低黏土矿物含量泥岩有荷膨胀试验研究

，起才,b，,b,c，，，，，炳忠

(兰州交通大学 a.土木工程学院；b.道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室；c.甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，兰州 730070)

低黏土矿物含量泥岩有荷膨胀试验研究

王冲a，王起才a,b，张戎令a,b,c，马丽娜a，薛彦瑾a，崔晓宁a，李进前a，王炳忠a

(兰州交通大学 a.土木工程学院；b.道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室；c.甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，兰州 730070)

现有铁路规范中判定为无膨胀性的低黏土矿物含量泥岩仍具有膨胀性，其遇水之后产生的微弱膨胀对于变形精度要求只有4 mm的高速铁路具有潜在的破坏作用。以一高速铁路地基中的低黏土矿物含量重塑泥岩为研究对象，通过有荷膨胀率试验研究初始含水率、干密度及上覆荷载对膨胀极限状态的影响规律。研究结果表明：在初始含水率与上覆荷载一定的条件下，泥岩的胀限膨胀率随干密度的增大而增大；在干密度与上覆荷载一定的条件下，初始含水率越大，胀限膨胀率越小；在初始含水率与干密度一定的条件下，胀限膨胀率与胀限含水率均随上覆荷载的增大而减小。同时拟合得到了泥岩胀限膨胀率计算公式，验证结果表明胀限膨胀率实测值与公式预估值误差较小，可以采用拟合出的公式对于实际工程中的膨胀进行预测，为工程提供指导。

泥岩；低黏土矿物含量；微弱膨胀；有荷膨胀试验；胀限膨胀率

1 研究背景

膨胀土是一种主要由强亲水性黏土矿物蒙脱石、伊利石与高岭石组成，并且随含水量增减，体积发生显著胀缩变形的高塑性黏土。膨胀土因其显著的吸水膨胀与失水收缩特性对工程造成严重的破坏性一直以来都是岩土工程界备受关注的研究热点。以往的研究及岩土勘察都是根据铁路规范[1]中的要求，采用蒙脱石含量、自由膨胀率与阳离子交换量3个指标作为判断是否是膨胀土的依据。

但是，某高速铁路在无碴轨道静态精调时，发现轨面高程异常，最高点比设计高程高40 mm左右，已严重影响到高速铁路的正常运营。对地基中泥岩进行3个指标试验之后，发现3个指标均达不到规范中膨胀土的要求，按照现有的铁路岩土分类标准判断为无膨胀土，不会对铁路产生任何影响。后经排查与专家论证，结论是地基中的低黏土矿物含量的泥岩遇水膨胀引发的上拱病害。已有的研究普遍认为膨胀土具有膨胀性是由于内部的黏土矿物吸水扩充引起土体膨胀[2]。蒙脱石等黏土矿物物含量越多，则膨胀潜势越大[3]。因此低黏土矿物含量泥岩中亲水物质只是含量较少，遇水之后实质上具有一定的膨胀性。在之前修建的铁路，更多的是普通有砟铁路，其能够承受变形的能力较强，泥岩产生的微弱膨胀对其不足以产生影响，所以在规范中此类泥岩会被判定为“无”膨胀性。但是在高速铁路工程中根据规范仍然判定为不具有膨胀性显然是不合理的。因为根据高速铁路设计规范要求，如果路基膨胀，其向下调整量仅有4 mm。所以，在普通铁路中微不足道的膨胀对于高速铁路工程却会带来严重的影响。并且过去的研究中更多关注的是规范中判定为具有膨胀性的土，例如姚华彦等[4]、沈银斌等[5]、黄斌等[6]对规范中所划定的膨胀岩(土)进行了大量的研究并拟合得出了相应的膨胀规律。然而很少有人去探究这类被判定为无膨胀性，但实际上对高速铁路具有潜在破坏影响的低黏土矿物含量泥岩的膨胀特性。

