软岩填料湿化变形规律

殷坤垚, 杜秦文, 刘 辉

(长安大学公路学院，西安 710064)

粗粒料的湿化变形指材料浸水后由于软化及颗粒破碎、滑动等作用而重新排列引起的变形，其计算是设计中急需解决而没有完全解决的关键技术问题之一[1]。长期以来，众多学者对此进行了研究[2-7]。张少宏等[8]认为湿化应力与湿化变形之间存在双曲线关系，但湿化应力-应变的初始切线模量与周围压力之间的关系并不完全符合Janbu公式。丁艳辉等[9]重点研究了堆石料湿化变形的过程、特性及发生机制，认为可将堆石料湿化变形划分为湿化瞬时变形和湿态流变变形两个部分。姜景山等[10]采用CT三轴湿化变形试验探讨了湿化变形的细观机理。周雄雄等[11]认为湿化体变与湿化轴变的比值k、平均主应力p和广义剪应力q三者满足扭面关系，认为湿化轴变与湿化应力水平呈双曲线关系。傅华等[12]分析了不同密度、不同围压、不同应力水平状态对堆石料进行浸水后变形特性的规律，指出在围压和应力水平增加超过某一范围后，堆石料的湿化轴向应变明显增大。

以往研究工作大多是针对坝体硬质岩石堆石料进行的，对于软质岩石湿化变形的研究工作相对不充分。公路行业一般认为原岩的饱和单轴抗压强度为5～30 MPa的为软质岩石[13]。荷载作用下软质岩石填料无疑会发生更大的湿化变形[14]。张小洪等[15]认为软质岩石的湿化变形机理可能发生了变化，导致软岩与硬质岩石粗粒料的湿化变形存在差异。张丹等[1]指出固定围压条件下，当对软岩粗粒土试样进行增湿时，含水率5%就能引发几乎全部的增湿变形。刘新喜等[16]研究了强风化软岩作用路基填料的适宜性，认为其所研究的强风化软岩填料的轴向应变临界值约为2%，强风化软岩的湿化不仅产生较大的附加轴向应变，而且还能引起相当大的附加体积应变和偏应变。王刚等[17]采用邓肯-张E-B模型和有限元方法分析了软岩填料坝体的变形。刘永军[18]、杜秦文等[19]和杜艳艳等[20]采用大型三轴、室内三轴等方法，研究了秦巴山区不同种类的软岩填料湿化变形规律，提出了湿化变形经验计算公式。

由上可知，软质岩石湿化变形规律有其自身的特点，但目前的研究工作还远未充分。山区公路建设实践中，一般要求将隧道弃渣和削坡弃方尽量全部用于路堤填筑。对其机理和规律进行更加深入和细致的分析工作，在研究和实践中都具有重要价值。对取自秦岭北麓的软岩填料的变形和湿化变形规律进行了试验研究，以期得出湿化变形计算公式。

1 软岩湿化变形试验

1.1 试验材料及试验设备

图1 试验材料及正交偏光下岩石显微结构

试验用料如图1(a)所示，利用正交偏光显微镜观察经磨片机磨片后的试样原岩，如图1(b)所示，通过偏光试验分析原岩的矿物成分及含量，试验结果如下：岩石具有角砾状结构，鳞片状变晶结构，石英含量为45%～50%；绢云母含量为35%～45%，碳酸盐矿物含量为10%～15%，定名为灰褐色绢英岩。

试样的单轴饱和抗压强度为26.13 MPa。规范[13]规定单轴饱和抗压强度为5～30 MPa的岩石为软岩。集料筛分后得到级配如图2所示，试样最大粒径20 mm，不均匀系数Cu=5.3，曲率系数Cs=1.47。

试验设备采用英国GDS公司生产的电机控制静三轴仪，该仪器主要由五部分组成，如图3所示，可通过应力应变两种控制方式完成三轴压缩试验。该仪器的主要技术参数如表1所示。

图2 试验材料的级配曲线

①为压力室；②为压力室底座；③为反压控制器；④为围压控制器；⑤为计算机及数据采集系统

表1 GDS三轴仪主要技术参数

1.2 试验方法

试样尺寸为φ101 mm×200 mm，制样干密度控制为2.1 g/cm3，采用分层击实法进行制样[9,14]，制备完成的试样如图4所示。在50、150、200、300 kPa围压条件下，分别对风干及饱和试样均进行固结排水试验，饱和样采用饱和水头法[21]进行饱和。试验中轴向剪切速率为0.2 mm/min，至轴向应变达15%卸载。

2 试验结果及分析

2.1 应力-应变关系

如图5所示为4种围压条件风干及饱和状态试样的应力-应变曲线。

εa表示试样的轴向应变，σ1-σ3为轴向偏应力，下同

可以看出：①4种围压条件下，风干与饱和状态试样的应力-应变曲线变化规律类似，随着围压的增大，相同的竖向偏应力增量引起的轴向应变增量呈减小趋势；②相同竖向偏应力下饱和状态填料轴向应变更大，这是由于试验过程中，饱和状态填料发生了更多的湿化变形，包括更多的破碎等；③风干状态下的应力-应变曲线上竖向偏应力具有“峰值”，类似于“软化型”曲线规律；对应于从小到大的4种围压，其峰值分别约为428、999、1 214、1 466 kPa，可以看出，随着围压的增大，曲线对应的峰值在逐渐增加，但增加幅度呈减小趋势；对应的轴向应变分别约为9.73%、8.67%、7.07%、6.89%，即达到峰值时期轴向应变逐渐减小。这与围压的约束作用有关；④饱和状态下的应力-应变曲线，除在试验中最低围压50 kPa条件下的曲线略呈现出“峰值”外，其他三种更高围压下的曲线“峰值”不明显，类似于“硬化型”曲线特征。这与饱和状态下填料发生了更多的软化、破碎，以及填料颗粒间因为水的润滑更容易发生相对位移有关；⑤随着围压的增大，无论是风干状态还是饱和状态的填料，其应力-应变曲线均有由“软化型”向“硬化型”发展的趋势，即其曲线上的“峰值”由较明显向不明显发展，这是围压的约束作用所造成。

