楊君磊，王 淼，韓佰恩，呂國偉，陳雯雯

(1.山東省路橋集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南 250357; 2.濟(jì)南科技學(xué)校,山東 濟(jì)南 250014)

1 概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，作為我國經(jīng)濟(jì)大動脈的公路鐵路，其發(fā)展就變得至關(guān)重要了[1]。就公路路基填料而言，為達(dá)到公路路基強度要求，路基填料應(yīng)盡量選取集配良好的碎石等優(yōu)質(zhì)填料或級配不好的碎石、砂等良好填料，但是由于現(xiàn)場施工條件以及經(jīng)濟(jì)條件等原因，全部使用優(yōu)質(zhì)填料不現(xiàn)實，因此必須考慮級配不好的細(xì)砂等一般填料即黏土等劣質(zhì)填料[2-3]。泥巖是一種在天然狀態(tài)下結(jié)構(gòu)完整、巖質(zhì)堅硬、強度較高的軟巖，但是在降雨入滲等因素影響下，泥巖填料在短時間內(nèi)會發(fā)生軟化、崩解等，泥巖填料路基邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨之降低，由于其自身的不穩(wěn)定性，國內(nèi)許多學(xué)者對其開展針對性的實驗研究，獲得了其弱膨脹、抗蝕等諸多變化規(guī)律[4-11]，為工程應(yīng)用提供了詳實的依據(jù)。為獲取泥巖填料在不同含水率以及壓實度情況下的抗剪強度指標(biāo)，為其路用性能設(shè)計提供詳實參數(shù)，本文采用MTS三軸試驗，采取三軸固結(jié)不排水方法獲得泥巖填料在不同含水率以及壓實度情況下的抗剪強度指標(biāo)，并擬合了其變化規(guī)律，為后續(xù)泥巖調(diào)料路用性能及泥巖邊坡穩(wěn)定性能提供數(shù)據(jù)支撐。

2 實驗方案

泥巖路基填料擊實試驗結(jié)果表明，試件在P5=80%時的最佳含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為9.0%，最大干密度為2.18 g/cm3。因此，本文采用P5含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為80%的顆粒級配進(jìn)行試驗，主要獲得不同含水率、不同壓實度條件下泥巖填料試件的抗剪強度指標(biāo)，變量條件確定為含水率、壓實度與圍壓。在圍壓分別為50 kPa,100 kPa,150 kPa的情況下制定如下試驗方案：1)保持最佳含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))9.0%前提下，泥巖填料分別控制在90%,92%,94%,96%,98%壓實度制件。2)保持壓實度90%前提下，泥巖填料含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別按照9.0%,11.0%,13.0%,15.0%,17.0%制件。具體實驗方案如表1所示。

表1 三軸實驗方案表

2.1 試驗儀器

本次試驗采用MTS萬能試驗機作為三軸試驗的試驗儀器，MTS萬能試驗機可以進(jìn)行壓縮、彎曲、拉伸等眾多靜態(tài)試驗，甚至還可以做疲勞和蠕變試驗，且適用于各種材料。MTS萬能試驗機共有三種控制模式，分別為位移控制、載荷控制和應(yīng)變控制；MTS萬能試驗機主要由四部分組成，包括驅(qū)動裝置、壓力室、輔助裝置(氣壓泵、油泵等)以及MTS Test Star 11s控制器。

2.2 試驗步驟

1)制件。本次試驗所用泥巖填料試件采用分層壓實法進(jìn)行制備，在自制模具中進(jìn)行壓實，按壓實度要求計算每層需要的泥巖填料質(zhì)量，每層壓實厚度為50 mm，共計4層，試件總高度為200 mm,直徑為100 mm。壓實結(jié)束后，采用手動脫模儀將試件取出，并用保鮮膜密封備用，具體壓實、脫模方法見圖1。

