压实作用对泥岩膨胀性及水分迁移影响

张唐瑜，马丽娜,2，张戎令,2,3，王起才,2，王天双

(1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2.兰州交通大学道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，甘肃 兰州 730070；3.卡迪夫大学工程学院，英国 CF24 3AA)

0 引言

膨胀土是一种高塑性的特殊土，其变形与破坏具有反复性和长期潜在性等特点，对房屋、管道、铁路等工程的安全极为不利，对国民经济造成巨大损失，工程界常称之为灾害性土[1]。

关于膨胀性土的研究具有区域性和工程具体性，国内外学者对其各种性质进行了大量研究并取得了颇有价值的理论成果。孙德安等[2]采用饱和盐溶液蒸汽平衡法测量了压实南阳膨胀土在不同吸力下含水率和孔隙比等一系列土水特性。王晓燕等[3]利用CT(Computerized Tomography)机对南水北调中线工程膨胀土击实样细观结构演化进行了无损实时动态扫描。王文良等[4]以安康地区膨胀土为研究对象，进行了膨胀土及石灰改良膨胀土膨胀性能和强度的相关试验，提出使用石灰改良膨胀土对飞机跑道进行地基处理。文松松等[5]采用宁明膨胀土为研究对象，开展了膨胀土在蒸馏水饱和环境下的膨胀特性研究，探究了其膨胀机理。SUN D A等[6]通过研究高庙子膨胀土与砂土组成的混合土的膨胀性，提出了可以预测不同干密度和不同膨胀土/砂土比的混合土的膨胀变形和膨胀力公式。

上述研究对进一步理解膨胀土的变形特性及膨胀量的预测都具有一定的实际工程意义，但其主要集中在对小型膨胀土样的特性研究，实际工程中，岩土体膨胀伴随水分迁移，对较大尺寸高速铁路膨胀泥岩地基膨胀性及水分迁移研究尚不多见。而工程现场地基均以大体积泥岩为主，进行较大尺寸膨胀特性研究更接近现场实际情况。从土工试验技术本身发展来看，大尺寸土工试验的应用，可以更大程度上降低岩土试样的局部缺陷、取样扰动等不可避免的随机因素，使试验更宏观化，在同样仪器精度下，提高试验成果的精度和可靠度[7]。因此，对较大尺寸膨胀泥岩地基进行膨胀及水分迁移试验研究变得更为必要。

本文依托兰新高铁第二双线，钻取一处典型膨胀地段的泥岩，在室内进行三组较大尺寸试验研究，对比分析压实作用对泥岩膨胀及水分迁移的影响，并采用体式显微镜对泥岩进行微观结构分析。为膨胀泥岩地区高速铁路的修建提供参考依据。

1 试验设计及过程

共进行3种不同干密度(干密度分别为1.4 g/cm3、1.5 g/cm3、1.6 g/cm3)的试验，对比分析压实作用对较大尺寸泥岩膨胀性及水分迁移的影响。

1.1 土样性质

试验泥岩取自兰新高铁第二双线DK1236处，采用钻机取样，取样深度8～13 m。按照规范[8]测得其物理力学指标见表1。

表1 泥岩基本物理力学指标

1.2 试验过程

(1)在试验开始前，将岩芯碾细，置于50°恒温烘箱内将泥岩彻底烘干，以避免钻芯过程中残留水分对试验的影响；

(2)为排除泥岩粒径过大影响水分迁移规律，使得粒径对水分迁移的影响降至最小并保留实际泥岩中的颗粒，将烘干泥岩过5 mm筛以备后期夯实；

(3)实际工程现场分析中假定大地为半无限体，只发生竖向膨胀。本次试验为限制泥岩侧向膨胀变形，加工直径32 cm，高45 cm，厚2 mm的钢制试验箱进行试验；

(4)使用手夯锤人工分层夯实泥岩，通过控制夯实的质量及每层的夯实厚度来控制试样的均一性，并在分层处进行凿毛处理，三组试验夯实厚度均为40 cm，将TDR-4型湿度传感器布置在距离试验箱底部2 cm、18.5 cm和35 cm处，用以测定试验箱水分迁移速度及规律。TDR-4型湿度传感器外形呈四针圆柱结构，探针材料为316L不锈钢，密封材料为ABS工程塑料，测试精度达到2%，属埋入式水分测量仪器，其抗压能力强，满足试验强夯的要求；

