酸性环境对红层泥岩公路路基填料崩解特性的影响研究

阮 毅，柳光磊,2*，刘志芳，文 凭

(1.兴义民族师范学院物理与工程技术学院，贵州 兴义 562400；2.湖南科技大学资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭 411201)

红层泥岩在贵州兴义地区分布广泛，该红层泥岩在施工现场裸露出来之后极容易发生风化，其遇水崩解性质较强。由于该地区常年湿润、降雨频繁，从而加速了该地区红层泥岩的崩解。红层泥岩经过人工破碎之后用于公路路基填料能产生较大的经济与社会效益，然而其内部大颗粒的崩解会导致公路路基填料的工程性质发生变化，从而对公路路基的整体稳定性产生影响。因此，红层泥岩崩解特性的研究一直都是岩土工程的热点问题。

酸雨是我国主要的环境问题之一，其主要是由燃烧大量含硫高的煤炭以及汽车尾气的大量排放所导致。酸雨对岩土体的影响已受到众多学者的关注，如刘永胜研究发现水化学腐蚀能降低岩石强度；丁梧秀等研究认为化学溶液会导致岩石产生结构损伤；Zhang等研究发现酸雨能够加速微生物对有机物的分解，导致岩石滑带的抗剪强度降低而引发滑坡；黄明等研究了不同酸碱环境中软岩崩解的能量耗散；邓涛等研究了酸碱环境对泥质页岩崩解的影响。此外，干湿交替作用对软岩崩解的影响也受到众多学者的关注。

然而，现有的研究中对于酸雨侵蚀条件下红层泥岩公路路基填料崩解性质的影响研究较为不足。考虑到红层泥岩分布地区发生的自然灾害及其对工程建筑的影响，本文采用室内干湿循环崩解的试验方法，对贵州兴义地区的红层泥岩试样在不同pH值溶液中的崩解特性展开了试验研究，并对红层泥岩试样崩解之后崩解物各粒组累计百分含量以及各组红层泥岩试样崩解后崩解物基于质量与粒径关联的分形维数的变化情况进行深入分析，研究了酸性条件下红层泥岩公路路基填料崩解试验的干湿循环效应与分形特征。

1 红层泥岩干湿循环崩解试验

1.1 工程概况

拟建公路位于贵州省兴义市，拟建场地属于构造、剥蚀低中山丘陵地貌，原始地形复杂，起伏变化较大，经过一定程度的挖填方整平施工，现状地形稍有起伏。

根据现场踏勘以及搜集周边资料，推测拟建场地地层结构属多层型，地表为人类近期活动形成的耕植土，上部为比较厚的第四系人工素填土层(Q)和残坡积(Q)粉质黏土(全风化红层泥岩)层和块石层，其下分布的是三叠系上统大箐组上段(T

dq

)强至中风化粉砂岩。在该公路路基填筑过程中，现场有大量的红层泥岩分布，因此路基的填筑大多采用该土层。拟建公路路基填筑现场如图1所示。

图1 拟建公路路基填筑现场Fig.1 Subgrade filling site of the proposed highway

1.2 研究问题的提出

随着公路施工进度的推进，红层泥岩越来越多地裸露在空气中，如图2所示。裸露在空气中的红层泥岩在季节性降雨条件下极容易发生解体，其在路基填筑之后将对路基的整体稳定性产生一定的影响。此外，由该地区的水质分析结果可知，该地区酸雨较为频繁，裸露在空气中的红层泥岩常常受到酸雨的侵蚀。因此，本文开展了酸性条件下红层泥岩公路路基填料崩解试验的干湿循环效应与分形特征研究。

图2 裸露在空气中的红层泥岩Fig.2 Red mudstone exposed in air

1.3 红层泥岩基本物理力学性质

本试验采用的红层泥岩取自上述工程现场，取样后运送至实验室立即加工成所需试样开展室内试验研究。先将红层泥岩加工成所需试样，在实验室内进行剪切试验研究，得到红层泥岩试样的天然重度为20.5 kN/m，黏聚力为45.5 kPa，内摩擦角为13.2°；然后对多组红层泥岩粉末进行X-射线衍射(XRD)试验，得到红层泥岩试样的矿物成分(见图3)以及红层泥岩试样各组成矿物的百分含量(见表1)。

