不同风化程度泥岩填料力学性能试验研究 (1).pdf

第 卷第期 年月安徽工程大学学报J o u r n a l o fA n h u iP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t yV o l N o A p r 文章编号:()收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目(,);安徽建筑大学产学研合作基金资助项目(HY B )作者简介:王芳(),女,山东济南人,副教授,博士.不同风化程度泥岩填料力学性能试验研究王芳,刘思源,刘凯,徐涛(安徽建筑大学 土木工程学院,安徽 合肥 ;合肥工业大学 汽车与交通工程学院,安徽 合肥 ;安徽四建控股集团有限公司,安徽 合肥 )摘要:为了研究不同风化程度泥岩的力学性能,本文针对马巢高速路段路基填料泥岩,通过土工试验、回弹模量试验、C B R试验及不固结不排水三轴压缩试验,研究风化程度、干密度及压实度对回弹模量、C B R以及抗剪强度及其参数的影响.统计回归提出了回弹模量、粘聚力以及内摩擦角预估模型.研究结果表明:泥岩与土具有相似的击实特性;压实度是泥岩回弹模量的主要控制因素,浸水会使泥岩回弹模量下降,风化程度越高产生的不良影响越大;随着风化程度和压实度的提高,泥岩的C B R值逐渐增大,试验工点的C B R值均大于,满足路基填筑要求.三轴压缩试验中,泥岩的抗剪强度随风化程度和压实度的提高也逐渐增大;当压实度不变,随着风化程度的提高,粘聚力急剧增大而内摩擦角逐渐减小;当风化程度不变,随着压实度的增加,粘聚力逐渐增大而内摩擦角变化不大.关键词:道路工程;泥岩填料;力学性能;试验研究;风化程度中图分类号:TU 文献标志码:A泥岩是一种介于硬岩与土体之间的材料,在我国范围内广泛分布,泥岩与公路工程建设息息相关,具有抗压强度低、易风化、遇水易软化、崩解、膨胀、填筑密实度对含水量敏感等特点,对高速公路修建极其不利.为保持填挖平衡、降低远距调运和工程造价、缩短工期,高速公路不得不采用性能尚可的泥岩,或将泥岩改良后作为路基填料.因此,泥岩的基本物理性能和路用性能是高速公路建设者最为关心的.目前,关于泥岩技术性能做了大量研究.郑明新等和方焘等在分析风化软岩基本矿物成分、耐崩解性的基础上,结合风化软岩岩块力学强度和击实试验结果,初步判定了风化软岩填筑路基的可行性,同时提出了软岩填筑路基可行性的初步判定方法.谌文武等对风化灰绿色及红色泥岩物理力学性质对比研究,结果表明灰绿色泥岩的抗剪性能明显优于红色泥岩.王鹏等和姜兵等通过三轴压缩试验,研究了红层泥岩的抗剪强度以及压缩特性.李峰等和张青波等以泥岩全风化层为研究对象,通过室内试验建立天然含水率及天然孔隙比与力学指标之间的关系.高曙光等和祝艳波等选取石灰、水泥、粉煤灰作为红层泥岩路基填料的改良剂,提出了适宜的最优配比.苏天明等 分析了泥岩崩解破坏机理以及其主要影响因素为黏土矿物的含量.张黎明等 和朱江鸿等 通过干湿循环方法研究泥岩的路用性能和力学特性,结果表明干湿循环对其劣化程度呈增大趋势.以上研究主要针对单一风化程度的泥岩,并且对泥岩力学性能的影响因素研究较少.本文以马巢高速泥岩填料为研究对象,通过室内土工试验、C B R试验、回弹模量试验和三轴不固结不排水试验,探讨不同风化程度、压实度及干密度等对泥岩C B R、回弹模量、抗剪强度及其参数的影响,并提出回弹模量、粘聚力以及内摩擦角的预估模型,为泥岩填料在高速公路路基工程中的应用提供理论依据.试验方法试验材料采用安徽省马鞍山至巢湖高速公路泥岩路段K 、K 、K 处泥岩原状样,该路段泥岩主要为砂质泥岩.砂质泥岩的化学成分及含量为S i O,;F e O,;F eO,;A lO,.砂质泥岩矿物成分中,对工程性质影响最大的主要是粘土矿物.其主要矿物为伊利石蒙脱石混层在性质上兼有伊利石和蒙脱石两者的特性,比单一的伊利石活性高,又比单一的蒙脱石的活性低.在扫面电镜观察下,泥岩为基底式胶结,胶结物为泥质和铁质.