2)試件安裝。將套有橡膠膜的泥巖填料試件垂直放置到壓力室底板上，用橡膠圈將其固定，將位移傳感器安裝在泥巖填料試件兩側(cè)，將壓力室的玻璃罩放下，調(diào)節(jié)伸縮桿的長度，使其與泥巖填料試件剛好接觸，向壓力室內(nèi)崩入硅油至沒過泥巖填料試件頂面后關(guān)閉進(jìn)油閥。檢查儀器設(shè)備無錯誤提示之后，安裝結(jié)束。

3)加載。向安裝好的壓力室內(nèi)通入空氣至預(yù)定圍壓，在預(yù)定圍壓下進(jìn)行預(yù)壓，泥巖填料試件預(yù)壓采用的初始軸向靜荷載大小與圍壓相同，加載方式采用位移控制式，加載速度為0.01 mm/h。達(dá)到要求時停止加載，整個過程不允許試件排水。待固結(jié)穩(wěn)定后，逐漸增加軸向壓力σ1，使試件在不排水的條件下受力直至發(fā)生破壞。試驗結(jié)束后，將泥巖填料試件取出，得到如圖2所示試件，由圖2發(fā)現(xiàn)試件在荷載的作用下由中部位置開始向外凸起，從而使得泥巖填料試件發(fā)生變形破壞。

3 實驗結(jié)果分析

(1)

其中，σ1，σ3分別為大、小主應(yīng)力，kPa；α，β均為試驗參數(shù)，與圍壓及含水率等有關(guān)；根據(jù)摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則表達(dá)式，如式(2)所示：

(2)

其中，σ1，σ3分別為大、小主應(yīng)力，kPa；c為土的黏聚力，kPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)。

τ=σtanφ+c

(3)

其中，τ為試件的抗剪強度，kPa；σ為試件剪切滑動面上的法向應(yīng)力，kPa；c為泥巖填料的黏聚力，kPa；φ為泥巖填料的內(nèi)摩擦角，(°)。

泥巖填料的黏聚力c為剪切應(yīng)力與垂直法向應(yīng)力關(guān)系曲線的截距，泥巖填料的內(nèi)摩擦角φ為剪切應(yīng)力與垂直法向應(yīng)力關(guān)系曲線的傾角。

3.1 不同含水率情況下泥巖填料抗剪指標(biāo)變化規(guī)律

泥巖填料壓實度為90%時，不同含水率情況下泥巖填料的莫爾應(yīng)力圓和強度包絡(luò)線如圖3所示。

根據(jù)圖3得到不同含水率情況下泥巖填料的內(nèi)摩擦角與黏聚力如表2所示。

表2 不同含水率情況下泥巖填料的強度參數(shù)

由表2可知，泥巖填料黏聚力隨著其含水率的增加呈現(xiàn)持續(xù)減小趨勢。泥巖填料含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))由9.0%增加至17.0%，填料的黏聚力由71.31 kPa降低至35.88 kPa，降低率達(dá)47%；與黏聚力一致，泥巖填料內(nèi)摩擦角隨著其含水率的增加同樣呈現(xiàn)持續(xù)減小趨勢，實驗結(jié)果表明，隨著含水率增大，泥巖填料的內(nèi)摩擦角由24.51°降低至15.56°，降低率達(dá)36.5%。

為進(jìn)一步明確泥巖填料含水率對黏聚力及內(nèi)摩擦角的影響，獲得泥巖填料黏聚力和內(nèi)摩擦角隨含水率的變化規(guī)律，對不同含水率條件下的黏聚力和內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線進(jìn)行擬合研究，擬合曲線如圖4,圖5所示。

擬合獲得的泥巖填料含水率與黏聚力之間的線性關(guān)系符合式(4)，含水率與內(nèi)摩擦角之間的線性關(guān)系符合式(5)。

(4)

其中，c為泥巖填料黏聚力，kPa；ω為泥巖填料含水率，%；R為相關(guān)系數(shù)。

(5)