图3 红层泥岩试样的X-射线衍射(XRD)试验结果Fig.3 X-ray diffraction analysis of the red mudstone samples

表1 红层泥岩试样中各组成矿物的百分含量Table 1 Percentage content of constituent mineral of the red mudstone samples

由表1可知，该地区红层泥岩中主要矿物为石英和方解石，其含量分别为37.61%和29.37%，同时也含有蒙脱石、伊利石、高岭石等黏土矿物。

1.4 试验方案

软岩崩解与试验样品的关联性很大，为了保证各试验样品的结构和裂隙等基本保持一致，本试验所采用的红层泥岩样品均取自同一施工现场的同一位置，不同试验样品的加工方法均相同。本次红层泥岩试样的室内干湿循环崩解试验方案参考《水利水电工程岩石试验规程》(DL/T 5368—2007)进行设计，试验方法包括：饱水操作、干燥操作、干湿循环次数的选取和崩解后样品尺寸统计等过程，详细的操作步骤如下：

(1) 饱水操作：参考黄明等、邓涛等在酸碱环境中对软岩崩解的研究，采用pH值分别为3、5、7的溶液对红层泥岩试样进行饱水，对应的红层泥岩试样编号分别为DP01、DP02、DP03。考虑文章篇幅，图4(a)仅给出了pH值为3时溶液中红层泥岩试样的饱水过程。

(2) 干燥操作：饱水操作完成后将红层泥岩试样在105～110℃的环境中干燥，直至试样质量恒定不变。

(3) 干湿循环次数的选取：干湿循环次数的选取考虑了红层泥岩试样崩解的进程，选取试样崩解基本稳定后的干湿循环次数，本试验取10次干湿循环试验。

(4) 崩解后样品尺寸统计：每次干湿循环之后，采用标准筛对红层泥岩试样崩解后崩解物样品的各粒组百分含量进行称量。考虑文章篇幅，图4(b)仅给出了pH值为3时溶液中红层泥岩试样崩解后的崩解物。

图4 红层泥岩试样室内干湿循环崩解试验Fig.4 Laboratory dry and wet cycle disintegration test of the red mudstone samples

2 红层泥岩崩解试验结果与分析

2.1 红层泥岩崩解物各粒组累计百分含量分析

根据以上不同酸性溶液中红层泥岩室内干湿循环崩解试验结果，可以得到红层泥岩试样崩解后崩解物的级配分布情况，图5为3组红层泥岩试样干湿循环10次过程中每次干湿循环之后崩解物的级配分布曲线。

图5 红层泥岩崩解物各粒组累计百分含量与粒径的关系曲线Fig.5 Relationship curves between accumulated percentage content and particle size of fractions of red mudstone disintegration in solution of different pH values

由图5可以看出:

(1) DP01、DP02试样崩解物级配分布曲线的形状具有一定的相似性，该曲线的形状为S形[见图5(a)、(b)]，说明红层泥岩崩解物的级配分布比较均匀，在各粒组均有一定含量的颗粒分布，表明红层泥岩试样的崩解比较充分。

(2) DP03试样崩解物级配分布曲线的形状则稍有不同，该曲线的形状表现出了双曲线特征[见图5(c)]，说明红层泥岩崩解物主要为大粒径的颗粒，小粒径颗粒的含量很少，以至于粒径较小时对应的级配分布曲线非常平缓，表明红层泥岩试样的崩解不充分。

上述试验结果表明，pH值越小,溶液中红层泥岩崩解物的级配分布越均匀，崩解越充分,反之则崩解物以大颗粒为主，崩解不充分；3组红层泥岩试样各粒组累计百分含量与粒径的关系曲线整体上均表现出相似的变化规律，可归纳如下：随着干湿循环次数的增加，红层泥岩崩解物的级配分布曲线的形状基本保持不变，但该曲线整体逐渐向上移动，干湿循环次数越多其增量越小，反映出其崩解速率缓慢降低，最终将会趋于某一定值，从而达到稳定。

2.2 红层泥岩崩解物的分形维数研究

2.2.1 软岩崩解物分形维数的计算方法

软岩崩解物的级配分布满足分形理论，其结构演化的几何特征或物理力学演化的数学特征都具有自相似特征。分形维数

D

的定义如下：

(1)