碎屑颗粒悬浮在基质中,且碎屑颗粒表面由于沉积经过长距离搬运和磨蚀,呈浑圆状或次棱角状.根据 公路土工实验规程J T GE 对其进行击实试验和基本物理指标试验发现,泥岩与土具有相似的击实性能,具有最大干密度和最佳含水率等各项物理指标,不同工点泥岩基本物理指标如表所示.表不同工点泥岩基本物理指标试验工点桩号风化程度及风化系数kf最佳含水率/最大干密度/(g/c m)液限/塑限/塑性指数液性指数K 强风化泥岩为主 K 弱风化泥岩为主 K 微风化泥岩为主 图不同工点泥岩试验方案从泥岩的回弹模量、C B R及抗剪强度研究不同风化程度泥岩的力学性能,试验方法参照公路土工实验规程进行.()回弹模量试验.为了研究不同风化程度泥岩路基填料的回弹模量在多种影响因素下的变化特征和规律,设计两组试验.第一组选用强风化泥岩,在不同干密度和压实度影响下的回弹模量试验.由于在工程中路基填料压实度基本为 ,因此设计、的种压实度.强风化泥岩的最大干密度为 g/c m,故现场干密度取 、g/c m这种干密度.将上述两种因素进行正交,共 组工况.为了研究路基浸水和泥岩风化程度对回弹模量的影响,第二组试验选用种不同风化泥岩,含水率为最佳含水率,在、的种压实度条件下浸水养护 h前后的对比试验,共 组工况.试验采用杠杆压力仪法,试样最大粒径不大于mm,微风化泥岩颗粒直径较大时,需进行破碎处理.()C B R试验.为了研究风化程度对泥岩C B R值的影响,设计种风化强度泥岩分别在、的种压实度下的C B R试验,共组工况,每组试验设置个平行试验.按击实试验测得的最优含水量备样,土最大粒径为 mm;试样直径 mm,高 mm.为了模拟材料在使用过程中的最不利状态,加载前浸水昼夜.测量浸水后试样的高度变化,并计算其膨胀量.采用mm/m i n的速度贯入试样,总贯入量应超过mm.()三轴压缩试验.常规三轴不固结不排水(u u)压缩试验在三轴仪上进行.试样为直径 mm,高 mm的圆柱体.土样为扰动土,将土样做碾碎处理,过mm土工筛去除较大颗粒烘干,按最佳含水率配备.将土样倒入制样模具中分层击实,在各界面做刮毛处理保证整个试样不分层.为了研究压实度与风化程度对抗剪强度的影响,选用弱风化泥岩,含水率控制为最佳含水率,压实度分别为、的组试样;控制压实度为,含水率为最佳含水率,泥岩风化程度分别为强、弱、微的组试样.第期王芳,等:不同风化程度泥岩填料力学性能试验研究每组个试样,分别施加、k P a的围压,剪切速率为mm/m i n.当残余强度稳定或轴向应变达到 时停止试验.试验结果与分析回弹模量试验图弹性模量随压实度变化规律(干密度不同)强风化泥岩试样在不同干密度和不同压实度下的回弹模量试验结果如图所示.从图可知,在试验拟定范围内所得到的最大回弹模量对应最大压实度和最大干密度,最小回弹模量对应最小压实度和最小干密度.随着压实度的增大,干密度为 g/c m时,回弹模量从 M p a增加到 M p a,压实度每增加,回弹模量平均增加 M p a;干密度分别为 、g/c m时,压实度每增加,回弹模量分别平均增加 、M p a.当干密度为 g/c m时,回弹模量随压实度的平均变化速率最快,且不同干密度下平均速率相差不大.为了探究某一因素对回弹模量影响较大,利用 s t o p t软件将干密度和压实度与回弹模量进行非线性拟合,拟合结果如式()所示:Ep K ,R.()从式()可以看出,压实度对回弹模量的影响比干密度对回弹模量的影响大,因此,我们可以推断压实度和干密度都是控制泥岩路基填料的控制因素,但是压实度为主要控制因素.泥岩试样在不同风化程度、不同压实度和不同浸水条件下的回弹模量试验结果如图所示.从图可知,随着压实度的增加,强风化泥岩浸水前的回弹模量从 M p a增加到 M p a,其平均值为 M p a,浸水后的回弹模量从 M p a增加到 M p a,其平均值为 M p a;弱风化泥岩浸水前回弹模量从 M p a增加到 M p a,其平均值为 M p a,浸水后回弹模量从 M p a增加到 M p a,其平均值为 M p a;微风化泥岩浸水前回弹模量从 M p a增加到 M p a,其平均值为 M p a,浸水后从 M p a增加到 M p a,其平均值为其 M p a.