闽西地区典型煤系土的工程性质分析

丁 峰，洪启枫，阙 云，马怀森

(1.龙岩东环高速公路有限责任公司，福建 龙岩 364031；2.福州大学 土木工程学院，福建 福州 350108)

煤系土是由煤系地层经自然风化、崩解、剥落等形成，分布广泛，如湖南、广东、江西、福建等地。众所周知，煤系地层具有干裂、吸水性强、雨水膨胀软化、抗剪强度骤降而丧失强度、部分水质具有强烈的硫酸盐侵蚀性等工程特性，致使地层风化严重等特点，对于边坡长期稳定性极为不利，如广梧高速公路在阴雨天气下常发生不同程度的滑塌现象[1]、郴州高壁村因人工开挖与强降雨导致滑坡[2]、昌栗高速因煤系地层大面积揭露与降雨侵蚀发生多次表层滑塌事故[3]。经过人工开挖的煤系土边坡若不进行加固或加固不及时，则在降雨诱发[4-5]下几乎都会出现滑坡，其滑动面基本分布在煤系地层中。

鉴于煤系土边坡的特殊性，国内外学者已逐渐对煤系土开展了大量研究，取得了较为丰硕的成果，如祝磊等[6-7]通过室内试验，重点研究了广东云浮地区三种类型煤系土在不同干密度、含水率下抗剪强度的变化规律。张晗秋[8]分析讨论了昌栗高速煤系土不同初始条件下干湿循环次数对土样抗剪强度指标的影响。符滨[2]、颜阳等[9]研究分析了郴州地区煤系地层的岩石风化特性及煤系地层岩土体的微观结构、强度及破坏特征。李辉等[10]对西南山岭重丘区红黏土与广梧高速公路沿线粉状煤系土进行直剪试验，分析含水率等因素对于两者黏聚力、内摩擦角以及抗剪强度参数的影响。杨文军等[11]针对广梧高速公路沿线砾状煤系土是否能满足路基填料要求，采用室内试验得出在砾状煤系土中添加3%水泥即可作为路基填料。

虽然上述成果有助于进一步认识煤系土的工程性质，但不同地区煤系土由于成分等不同，导致工程特性差异较大，存在一定区域性，目前对闽西地区煤系土工程性能尚未系统分析。因此，本文将选取龙岩东环高速公路(以下简称龙岩东环)沿线分布的典型煤系土为研究对象，参考《公路土工试验规程》[12](JTG 3430—2020)等对煤系土进行室内试验，研究煤系土的基本特性，分析干湿/冻融循环对其耐久性的影响，为闽西类似煤系土边坡治理提供参考。

1 煤系土的基本工程特性

1.1 不同地区煤系土的工程特性

为明确龙岩东环典型煤系土的基本工程特性，进行了颗粒分析、界限含水率、比重、击实、压缩、直剪试验等，并将不同地区煤系土工程性质整合列于图1与表1，以作对比。

表1 不同地区煤系土工程特性[1,6-10,13-18]

图1 不同地区煤系土颗粒级配曲线

由图表可知，各地区煤系土总体呈现以下特性：

(1) 土体类型主要有级配不良砂、粉土质砾、含砂低液限黏质土、卵石夹土、粉土质砂五种。除级配不良砂与粉土质砾出现级配不良外，其余都为级配良好土。塑性指数均在2.8～13.4范围内，液限与塑限相差不大。

(2) 比重基本在2.6～2.8之间，属于黏土范围。渗透系数k在2.1×10-6cm/s～2.0×10-5cm/s范围，属于低渗透性或极低渗透性土。

(3) 压缩系数范围主要在0.07 MPa-1～0.21 MPa-1，压缩模量范围主要在7 MPa～18 MPa之间，属于中、低压缩性土。

(4) 由于煤系土层软弱不均，其黏聚力取值范围较大，在4.8 kPa～78.1 kPa之间；而内摩擦角取值范围相对较小，位于24.07°～43.48°之间。

1.2 矿物成分

试验采用DY1602/Empyrean型多功能X射线多晶衍射仪，对煤系土进行矿物成分进行分析。煤系土矿物成分组成如图2，各地区煤系土矿物成分及含量整合列于表2所示。

