moisture content; particle size distribution; carbonaceous mud stone; pressure coefficient at rest

1006-7302（2017）03-0067-06

TU459

A

2017-03-29

付泓锐（1989—），男，重庆人，在读硕士生，主要研究方向为土工室内试验.