(5)试验为竖向注水，为防止水流对土体产生冲刷，在夯实泥岩顶部放置一块直径30 cm、厚3 cm、带孔的圆形塑料渗水板。

(6)在渗水板上沿直径布置量程50.000 mm，精度0.001 mm的位移传感器以量测泥岩的膨胀量，位移传感器布置3个用于相互校准；

(7)传感器布置完后进行注水及读数工作，试验中保持渗水板上一直有水，每天进行至少6次读数以保证数据的连续性，当所有传感器读数均基本稳定，则结束试验；

(8)试验示意图如图1所示，试验由注水系统(a)、数据采集系统(b)和试验箱(c)组成。

图1 试验示意图Fig.1 Testing diagram1—位移传感器；2—渗水板(带孔)，方便水流入渗；3—夯实泥岩；4—钢制试验箱；5—湿度传感器；6—注水方向(由上往下)。

2 数据分析

2.1 干密度对泥岩膨胀性的影响

以试验历时为横坐标，不同干密度下泥岩的膨胀量为纵坐标进行绘图(图2)。

图2 不同干密度泥岩膨胀历时图Fig.2 Swelling diagram of mudstone with different dry densities

由图2可知，该地区泥岩在浸水之后确实会发生膨胀，再一次印证了课题组马丽娜等[9-13]的观点。随着时间的增加，膨胀量呈非线性增加，不同干密度状态下的泥岩膨胀均经历初期快速陡增阶段、中期膨胀减缓阶段和后期膨胀稳定阶段；干密度越小的泥岩经历初期快速陡增阶段时间越短，陡增速率越大；试验结束时，干密度为1.4 g/cm3、1.5 g/cm3、1.6 g/cm3的泥岩最终膨胀量分别为9.265 mm、12.635 mm和16.562 mm，最终膨胀率为2.316%、3.159%和4.141%。

图3为不同干密度对应膨胀量及膨胀率关系图。由图3可知，稳定膨胀量和稳定膨胀率均随着干密度的增加呈近似线形增加。

图3 干密度与膨胀量、膨胀率关系图Fig.3 Relationship between the dry density and swelling increment and swelling rate

分析产生上述现象的原因：泥岩对水分敏感，一经浸水，立即发生膨胀，因此出现初期膨胀陡增现象；膨胀的产生除了与自生的性质相关外，外力对其影响也较大，相同性质的泥岩，压实过程也即固结过程对膨胀有一定的抑制作用，干密度越大，其压实作用也越大，从而产生陡增速率随着干密度的增加逐渐减小的现象；相同体积的泥岩，其干密度越大，则所含的膨胀性成分越多，储存的膨胀能也越大，因此干密度大的泥岩最终膨胀量大。

2.2 干密度对泥岩水分迁移的影响

泥岩的膨胀与水分迁移息息相关，以试验历时为横坐标，试验箱不同位置处泥岩体积含水率为纵坐标进行绘图。在各不同压实作用下的泥岩中所量测的体积含水率增长规律相同，以1.4 g/cm3泥岩试验箱为例进行论述，如图4所示，其他试验箱体积含水率增长时程曲线不再进行赘述。

图4 体积含水率变化曲线(1.4 g/cm3)Fig.4 Volumetric moisture content curve (1.4 g/cm3)

由图4可知，试验箱中不同位置处泥岩体积含水率随时间均呈非线性增大，最后趋于一定值；其增大规律均相同，增大过程均呈跳跃式快速增长阶段、外凸弧线缓慢增长阶段和后期稳定阶段；干密度为1.4 g/cm3的泥岩上部、中部和底部稳定体积含水率分别为53.48%、53.26%和56.33%，同理可得其他两组试验箱各不同位置处的稳定体积含水率(表2)。

表2 泥岩稳定体积含水率

由表2可知，1.4 g/cm3试验箱上部泥岩和中部泥岩体积含水率几近相同，而底部泥岩体积含水率大于上部和中部泥岩的体积含水率；干密度为1.5 g/cm3的泥岩不同位置处泥岩体积含水率近似相同；干密度为1.6 g/cm3的泥岩上部、中部和底部稳定体积含水率分别为呈上部>中部>底部的规律，随着深度的增加，体积含水率呈减小趋势。