本文针对某高速铁路地基中低黏土矿物含量的重塑泥岩进行室内有荷膨胀试验，研究其膨胀特性，根据试验结果拟合出了泥岩胀限膨胀率公式，具有一定的参考意义。

2 有荷膨胀率试验

2.1 泥岩基本性质

泥岩的基本特征如表1所示，蒙脱石含量、自由膨胀率、阳离子交换量均小于规范中的判定指标，依据规范应该划分为“无”膨胀土。此外，蒙脱石、伊利石、高岭石三大引发膨胀的黏土矿物含量也远远低于范秋雁[7]整理的已研究的膨胀土。

表1 泥岩基本特征

2.2 试验概述

根据规范[8]中有荷膨胀率试验将泥岩首先碾碎后过2 mm孔筛，分别配制10%，12%，14%，16%，18% 5种不同初始含水率w0的土样，每种含水率下再制备干密度ρd分别为1.5，1.6，1.7，1.8 g/cm3的试样。然后密封闷料48 h以上，且中间进行搅拌，使水分扩散均匀。其中每种干密度的5个试样在0，12.5，25，50，70 kPa 5个荷载σ下固结稳定后注水，每隔2 h读数差值不超过0.01 mm时，解除荷载，取样称重，烘干并计算胀限含水率。

3 试验结果分析

3.1 干密度对胀限状态的影响

胀限是指膨胀土在充分吸水后达到的膨胀极限状态，胀限膨胀率与胀限含水率即是膨胀土处于膨胀极限状态时对应的膨胀率和含水率。泥岩在相同荷载与相同初始含水率的条件下，随着干密度的增大，胀限膨胀率也随之增大。图1为胀限膨胀率与干密度的关系曲线，由于试样较多，仅列出一部分。

图1胀限膨胀率与干密度的关系曲线

Fig.1Curveofexpansionratioinbulginglimit

conditionvs.drydensity

从图1可以看出，初始含水率为10%，干密度分别为1.5，1.6，1.7，1.8 g/cm3的重塑泥岩在无上覆荷载的条件下，最终的膨胀率分别是15.45%，17.51%，19.27%，21.44%；初始含水率为18%，上覆荷载是70 kPa时，1.5，1.6，1.7，1.8 g/cm34种干密度对应的胀限膨胀率分别是1.98%，2.72%，3.21%，4.30%。由于在相同条件下，干密度增大，泥岩内部具有吸水膨胀性的蒙脱石、伊利石与高岭石也会随之增多。因为这些亲水的黏土矿物含量的增大，当处于充足的水环境中，亲水物质遇水之后均完全发生晶胞体积的扩大使得土体产生更大的膨胀，在宏观上就会表现出更大的膨胀潜势与膨胀能力，因此出现胀限膨胀率随干密度的增大而增大的现象。

3.2 初始含水率对胀限状态的影响

试验中所有试样都处在水分充足的环境中，且根据规范2 h内膨胀量变化lt;0.01 mm即达到了膨胀极限状态。但是最终处于膨胀极限状态的重塑泥岩的含水率与膨胀率却因为初始含水率的不同而产生了变化。

图2仅列出了试验中一部分的数据，从图2中的数据可看出每条曲线均是呈下降趋势。以干密度为1.5 g/cm3、上覆荷载为70 kPa为例，初始含水率分别为10%，12%，14%，16%，18%，最终的胀限膨胀率分别为6.29%，3.85%，3.08%，2.04%，1.93%。呈现出胀限膨胀率随初始含水率增大而降低的现象。

图2胀限膨胀率与初始含水率关系曲线

Fig.2Curveofexpansionratioinbulginglimitconditionvs.initialwatercontent

胀限膨胀率变小是由于初始含水率不一样，随着初始含水率的增大，泥岩内部的一部分黏土矿物成分已经吸水发生了一定的膨胀变形，所以低初始含水率的泥岩试样因为较低的初始含水率而具有了更大的膨胀潜势。即使都是在相同充足的水环境与上覆荷载条件下，较高初始含水率的泥岩表现出了膨胀率低于较低初始含水率试样的现象。

