压实红层泥岩填料强度与刚度软化和衰减特性研究

刘先峰，潘申鑫，袁胜洋，陈康，马杰，陈忆涵

(1. 西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；2. 西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川 成都 610031；3. 新疆工程学院 土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830023)

西南地区因缺乏优质填料，加上山地丘陵多、地形起伏大等诸多因素造成运输成本显著提高，采用广泛分布在西南地区的红层泥岩代替A和B组优质填料对高速铁路建设意义重大。高速铁路路基一般由基床表层、基床底层、路基本体和地基组成，既有研究表明:红层泥岩在最优含水率条件下压实后，强度高，压缩模量大，力学特性满足高速铁路路基本体填料要求[1]，同时既有高速铁路线路如遂渝线、达成线[2-4]验证了红层泥岩用作高速铁路路基本体填料的可行性。但红层泥岩具有透水性弱、亲水性强，遇水易软化、失水易崩解的特性使其遇水后强度显著降低、刚度急剧下降[5-7]，易产生沉陷、开裂、边坡垮塌与剥蚀、表层松散、承载力不足等路基病害[8-11]。处于低围压下的路基基床尤其是基床表层填料直接承受列车动荷载的作用，又极易受到外界环境的影响，因此对基床填料性能要求更为严苛，而低围压下的红层泥岩刚度表现出强软化性[12-13]，其能否作为路基基床填料还需进一步研究。因此，针对上述问题，对全风化红层泥岩进行击实试验，确定了最大干密度和最优含水率。此后，制备不同压实度和含水率试样，并进行低围压(5 kPa)三轴UU 剪切试验，讨论上述条件对全风化红层泥岩的强度、刚度软化和衰减特性的影响。同时，针对刚度衰减特性建立红层泥岩刚度双曲线预测模型，分析含水率和干密度与模型指标之间的关联性。研究结果可为红层泥岩路基填料设计提供参考依据。

1 试验方案

1.1 试验材料

试验采用的全风化红层泥岩取四川成都天府新区地表浅层1～3 m，该泥岩属于侏罗系蓬莱镇组(J3p)。试验方法按照《铁路工程土工试验规程(TB10102—2010)》进行，共取4 个盛土箱中上、中、下部土样，采用马尔文激光粒度仪对土壤粒径进行测量，测定红层泥岩级配及击实特性，如图1 和图2 所示，其基本物理力学参数如表1所示。

表1 红层泥岩基本物理力学参数Table 1 Basic physical properties of red mudstone

1.2 试验方法与方案

根据达成线和遂渝线高速铁路红层泥岩路基现场工况[1-2]，选择2倍击实功下所得的红层泥岩基本参数制备试样。为了模拟高速铁路路基基床表层填料的应力状态，采用土侧压力系数K0对基床表层填料围压进行估算，该方法与聂如松等[14-15]对基床不同深度范围内围压估算方法相同。但土侧压力系数与土的物理性质、结构特性、应力历史、加荷和卸荷路径等因素有关，目前一般通过室内和现场试验确立的经验公式得到[16]。根据SCHMIDT[17]经验公式可计算出红层泥岩土侧压力系数K0约为0.42，根据聂如松等[14]计算道床上覆静荷载估算出红层泥岩路基基床填料浅层围压约为6.8 kPa，故采用5 kPa 围压模拟红层泥岩路基基床浅层应力状态。

对烘干后的全风化红层泥岩掺入一定质量的水配置不同条件下的土样，密封保存24 h 后采用击实锤分3层手动击实制备Φ 38 mm×h76 mm的三轴试样，并采用抽气饱和的方式得到饱和试样，然后采用GDS 三轴试验仪对制备好的试样进行三轴低围压(5 kPa)UU剪切试验，方案如表2所示。

表2 三轴试验方案Table 2 Triaxial test programs

研究最优含水率和饱和状态下的不同压实度；K95压实度下的不同含水率，对红层泥岩填料的强度和刚度软化与衰减特性的影响。试验控制轴向加载速率为0.032 mm/min(2.5%/h)[18]，轴向应变达到15%时认为试样已经破坏。