2.2 湿化变形规律

采用双线法研究试验中填料的湿化变形发展规律：将同一应力状态下风干及饱和条件下试样的应变差值，作为试样在该应力状态下的轴向湿化应变：

(1)

图6 不同围压下Δεa与σ1-σ3关系曲线

可以看出：①不同围压下的湿化应变曲线均存在“拐点”，将湿化应变曲线分为两个阶段，随着竖向偏应力增加，初始阶段中湿化应变增加较小；②在各曲线“拐点”之前的初始阶段中，不同围压条件下的各条曲线非常贴近，说明该阶段中，围压不是湿化变形大小的主要影响因素。该特点在其他软岩填料湿化变形研究成果中也有表现[1,18,20]。这一特点可能也与其原岩矿物成分、含量等因素有关，值得提出并进行更进一步的探讨；③不同围压条件下各曲线的“拐点”位置不同，随着围压增大，湿化应变曲线上“拐点”位置逐渐向后移动，表明围压的约束作用，使湿化应变大量发生所需要的竖向偏应力更大。围压对湿化变形过了“拐点”进入第二阶段后的发展规律影响明显。

以竖向偏应力和围压的比值χ，作为无量纲偏应力，如式(2)所示，整理绘制χ-Δεa关系曲线，如图7所示。

(2)

图7 各围压条件下χ与Δεa,ur关系曲线

类似图6、图7所示不同围压下曲线也都存在“拐点”。将图7中各曲线“拐点”对应的纵坐标Δεa，定义为“临界湿化应变”，用Δεa,ur表示；对应的χ用χur表示，可称为“无量纲临界偏应力”。可以看出，图7中各曲线发展到临界值χur之后，不同围压下，湿化应变相对大小情况较为复杂，这是因为图7中各曲线达到“临界湿化应变”的先后不同，即对应的χur值的大小不同。

由图7中数据可得，围压分别为50、150、200、300 kPa情况下，Δεa,ur分别为0.40%、0.65%、0.90%、0.92%，对应的χur分别约为4.03、3.71、3.54、3.51。可以看出随着围压的增大，“临界湿化应变”呈现逐渐增大并趋于稳定的规律；“无量纲临界偏应力”减小并也呈现出趋于稳定的趋势。

3 湿化变形公式

不同围压下σ1-σ3与Δεa的关系曲线形态类似双曲线关系，即：Δεa与Δεa/(σ1-σ3)呈线性关系，如图8所示。将其表达为如式(3)形式：

(3)

式(3)中：a、b均为拟合参数，可得到各围压条件下参数a、b的值，如表2所示。

图8 各围压下Δεa/(σ1-σ3)与Δεa关系曲线

表2 各围压下参数a、b的值

可以看出：参数a随着围压的增大逐渐减小，参数b随围压的增大逐渐增加，a、b与围压均近似成线性关系，令：

(4)

式(4)中：m1、m2、n1、n2为拟合参数；σ3为围压，Pa=101 kPa。根据围压为50、150、200 kPa条件下的试验数据可得：

(5)

将式(1)代入式(3)得：

(6)

将式(4)、式(5)代入式(6)，可得饱和状态下该软岩填料的应变与围压之间的经验公式：

(7)

将式(7)的计算结果与围压200 kPa条件下的另一组独立的试验数据进行比较，结果如图9所示，二者吻合较好。

图9 200 kPa围压下试验结果与经验公式计算结果对比

4 结论

主要分析了风干和饱和状态软质岩石填料在不同围压条件下的变形规律；采用双线法，分析了其湿化变形发展规律，得到了以下主要结论。

(1)围压不但对软岩填料应变规律有影响，还对其湿化应变规律有影响；相较风干状态填料，其对饱和状态下填料的变形及湿化变形影响更大。

(2)风干和饱和状态下填料的应力-应变曲线特征分别呈现出类似“软化型”和“硬化型”曲线的特点；随着围压增大，都表现出由“软化型”向“硬化型”发展的趋势。

(3)填料湿化应变发展表现出两个阶段，随着竖向偏应力增加，初始阶段湿化应变增大相对平缓，直到“临界湿化应变”后的第二阶段，湿化应变迅速增加，工程实践应对此给予足够重视。

(4)在湿化应变的初始阶段，围压不是其主要影响因素，该规律在其他软岩填料湿化变形研究工作中也有体现，值得提出并进一步研究。

(5)湿化应变在过了临界值后的第二阶段，随竖向偏应力的增加而显著增加，此阶段中围压对其影响作用明显：随着围压的增加，“临界湿化应变”逐渐增大并趋于稳定；对应的“无量纲临界偏应力”逐渐减小并也呈现趋于稳定的趋势。

(6)变质软岩湿化应力与应变呈现双曲线关系，利用3种围压条件的试验数据得到了湿化应变计算公式，并与独立的第4种围压试验数据进行的比较，结果吻合较好。该公式可用于考虑浸水影响的软岩填料路堤变形分析。