分析上述实验现象：干密度1.4 g/cm3的泥岩孔隙率较大，在该干密度状态下大气影响深度较夯实泥岩厚度大许多，水分易于在该压实状态下迁移，在重力作用下水分向下运动，在试验结束时在试验箱底部有一定的水分积累，因此，该干密度状态下的试验箱底部体积含水率较上部和中部大；干密度1.6 g/cm3的泥岩压实度最大，其孔隙率最小，大气影响深度较1.4 g/cm3的泥岩减小较多，水分越往下越难以渗透，另外，水分在泥岩中迁移的同时发生膨胀，膨胀使得土颗粒之间相互挤密，已浸水膨胀泥岩与上覆水层形成密封层，不利于水分向下迁移，从而导致试验箱越深处的泥岩体积含水率越小；干密度1.5 g/cm3的泥岩，其大气影响深度介于其他两个试验箱之间，泥岩膨胀挤密作用适中，因此试验结束时该试验箱不同位置处泥岩体积含水率相同。

泥岩体积含水率增量与其所处的湿度状态相关，以体积含水率为横坐标，体积含水率增量为纵坐标进行绘图，以干密度1.4 g/cm3泥岩为例(图5)。

由图5可知，泥岩在体积含水率较低时体积含水率增量最大，之后急剧减小，最后趋于稳定。经分析是由于体积含水率低时其基质吸力较大，此时水分迁移速度较快，因此体积含水率增长较快，浸水后泥岩基质吸力急剧减小，此时体积含水率增量较小。

图5 体积含水率增量曲线Fig.5 Volumetric moisture content increment curve

由上述分析可知，当水分迁移到湿度传感器位置时，湿度传感器读数会发生骤增，因此可通过体积含水率骤增点的时间来计算水分在泥岩中的平均迁移速度(表3)。其中T上表示注水开始至上部湿度传感器发生骤增所需要的时间，V上表示水分在上部传感器与土体表面之间的迁移速度。

由表3可知，水分迁移受干密度影响较大，随着干密度的增加，水分在不同干密度的试验箱中迁移相同距离所需要的时间逐渐增加，水分迁移速度逐渐减小。

表3 水分迁移规律

3 微观分析

岩土体微观结构特征是岩土体的一个重要物理指标，通过对微观结构的研究，可以对岩土体的各种物理力学现象给出最合理的解释[14]。因此，对泥岩进行微观结构分析很有必要。

3.1 试验准备

试验采用体式显微镜(AxioCam MRc5 2.0)对泥岩的微结构进行直观观察。该体式显微镜在150倍(×150)及150倍以下可以得到较好的观察效果；用150倍以上倍数观察岩土试样，对岩土体试样平整度以及灯光的要求较高，难以得到理想的观察效果，试验选用较大的过筛泥岩颗粒，对其进行膨胀前后观察。

3.2 结果分析

试验选择在80倍(×80)、100倍(×100)、150倍(×150)状态下将泥岩膨胀前后的结构进行对比分析(图6)。

图6 膨胀前后结构对比图Fig.6 Comparison of the structures before and after expansion

由图6中膨胀前的结构可以看出泥岩颗粒无层理构造，颗粒分明，有大量晶型完整的石英矿物颗粒，石英颗粒粒径均匀,有一定磨圆度，颗粒与颗粒接触较少，杂乱无序地镶嵌于黏土基质中，与黏土体颗粒共混；岩土体孔隙较为发育，孔径大小不定，连通性较好，可为水分迁移提供通道；裂隙不发育，偶见裂隙，无层理构造，黏土基质可见氧化铁染红现象，颜色较浅；石英颗粒与黏土基质粘结较强，结构致密。泥岩浸水膨胀之后，泥岩呈泥质状态，土体颗粒较膨胀前模糊；氧化铁染红现象加剧；石英颗粒与黏土矿物之间界限模糊，偶见石英颗粒；石英颗粒与黏土矿物之间粘结发生破坏，水分在泥岩孔隙中迁移，使得更多黏粒成分浸水膨胀，从而使得泥岩总体积增大。

4 结论

进行了三组较大尺寸的试验研究，并采用体式显微镜进行了微观结构分析，得到如下结论：

(1)不同干密度状态下的泥岩膨胀均呈三段式膨胀，包括：初期快速陡增阶段、中期膨胀减缓阶段和后期膨胀稳定阶段，干密度小的泥岩陡增速率大，干密度大的泥岩反之；

(2)随着干密度的增加，泥岩最终膨胀量和最终膨胀率近似呈线形增加；

(3)不同干密度、不同位置处泥岩体积含水率增大规律相同，增大过程均呈跳跃式快速增长阶段、外凸弧线缓慢增长阶段和后期稳定阶段；干密度越大，膨胀挤密效果越明显，大气影响深度越小，泥岩水分迁移速度越小；

(4)该地泥岩泥岩中存在较为发育且连通性较好的孔隙，孔隙的存在利于水分的迁移，使得泥岩易于膨胀。