3.3 上覆荷载对胀限状态的影响

图3的每条曲线均表明相同初始含水率与干密度的条件下，泥岩表现出胀限含水率随着上覆荷载的增大而减小的现象。在上覆荷载的作用下改变的是颗粒间的孔隙，孔隙的缩小减少了受土颗粒吸附作用影响的较弱自由水可以容纳的空间。因此，随着上覆荷载的增大，出现由于孔隙尺寸减小而导致自由水被“挤出来”的现象。并且上覆荷载越大，这种对土体的压缩作用也就越明显。于是会出现这种随着上覆荷载增大，胀限含水率减小的现象。

图3胀限含水率随上覆荷载的变化曲线

Fig.3Variationofwatercontentinbulginglimitconditionvs.overburdenload

由图4可以看出，相同初始含水率和干密度的泥岩的胀限膨胀率是随上覆荷载的增大而减小。如图4(c)中初始含水率为14%、干密度为1.7 g/cm3的泥岩， 在受到0，12.5，25，50，70 kPa的荷载作用下，最终的胀限膨胀率分别为14.86%，11.49%，8.64%，5.91%，4.59%。图4(e)中初始含水率为18%、干密度为1.5g/cm3的泥岩在受到0，12.5，25，50，70 kPa的荷载作用下，胀限膨胀率分别是8.60%，6.43%，4.25%，3.08%，1.93%。出现这种现象是因为荷载越大，会对土产生越大的压缩与抑制作用，阻止了膨胀的发生。

图4胀限膨胀率随上覆荷载的变化

Fig.4Variationofexpansionratioinbulginglimitconditionvs.overburdenload

如图5所示，在初始含水率为18%且不变的条件下，干密度为1.5，1.6，1.7，1.8 g/cm3的泥岩胀限膨胀率与上覆荷载的半对数均呈现出极好线性的关系，这与国外有关学者[9-10]及韦秉旭等[11]研究的规律一致，并且在理论上有一定的根据。其他初始含水率的泥岩也表现出了相同的线性关系。

图5w0=18%时泥岩胀限膨胀率与上覆荷载的半对数关系

Fig.5Semi-logarithmicrelationshipbetweenexpansionratioinbulginglimitconditionofmudstoneandoverburdenloadwhenw0=18%

由于在半对数关系中无法拟合σ=0这种情况，因此，本文只考虑有荷情况(σgt;0)的膨胀率，并采用式(1)进行拟合。

δmax=algσ+b。

(1)

式中：δmax为胀限膨胀率(%)；a，b是在初始含水率一定的情况下，与干密度有关的2个参数。

对图5中初始含水率为18%的不同干密度下4条曲线进行拟合，参数如表2所示。

表2 w0=18%时不同干密度下胀限膨胀率拟合参数

a，b与干密度的拟合结果如图6所示。因为a，b是与干密度有关的参数，由图6可以看出，a，b均与干密度表现出了线性关系。

因此，将a，b代入式(1)可得

δmax=(-12.454 7ρd+12.225 79)lgσ+

(30.097 64ρd-32.401 8) 。

(2)

图6w0=18%泥岩a，b参数与干密度关系

Fig.6Relationshipbetweenparametersa，bofmudstoneanddrydensitywhenw0=18%

同理，可以得到初始含水率分别为10%，12%，14%，16%下的胀限膨胀率公式，如式(3)所示。

(3)

由式(2)、式(3)可以统一整理为式(4)，其中e，f，g，h均是与初始含水率有关的参数，如表3所示。

δmax=(eρd+f)lgσ+(gρd+h) 。

(4)

表3 胀限膨胀率回归参数

对e，f，g，h4个参数与初始含水率进行多次拟合可得式(5)—式(8)。

e=-0.550 85w0-2.290 18 ;

(5)

f=0.999 54w0-5.571 1 ;

(6)

g=0.331 14w0+24.109 59 ;

(7)

h=-1.348 89w0-8.074 4 。

(8)

于是，可将式(5)—式(8)代入式(4)得到式(9)。

δmax= [(-0.550 85w0-2.290 18)ρd+(0.999 54w0-

5.571 1)]lgσ+[(0.331 14w0+24.109 59)ρd+(-1.348 89w0-8.074 4)] 。

(9)