2 试验结果分析

2.1 压实度和含水率对强度的影响

路基基床作为高速铁路持力层，直接承受轨道和列车荷载，同时又极易受到外界不利因素干扰(如降雨)，因此有必要研究压实度和含水率对红层泥岩强度的影响。由图3 和图4 可知，低围压下非饱和红层泥岩从加载至破坏过程中应力出现先增大后减小再趋于稳定的现象。在加载初期，应力-应变曲线均呈明显的陡增趋势，当应变达到1%～2%时非饱和红层泥岩达到峰值应力，此后应力迅速减少到残余应力逐渐趋于稳定，且峰值强度越大，破坏时应力衰减越显著、脆性破坏特征越明显，故在设计红层泥岩作为高速铁路基床填料时，应留有较大的安全储备，避免基床上部荷载应力达到填料峰值强度时，路基产生突然的塌陷破坏。

随着干密度的增加，试样的抗压强度逐渐增大，主要是因为试样孔隙比减小，试样颗粒之间接触面积变大而导致试样颗粒与颗粒之间接触更加紧密，这与马金莲等[19]对压实黄土细观结构与土体抗剪强度关系研究结论一致。对于最优含水率下的各试样，压实度为K92 时的峰值强度为404.38 kPa，低于K95 峰值强度的60%，但当红层泥岩在最优含水率下压实度达到K95 以上时，红层泥岩具有较高强度、峰值应变基本维持不变。而随着含水率的增加，红层泥岩峰值强度逐渐减小，应力-应变曲线前期陡增趋势减小，切线模量降低，峰值应变逐渐增大。主要是因为当含水率增加时，非饱和土的基质吸力减小[20]，土样的强度也随之减小，这与张俊然等[21-23]对膨胀土吸力与强度关系研究结论一致。而饱和试样的峰值强度约为同等压实度条件下试样在最优含水率状态下的峰值强度的30%，强度峰值点消失，应力软化现象明显，其饱和试样压实度达到K100 时强度不满足高速铁路设计规范所要求的基床填料强度要求，故红层泥岩作为高速铁路路基基床填料时一定要做好防水措施。

2.2 压实度和含水率对刚度的影响

由图5～6 可知，非饱和红层泥岩从加载至破坏全阶段过程中刚度变化特性表现出一致性：第Ⅰ阶段：应变在1%以内时，割线模量较大并缓慢减小，试样具有较大的刚度；第Ⅱ阶段：应变达到1%～3%时，割线模量迅速下降至10 MPa附近；第Ⅲ阶段：应变大于3%时，试样割线模量变化趋于稳定。含水率和压实度对红层泥岩刚度软化和衰减特性的影响主要体现在第Ⅰ和第Ⅱ阶段。

第Ⅰ阶段：低应变下非饱和红层泥岩试样割线模量较大，试样具有较大的刚度。相同条件下试样初始刚度随着压实度(干密度)的增加而增大，随着含水率的增大而减小，表现出一定的软化特性，这是由于压实度的增大，试样孔隙比减小，土颗粒接触紧密，试样抵抗变形能力增强，而含水率影响土体的基质吸力，含水率增大，土体的基质吸力减小，土体抵抗变形能力减弱，与马金莲等[19]、张俊然等[21]分别对黄土和膨胀土研究结论相同。最优含水率下K92 试样的初始割线模仅为K95初始模量的64%，压实度达到K95以上时，试样的割线模量增长放缓。故在实际施工过程中，要保证红层泥岩路基填料在最优含水率附近、压实度达到95%以上，可以很大程度上减少路基的沉降变形，这与《铁路路基设计规范(TB10001—2016)》中对基床表层填料压实度要求一致。此外，随着含水率的增加，水对红层泥岩的软化作用逐渐体现，试样的割线模量逐渐减小，含水率为12%时的初始割线模量仅为最优含水率下(8.7%)的60%，而对比相同压实度下的饱和试样，试样的刚度仅为最优含水率下的30%～40%，软化现象明显，所以通过控制红层泥岩填料的含水率可以控制其割线模量在一定范围内，保证填筑路基的刚度及变形达到规范要求，在实际工程中需要做好防排水措施，防止因含水量过高引发路基病害。