式中：

x

为尺度；

N

(

x

)为该尺度下获得的测量值；

D

为研究对象的分形维数。

分形维数可以通过数量分形理论进行求解，但要准确测量红层泥岩崩解后的碎块数量是相当困难的，因此本文采用筛孔直径来确定红层泥岩崩解后的颗粒粒径大小，并称量颗粒质量来计算分形维数。

令

M

为红层泥岩崩解后崩解物试样的总质量，

ε

为标准筛的孔径，

M

(

ε

)为粒径小于

ε

的崩解物试样质量。红层泥岩崩解后崩解物可以通过实验室筛分得到

M

(

ε

)，崩解物满足如下分布函数：

(2)

其中，

σ

为与平均尺度相关的量，当

ε/σ

≤1时，上式可表示为

(3)

则有：

d

M

∝

ε

-1d

ε

(4)

结合公式(1)，可得：

d

N

(

x

)∝

ε

--1d

ε

(5)

故分形维数

D

为

D

=3-

b

(6)

2.2.2 红层泥岩崩解物的分形维数计算及分析

根据上述不同pH值溶液中红层泥岩崩解的试验结果，采用红层泥岩崩解物的分形理论，计算得到各组红层泥岩试样崩解物的分形维数，并给出了采用分形理论对试验数据进行回归拟合分析的拟合优度

R

，见表2。

表2 不同pH值溶液中红层泥岩试样崩解物的分形维数(D)和拟合度(R2)Table 2 Fractal dimension (D) and goodness of fit (R2) of disintegration of red mudstone samples in solution of different pH values

由表2可知，采用分形理论能够很好地分析红层泥岩的崩解情况，各组红层泥岩试样的拟合优度均在0.951 2以上。

图6给出了不同pH值溶液中红层泥岩试样崩解物的分形维数与干湿循环次数的关系曲线。

图6 不同pH值溶液中红层泥岩试样崩解物的分形维数与干湿循环次数的关系曲线Fig.6 Relationship of fractal dimension of red mudstone samples disntegration and dry-wet cycle numbers in solution of different pH values

由图6可见，不同pH值溶液中红层泥岩试样崩解物的分形维数在干湿循环次数较少时增长迅速，在第2次干湿循环后试样崩解物的分形维数增长速率开始减小，并在第6次干湿循环之后缓慢达到稳定，其分形维数基本不变，这与上述对红层泥岩试样崩解物级配分布的分析结果是一致的；随着溶液pH值的减小，红层泥岩试样崩解物的分形维数逐渐增大，且当溶液pH值从7减小到5时试样崩解物的分形维数的增量大于溶液pH值从5减小到3时试样崩解物分形维数的增量，说明分形维数越大则红层泥岩试样崩解物中细颗粒含量越多，崩解速率越快。

上述研究表明，酸雨能够加速红层泥岩公路路基填料的崩解，故在酸雨较严重的地区，可选择在雨季到来时将路基填料充分淋雨，待其加速崩解完成后且崩解性能基本趋于稳定时再将其进行路基填筑，这将可以在一定程度上减轻已填筑路基中大颗粒的崩解现象，从而提高路基的稳定性。

3 结 论

在室内干湿循环试验条件下对贵州兴义地区的红层泥岩试样在不同pH值溶液中的崩解特性展开了试验研究，并对红层泥岩试样崩解后崩解物各粒组累计百分含量以及各组红层泥岩试样崩解后崩解物基于质量与粒径关联的分形维数的变化情况进行了研究，得到如下结论：

(1) pH值越小，溶液中红层泥岩崩解物的级配分布越均匀，崩解越充分；反之则崩解物以大颗粒为主，崩解不充分。

(2) 在干湿循环次数较少时，不同pH值溶液中红层泥岩试样的崩解速率较快，在第2次干湿循环后其崩解速率开始减小，并在第6次干湿循环之后基本达到稳定。

(3) 随着溶液pH值的减小，红层泥岩试样崩解物的分形维数逐渐增大，说明红层泥岩试样崩解物中细颗粒含量逐渐增多，崩解速率逐渐增大，也就是说，酸性环境能够加速红层泥岩试样的崩解。