图2 煤系土XRD测试结果

表2 调研煤系土矿物成分基本信息表[8,19-23]

由表可知，各地区煤系土矿物组成主要为石英、白云母、高岭石等亲水性强的黏土矿物，其黏土矿物含量基本都超过50%，因此，含水率对煤系土的工程性质影响大，遇水易崩解或膨胀，水稳定性差。

1.3 击实前后颗粒分析

通过对天然煤系土颗粒(1组5 000 g)分别在30次、追加20次(50次)、追加48次(98次)的不同击实次数下，对其筛分前后的颗粒在振筛机上进行筛分，记录击实前后各个粒组的颗粒含量，对击实前后各粒组含量变化进行对比，以室内击碎后颗粒级配变化规律反映现场大型机械激振碾压之后颗粒级配变化规律。试验结果如图3所示。

图3 击实前后煤系土颗粒级配变化

由图可知，三种击实遍数后，小于20 mm的颗粒含量分别增加3.58%、5.12%、5.13%，且在50次锤击后大于20 mm的级配趋于稳定，小于20 mm的级配变化较大；小于2 mm的颗粒含量分别增加11.06%、15.08%、19.52%；小于0.075 mm的颗粒含量分别增加4.03%、5.13%、5.76%。在小于0.5 mm范围内级配变化最大，98次锤击后小于0.5 mm的颗粒含量增加了21.09%。

初始、30击、50击、98击后煤系土样不均匀系数Cu分别为26.80、34.56、34.00、30.17；曲率系数Cc分别为1.03、0.66、0.54、0.50。可见，天然煤系土颗粒级配良好，在击实过程中具有显著的颗粒破碎现象。击实试验后煤系土由级配良好土变为级配不良土，其中砂粒组级配变化最大。

2 典型煤系土耐久性分析

2.1 耐崩解性

湿化试验结果表征典型煤系土的耐崩解性。湿化是土体在水中发生崩解的现象，体现了煤系土水敏感性[6]。煤系土边坡开挖后，煤系土暴露于大气中，经历气候、水位变化，土体易产生湿化现象，导致破裂、剥落或失稳。试验所需仪器：浮筒，采用500 ml量筒替代；网板，10 cm×10 cm；玻璃水筒，宽约15 cm，高约70 cm。

以90%压实度制作煤系土样进行试验(图4)。由于立方体扰动土试样较为艰难制作，故采用内径4 cm，高10 cm的重塑筒为模型制作试样。采用粒径5 mm以下的煤系土进行试样。试验结果见图5所示。

图4 湿化试验

本次试验历时43 min，试样刚放入水中即产生气泡，表面迅速剥落；10 min时水开始变浑浊；34 min时试样出现大块剥落；最终在43 min时试验结束，土样无残留，崩解量为100%。可见，煤系土颗粒间黏结力较低，遇水较易崩解。

图5 湿化试验过程图

2.2 干湿/冻融循环

2.2.1 试验设计

干湿循环通过以下方法实现(见图6)：用叠式饱和器安装固定制备初始含水率的环刀样，浸没与纯净的水中24 h，此为一个增湿的过程；再将试样放入烘箱中以70℃的温度烘干8 h，取出冷却至常温，此为一个脱湿干燥的过程；重复上述步骤反复干湿循环以后，最后一次脱湿结束，注射所需含水量，闷料使煤系土试样含水率达到均匀。

图6 干湿循环

冻融循环循环通过以下方法实现(见图7)：将制备初始含水率的试样包上保鲜膜，放入-20℃的低温箱，放置24 h，这是一个冷冻过程；将试样放入烘箱中20℃保温24 h，这是一个融化解冻过程；重复上述步骤反复冻融循环以后，直至最后一次融化解冻结束。

图7 冻融循环

对所有循环结束的煤系土样进行压缩试验、直剪试验，得出煤系土的压缩特性和抗剪强度。

压缩试验所用仪器有固结仪：型号WG-3B；环刀：直径为61.8 mm，高度为20 mm；透水石：由氧化铝或不受土腐蚀的金属材料组成；变形量测设备百分表：量程为10 mm，最小分度为0.01 mm。