第Ⅱ阶段：试样的割线模量衰减速率开始增大，达到峰值应变后，试样开始破坏，衰减的速率进一步增大；当应变达到残余应变时，割线模量衰减速率开始减少并逐步趋于稳定。对比不同含水率和压实度的试样：干密度越大、含水率越低，割线模量下降的速率越快，破坏时表现出的脆性特征越明显。而饱和试样，下降段割线模量变化并不显著，破坏后具有一定的延性。

红层泥岩刚度软化和衰减特性受含水率和压实度影响较显著，压实度达到K95 以上时虽具有较高的刚度，但其遇水后刚度显著下降，不满足基床填料水稳定性的要求，因此将红层泥岩填料作为基床填料时，必须解决红层泥岩填料的防水问题。

2.3 刚度衰减双曲线模型

2.3.1 模型的建立

刘祖典等[24-25]将土的应力-应变关系分为强软化型、弱软化型、强硬化型和弱硬化型4种，并给出了相应的数学表达式；KONDNER[26]提出了弱硬化土的应力-应变曲线可用双曲线模型来拟合，龙万学等[27]则证实了中、高围压下压实红层泥岩可用该模型，但低围压下非饱和红层泥岩试样并不属于弱硬化型，用指数型曲线模型或传统双曲线模型预测模拟红层泥岩在低围压下的刚度衰减特性时误差较大，因此针对红层泥岩刚度衰减的特性，修正传统的双曲线模型，引入刚度衰减系数p，建立低围压下红层泥岩割线模量随着轴向应变变化的刚度预测模型，如式(1)所示。

将点εx=εm代入式(1)中，得

式中：Ex为割线模量；E0为弹性模量；p为刚度衰减系数；εm为试样参考应变；Em为当应变达到εm时的割线模量。

2.3.2 参数的确定

由于在小应变状态下GDS 三轴仪测试结果并不是很准确，故采用0.1%时的割线模量代替弹性模量。根据试验结果找出对应的参考应变εm，然后对应变在5%以内的数据的刚度衰减系数p进行拟合，模型具体参数以及刚度衰减系数p的拟合值如表3所示，相关系数平方均达到了0.98以上，拟合效果较好。对拟合出的刚度衰减系数p进行分析，当p越大时，表示试样破坏时的脆性越大，割线模量下降段越陡，而含水率和干密度均在不同程度上影响试样破坏时的脆性特征，故对相应指标进行分析。

表3 红层泥岩试样刚度模型参数值Table 3 Stiffness model parameter values of red mudstone

如图7所示，建立红层泥岩含水率和干密度与刚度衰减系数p之间的关系，如式(3)所示。对于饱和试样，表现出不同于其他试样破坏时的强软化性，其刚度衰减系数p均在1.1 附近，故当红层泥岩试样达到饱和状态时，其刚度衰减系数p近似取1.1。

式中：A，B和C为拟合参数；其余符号同上。

2.3.3 模型验证

通过上述得到的式(3)及相关参数，对红层泥岩的刚度衰减系数p进行预测，再结合初始割线模量以及峰值割线模量反算出试样参考应变εm，其相关参数如表4 所示，模型预测效果如图8 所示，其预测效果相关系数均达到了0.98 以上，预测效果较好，验证了模型的适用性。

表4 割线模量模型预测参数Table 4 Secant modulus model prediction parameters

3 结论

1) 红层泥岩在最优含水率下压实度达到K95及以上时，强度和刚度满足路基基床填料要求，但遇水后强度和刚度显著降低，不满足路基基床水稳性要求，因此将红层泥岩作为路基基床填料时，必须做好防水措施。

2) 低围压下非饱和红层泥岩填料破坏呈现显著的脆性破坏特征，且随着强度增大，脆性破坏特征越明显，因此用红层泥岩填料填筑高速铁路路基基床时需要留有较大的安全储备。

3) 构建了低围压下考虑干密度、含水率和刚度衰减系数p的压实红层泥岩刚度预测双曲线模型，该模型根据红层泥岩干密度和含水率指标，估算低围压下红层泥岩路基填料刚度，可为高速铁路路基红层泥岩填料设计提供参考依据。