其中，φ為泥巖填料內(nèi)摩擦角,(°)；ω為泥巖填料含水率,%；R為相關(guān)系數(shù)。

3.2 不同壓實度情況下泥巖填料抗剪指標(biāo)變化規(guī)律

泥巖填料處于最佳含水率狀態(tài)下，不同壓實度情況下泥巖填料的莫爾應(yīng)力圓和強度包絡(luò)線如圖6所示。

由圖6莫爾應(yīng)力圓剪切破壞可以獲得泥巖填料含水率保持在最佳含水率不變時，不同壓實度情況下泥巖填料的黏聚力及內(nèi)摩擦角如表3所示。

表3 不同壓實度情況下泥巖填料的強度指標(biāo)

研究結(jié)果表明：隨著泥巖填料壓實度由90%增加至98%，泥巖填料黏聚力由71.31 kPa增加至95.87 kPa，增長率為34%，而泥巖填料內(nèi)摩擦角基本維持在24°～25°之間保持不變，因此，在研究泥巖填料壓實度對其抗剪強度指標(biāo)的影響時，忽略內(nèi)摩擦角。

為更加清晰地研究泥巖填料壓實度對其黏聚力的影響，對泥巖填料壓實度及黏聚力的變化進(jìn)行擬合分析，得到泥巖填料壓實度與其黏聚力的擬合曲線如圖7所示。

在泥巖填料含水率保持不變的情況下，隨著其壓實度的增加，泥巖填料的黏聚力逐漸增加并表現(xiàn)出明顯的線性增長趨勢，對泥巖填料試件壓實度與黏聚力的關(guān)系進(jìn)行擬合分析，獲得了同一含水率情況下泥巖填料黏聚力隨其壓實度的增加呈如式(6)所示趨勢。

c=2.776K-179.5
R=0.912 37

(6)

其中，c為泥巖填料的黏聚力，kPa；K為泥巖填料的壓實度，%；R為相關(guān)系數(shù)。

4 結(jié)論

不同含水率情況下泥巖填料抗剪指標(biāo)變化規(guī)律表明：泥巖填料黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨著其含水率的增加呈現(xiàn)持續(xù)減小趨勢。隨著泥巖填料含水率的增加，泥巖填料試件內(nèi)顆粒之間的薄膜水逐漸變厚，從而導(dǎo)致顆粒之間的黏結(jié)能力逐漸降低；隨著泥巖填料含水率的增加，泥巖填料試件內(nèi)部的自由水逐漸增加，而自由水的出現(xiàn)會使泥巖填料試件內(nèi)部中的膠結(jié)物質(zhì)溶解，從而進(jìn)一步降低了泥巖顆粒之間的吸力，導(dǎo)致泥巖填料的黏聚力隨著其含水率的增加而逐漸降低；泥巖填料試件內(nèi)部的自由水隨之增加，使得泥巖填料顆粒之間在發(fā)生相對滑動時所產(chǎn)生的摩擦力降低，進(jìn)而導(dǎo)致泥巖填料的內(nèi)摩擦角隨著其含水率的增加而逐漸降低。

不同壓實度情況下泥巖填料抗剪指標(biāo)變化規(guī)律表明：隨著其壓實度的增加，泥巖填料的黏聚力逐漸增加并表現(xiàn)出明顯的線性增長趨勢，但內(nèi)摩擦角基本保持不變。隨著泥巖填料壓實度逐漸增加，泥巖填料試件主體之間的孔隙比逐漸降低，直接導(dǎo)致試件內(nèi)部顆粒的間距逐漸減小，土體更加密實，顆粒之間能夠接觸的點增多，從而增加了泥巖填料顆粒之間的黏結(jié)力；由于泥巖填料試件內(nèi)部孔隙比的減小，使得泥巖顆粒之間更加密實，孔隙之間的流通性降低，導(dǎo)致顆粒之間公用的水化膜逐漸形成結(jié)合水致使顆粒之間的黏結(jié)力增大，泥巖填料試件內(nèi)部的自由水逐漸轉(zhuǎn)化為弱結(jié)合水，泥巖填料的黏聚力增大。