直剪试验所用仪器有应变控制式直剪仪：型号为ZJ型，由剪切盒、垂直加荷设备、剪切传动装置、测力计和位移量测系统组成，测力环系数C=1.574 kPa/0.01mm；环刀：内径61.8 mm，高20 mm；位移量测设备百分表:量程为10 mm，分度值为0.01 mm。

不同循环下的压缩试验与直剪试验试验方案如表3所示。

表3 力学试验方案

2.2.2 压缩特性

(1) 孔隙比。以煤系土试样孔隙比为纵坐标，试验所需的不同级别的荷载为横坐标绘制成e-p曲线。其曲线斜率越小，土样压缩越容易，斜率越大，土样则变形越难[25]。所得试验结果如图8、图9所示。

图8 不同干湿次数与压力等级下的e-p曲线

由图可知：

1) 不同循环次数、压实度以及不同含水率下煤系土孔隙比均随荷载级别增加而减小。说明煤系土所受荷载越大，土体变形加大，致使孔隙比越小。

2) 三种含水率下(ω=9%、12%、15%)煤系土样，当k=87%时分别减少了0.065、0.073、0.084；k=90%时分别减少了0.072、0.071、0.066；k=93%时分别减少了0.048、0.050、0.085。说明相同压实度下，煤系土含水率越高更容易压缩，试验过程中ω=15%时煤系土样更易溢水且溢水量最大，与上述规律吻合。相同含水率下，煤系土样压实度越高越不容易被压缩。

3) 干湿循环后不同压实度与含水率的煤系土样孔隙比下降率加大，其中多数孔隙比下降率在GS=4时达到最大，小部分在干湿循环5～6次时达到最大。说明煤系土样基本在GS=4时土体性质趋于稳定状态。这是因为煤系土在经历干湿循环之后，粒径发生变化，大粒径崩解成小粒径，填充了孔隙，在经历4次干湿循环之后，较大粒径基本破碎完全，煤系土颗粒级配稳定，致使煤系土力学性质趋于稳定。

图9 不同冻融次数与压力等级下的e-p曲线

4) 冻融循环下煤系土孔隙比规律与干湿循环基本相同，不同之处在于孔隙比下降率在冻融循环5次时达到最大。说明煤系土样在DR=5时土体性质趋于稳定。这是因为冻融循环条件下煤系土样颗粒在反复冻融、自重的情况下颗粒重新排列，促使土样内的多余水分被排除，使得土体更加密实，不易压缩。

5) 煤系土在干湿循环下与冻融循环下孔隙比分别平均下降31.38%、24.96%，说明煤系土在干湿循环下更易被压缩，更易劣化。

(2) 压缩系数。压缩系数为压缩实验所得的e-p曲线上不同压力段曲线的斜率。以荷载级别100 kPa到200 kPa的曲线斜率α1-2作为煤系土压缩性高低的判断标准。试验结果如图10所示。

图10 压缩系数与循环次数曲线

1) 不同压实度与含水率的煤系土样压缩系数介于0.1～0.5之间，属于中压缩性土。

2) 同等循环次数后的煤系土样，含水率不变时，压缩系数随着压实度增大逐渐下降；压实度不变时，压缩系数随含水率增大而增大。煤系土样基本在GS=4与DR=5后压缩系数最大，而在循环6次后压缩系数有所降低。