式(9)即是低黏土矿物含量泥岩的胀限膨胀率公式，通过式(9)可预测泥岩的最大膨胀率。

4 公式验证

笔者除了试验之外，还对拟合的公式进行了验证，胀限膨胀率实测值与公式预估值如表4所示。

表4 胀限膨胀率试验值与预估值对比

从表4中的试验值与式(9)预估值对比可以发现，尽管预估值与试验的实测值有一定误差，但是，从误差范围可以看出，所有误差均在8%以内，可较为近似地反映出真实的膨胀状况。表明了公式的合理性，即可以采用拟合出的公式对于实际工程中的膨胀进行预测，为工程提供指导。

5 结 论

(1)根据现有规范判定为无膨胀性的低黏土矿物含量的泥岩仍具有膨胀性，其微弱的膨胀对精度要求极高的高速铁路工程具有潜在的破坏性，应引起重视，并采取预防措施。

(2)在初始含水率与荷载不变的条件下，泥岩的胀限膨胀率随干密度的增大而增大；在上覆荷载与干密度不变的条件下，随着初始含水率的增大，胀限膨胀率呈现出减小的现象；在初始含水率与干密度不变的条件下，泥岩的胀限膨胀率与胀限含水率都随上覆荷载的增大而减小，并且膨胀率与上覆荷载的半对数呈线性关系。

(3)试验针对低黏土矿物含量泥岩根据试验结果拟合出了预测胀限膨胀率的公式，根据验证误差较小可知，可以使用此公式对膨胀进行预测并采取措施，减少损失。

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(编辑：罗 娟)

Expansion Test of Mudstone with Low Content of Clay Minerals under Overburden Load

WANG Chong1，WANG Qi-cai1,2，ZHANG Rong-ling1,2,3，MA Li-na1， XUE Yan-jin1，CUI Xiao-ning1，LI Jin-qian1，WANG Bing-zhong1

(1.School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China;2. National and Provincial Joint Engineering Laboratory of Road amp; Bridge Disaster Prevention and Control,Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070,China;3.Key Laboratory of Road amp; Bridge and Underground Engineering of Gansu Province, Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

Mudstone with low content of clay minerals is determined not expansive by existing railway standards. However,it is still of weak expansion in water,and has potential damage to high-speed railway which is tolerable to a deformation of only 4 mm. In this article,we take the reshaped mudstone with low content of clay minerals in the foundation of a high speed railway as research object, and analyze the effects of initial water content, dry density and overburden load on the bulging limit condition by expansion test under overburden load. Results show that:1) expansion ratio of mudstone in bulging limit condition increases with the increase of dry density when initial water content and overburden load are stable;2)the greater the initial water content is, the smaller the expansion rate in bulging limit condition is when dry density and overburden load are stable;3) expansion rate and water content in bulging limit condition both decrease with the increasing of overburden load when the initial water content and dry density are stable. Furthermore, we obtained the fitting calculation formula of expansion rate in bulging limit condition of mudstone. Verification result shows that the difference between measured value and predicted value by the formula of expansion rate in bulging limit condition is small. The fitted formula could be used to predict expansion in practical engineering to provide guidance for engineering.

mudstone；low content of clay mineral；weak expansion；expansion test under overburden load;expansion rate in bulging limit condition

10.11988/ckyyb.20160761 2017,34(11):107-111

2016-07-31；

2016-08-31

教育部长江学者和创新团队滚动支持发展计划项目(IRT_15R29)；中国铁路总公司科技研究计划项目(Z2015-G001)

王 冲(1993-)，男，陕西宝鸡人，硕士研究生，主要从事岩石力学试验研究，(电话)0931-4938000(电子信箱)wangchong1993121@qq.com。

王起才(1962-)，男，河北晋州人，教授，博士生导师，博士，主要从事建筑材料方面的研究，(电话)0931-4955662(电子信箱)2536507233@qq.com。

TU45

A

1001-5485(2017)11-0107-05