浸水前后,强风化泥岩回弹模量均明显大于微、弱风化的泥岩,主要原因是由于泥岩风化程度越高,泥岩颗粒越松散,泥岩的粒径越来越小,在击实的作用下,颗粒之间的联结更加紧密,回弹模量也就越大.从回弹模量平均值来看,强风化泥岩回弹模量浸水前后变化最大,从 M p a下降至 M p a,其次为弱风化泥岩,微风化泥岩变化最小,说明浸泡作用能明显降低泥岩回弹模量,且对微、弱风化泥岩的影响小于对强风化泥岩的影响.在施工中应加强泥岩路基成型保护,尤其应做好梅雨季节的防排水问题.C B R试验不同压实度条件下的C B R与膨胀率如表所示.由表可知,当压实度不变时,泥岩的风化程度越高,C B R值 越 大,当 风 化 程 度 不 变 时,C B R值 随 着 压 实 度 增 大 而 增 大.根 据 公 路 路 基 设 计 规 范J T GD C B R值大于即可满足路基C B R填筑要求,本试验测得的泥岩填料C B R值均大于,说明其满足路基不同层位填料的C B R值要求.本课题研究的泥岩属于膨胀性非常小的岩土,完全可以用作路基填料,符合相关规范要求.但从检测验收、路面平整度要求看,上下路床若使用泥岩填料需对泥岩颗粒级配进行控制.强风化、弱风化泥岩可通过自然条件或预崩解处理来达到路基施工要求,微风化泥岩不宜直接作为上下路床填料,若工程量较大时,一定要用机械破碎后方能使用.表不同压实度条件下的C B R与膨胀率取样点风化程度 压实度 压实度 压实度C B R/膨胀率/C B R/膨胀率/C B R/膨胀率/K 强 K 弱 K 微 安徽工程大学学报第 卷图浸水条件下不同风化程度泥岩回弹模量关系图三轴压缩试验将试验结果整理为不同试验条件下偏差应力()与轴向应变的关系图,如图、所示.由图、可知,在不同试验条件下的泥岩试样在轴向应变达到 时均没有出现峰值,且轴向应变从起始到范围内,偏差应力变化速率较快,后逐渐趋于平稳.由图可知,在相同的压实度条件下,围压一定时,随着风化程度的提高,偏差应力逐渐增大.由图可知,在同一风化程度条件下,当围压一定时,随着压实度的增加,偏差应力逐渐增大.风化程度和压实度都一定的条件下,泥岩的偏差应力随围压的升高而增加.其主要原因为:在低围压下,土体颗粒间联结强度低,土体颗粒相对容易滑动,颗粒之间的粘着相对松散;当围压升高时,土颗粒不容易发生滑动,联结强度变大,土体压实效果增加,颗粒接触更加紧密,产生同一应变所需偏差应力增大,因而泥岩强度增加.而在试验初期,轴向应变范围内,土体容易被压缩,产生同一应变所需要的较小,因而在相差不大的情况下,围压增大,偏差应力可能会减小.对比图、,风化程度对偏差应力的影响比压实度影响大.为探究泥岩有效抗剪强度参数,通过三轴剪切试验可得出泥岩试样有效抗剪强度包络线如图、所示.根据抗剪强度包络线从而分别得出不同压实度下和不同风化程度泥岩试样的有效抗剪强度参数值.不同风化程度泥岩的抗剪强度指标粘聚力cu、内摩擦角u如表所示.从表中可知,压实度不变,粘聚力随风化程度的提高而呈非线性上升,内摩擦角则呈非线性下降.当风化程度从强风化变为微风化,粘聚力从 k P a下降到 k P a;内摩擦角从 上升到 .由此可见泥岩风化程度对抗剪强度指标有很大的影响.由表不同泥岩风化系数范围,以泥岩风化系数k_f代表不同风化程度泥岩,强风化泥岩风化系数取值为,弱风化泥岩风化系数取值为,微风化泥岩风化系数取值为,则在 压实度、最佳含水率的工况下,抗剪强度指标与泥岩风化系数的回归关系用式()、()表达:cu kf kf ,R,()u kfkf ,R,()可根据泥岩风化程度不同,kf在之间取值,计算出不同风化程度泥岩在最佳含水率、压实度为 条件下的抗剪强度指标.不同压实度下的抗剪强度指标如表所示.从表中可知,风化程度不变,随着压实度的增加,泥