3) 循环次数对煤系土压缩性作用明显，其中干湿循环、冻融循环的压缩系数最大分别增加了0.12、0.11。

2.2.3 抗剪强度

抗剪强度为土体抵抗剪切破坏的极限强度，包括内摩擦角和黏聚力。不同压实度、不同干湿(冻融)循环次数以及不同含水率与黏聚力、内摩擦角的关系曲线如图11、图12所示。

图11 不同压实度与含水率下干湿循环次数与煤系土抗剪强度的关系曲线

图12 不同压实度与含水率下冻融循环次数与煤系土抗剪强度的关系曲线

由图可知：

1) 对于初始煤系土样，其黏聚力和内摩擦角均随压实度增大而增大，而随含水率增大而减小。压实度与含水率对煤系土黏聚力的影响大于内摩擦角。

2) 煤系土黏聚力随干湿循环次数增加而增大，而内摩擦角呈相反趋势，基本在GS=4时达到最大值或最小值。其黏聚力值增加了3.28 kPa～10.93 kPa；内摩擦角值下降了1.08°～2.98°。说明含水率不变，压实度越低，黏聚力涨幅越小，内摩擦角降幅也越小；压实度不变，含水率越接近最优含水率，黏聚力涨幅越小，内摩擦角降幅越大。干湿循环作用下煤系土样的黏聚力随着含水率降低而增加，随着压实度增大而增大，故k=93%，ω=9%的试样黏聚力最大，GS=4时达到最大值63.84 kPa。

3) 冻融循环下抗剪强度规律与干湿循环基本相同，在DR=5时趋于稳定。其黏聚力值增大了8.22 kPa～13.51 kPa，内摩擦角值减少了0.98°～2.70°。说明含水率越大、压实度越低，黏聚力涨幅、内摩擦角降幅越小。黏聚力增大原因是由于过量土中水在冻融循环过程中被排出，颗粒重新分布排列，并且小粒径黏粒团向高粒径转变，粒径范围变大，黏聚力增加。

4) 干湿循环下煤系土黏聚力平均增加了19.17%，内摩擦角平均减小了8.07%；冻融循环下煤系土黏聚力平均增加了10.91%，内摩擦角平均减小了5.26%。说明同等循环次数下，冻融循环下煤系土黏聚力增幅更大，内摩擦角降幅更小。

2.2.4 细观分析

选取不同干湿/冻融循环后的煤系土试样细观分析。本次试验采用钨灯丝扫描电子显微镜放大500倍进行SEM图观测，对比分析循环过程中煤系土样的颗粒变化。不同循环次数之后的SEM图如图13、图14所示。

图13 不同干湿循环次数的SEM图

图14 不同冻融循环次数的SEM图

由图可知，初始煤系土试样存在着许多裂隙，干湿循环1次后，裂隙并未减少，且有增大趋势；干湿循环3次后裂隙开始缩小，且数量减少；干湿循环4次后，基本无裂隙存在，只存在些许孔洞。其原因主要是循环使煤系土颗粒排列重分布，大粒径破碎成小粒径，在水作用下填补了煤系土内部孔隙。而干湿循环1次后孔隙增多增大的主要原因是煤系土颗粒未完全破碎，部分孔隙由大粒径破碎成小粒径产生。而冻融循环则在第5次及之后基本无裂隙存在。

3 结 论

(1) 闽西典型煤系土为粉土质砾，级配良好。主要矿物成分为白云母、石英、高岭石，属于低渗透性土、中压缩性土。在击实过程中煤系土具有显著的颗粒破碎现象。击实试验后煤系土由级配良好土变为级配不良土，其中砂粒组级配变化最大。

(2) 煤系土颗粒间黏结力较低，遇水较易崩解。而未处理煤系土级配更大，密度更低，相比于试验土黏结能力更差，遇水更易崩解。

(3) 压实度相同时，初始状态下煤系土样含水率越高越易压缩。黏聚力和内摩擦角均随压实度增大而增大，分别增大约36%与13%；随含水率增大而减小，分别减小约33%与12%。压实度与含水率对煤系土黏聚力影响大于内摩擦角。

(4) 煤系土压缩特性以及抗剪强度在GS=4以及DR=5时趋于稳定，SEM图显示基本无裂隙存在。煤系土样的孔隙比均随着循环次数、含水率、压实度的增加而不断减小；含水率越高，压缩系数越高，孔隙比降幅越大。由于循环试验后煤系土颗粒重新分布排列，并且小粒径黏粒团向高粒径转变，粒径范围变大，故黏聚力随着循环次数增加而增大，内摩擦角呈相反趋势。

(5) 相比于冻融循环条件，干湿循环条件下煤系土更易压缩，更易劣化。同等初始条件下土样黏聚力在冻融循环后增幅更大，但内摩擦角降幅更小。