某鐵路車站炭質(zhì)泥巖的工程力學(xué)特性分析

1、某鐵路車站炭質(zhì)泥巖的工程力學(xué)特性分析關(guān)鍵詞：炭質(zhì)泥巖; 崩解; SEM; 浸水軟化; 剪切; 壓縮;Abstract：Research purposes: The subgrade settlement problem has always been the focus of the traffic transport industry. In recent years, carbon mudstone has been found in highway and railway construction in southwest mountainous area. Carbon mudston

2、e is hydrophilic and has obvious softening effect after water,which brings great harm to the late operation of high-speed railway with extremely high sedimentation control standard. Combined with the subgrade settlement treatment project of carbon mudstone section of a station on Guilin-Guangzhou Ra

3、ilway,by the physical,water-physical, mechanical characteristics and scanning electron microscopy tests, the engineering mechanical properties of the carbon mudstone were studied.Research conclusions:( 1) The bigger dry density of carbon mudstone is,the bigger its expansion rate and expansion force

4、are; the carbon mudstone makes a bigger shrinkage with a higher moisture content,the limit of which is 7. 2% 8. 5%.( 2) Particles of carbon mudstone take the shapes of the polygonal slice of large area. After soaking in water,the particles are disintegrated,the area is reduced,and the macropores inc

5、rease obviously.( 3) Carbon mudstone show an obvious shear dilatancy without water,but compaction after softening,the cohesion and internal friction angles before and after soaking are 112. 7 kPa,4. 5 k Pa and 29. 9°,8. 1°,respectively.( 4) The compression deformation of carbon mudstone afte

6、r softening is nearly 19. 6 times that before; the compression modulus Es,1-2 before and after soaking are13. 0 15. 0 MPa and 3. 0 5. 0 MPa,respectively.( 5) The research results can provide reference for the design and construction of the construction and traffic engineering of carbonaceous mudston

7、e formation.Keyword：carbon mudstone; disintegration; SEM; wetting softening; shear; compress;1、 概述隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的進(jìn)一步深入，在我國西南山區(qū)的公路鐵路建設(shè)中均出現(xiàn)了炭質(zhì)泥巖這種特殊巖土，因其浸水后極易軟化且發(fā)生膨脹變形，導(dǎo)致在荷載作用下經(jīng)常發(fā)生承載力不足、沉降變形增大和邊坡失穩(wěn)等一系列工程地質(zhì)災(zāi)害。近年來，國內(nèi)專家學(xué)者逐漸認(rèn)識(shí)到炭質(zhì)泥巖特殊的工程特性，開始了相關(guān)研究，并取得了一些有價(jià)值的成果。例如，張巍1等研究了炭質(zhì)泥巖崩解物粒徑分布對(duì)崩解性、膨脹性的影響;曾鈴、付宏淵等2,3研究了在荷載、

8、浸水條件下炭質(zhì)泥巖崩解變形特性，獲得了炭質(zhì)泥巖最大豎向變形與豎向荷載大小、荷載循環(huán)次數(shù)、浸水時(shí)間、壓實(shí)度與含水率等因素的擬合關(guān)系;莫?jiǎng)P4、陳羽5、張靜波6等研究了炭質(zhì)泥巖路用性能及其動(dòng)力變形特性;劉林潔7等通過試樣浸泡飽和，結(jié)合室內(nèi)快剪試驗(yàn)，研究了炭質(zhì)泥巖浸水軟化后抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律;付宏淵8,9等研究了降雨對(duì)炭質(zhì)泥巖填筑路堤的含水率入滲分布規(guī)律、路堤沉降變形和穩(wěn)定性的影響。由于炭質(zhì)泥巖的生成環(huán)境和賦存條件存在差異，使其工程性質(zhì)具有明顯的區(qū)域性。為揭示炭質(zhì)泥巖特殊的工程性質(zhì)，本文以桂廣客專某車站炭質(zhì)泥巖段路基沉降整治工程為依托，通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)該路段炭質(zhì)泥巖的工程特性進(jìn)行了研究，以期為炭質(zhì)泥巖的相

9、關(guān)研究和類似地區(qū)擬建工程的設(shè)計(jì)與施工提供參考。2、 炭質(zhì)泥巖物理指標(biāo)與水理性質(zhì)2.1、 炭質(zhì)泥巖的物理指標(biāo)由于炭質(zhì)泥巖存在裂隙，環(huán)刀法測得炭質(zhì)泥巖干密度為1.751.85 g/cm3，蠟封法測得炭質(zhì)泥巖干密度為1.972.01 g/cm3，其土粒比重為2.672.68，燒失量為2.17%2.35%。2.2、 炭質(zhì)泥巖的崩解試驗(yàn)2.2.1、 空氣和水中風(fēng)化崩解為觀察炭質(zhì)泥巖在空氣和水中的風(fēng)化崩解情況，先將炭質(zhì)泥巖暴露于空氣中，靜置9 d，觀察發(fā)現(xiàn)炭質(zhì)泥巖在干燥環(huán)境下顏色略變淺，無小顆粒脫落，巖樣無裂紋，未發(fā)生明顯風(fēng)化崩解現(xiàn)象，如圖1(a)所示;后將炭質(zhì)泥巖放入透明玻璃箱中，箱中加水，液面覆蓋試樣

10、。水中崩解時(shí)，在31 min內(nèi)完全崩解成散粒狀，崩解速度極快;同時(shí)，崩解初期現(xiàn)象劇烈，如圖1(b)、(c)所示，說明該炭質(zhì)泥巖親水性很強(qiáng)，水穩(wěn)性極差。圖1 炭質(zhì)泥巖在空氣和水中風(fēng)化崩解情況2.2.2 、軟化后炭質(zhì)泥巖顆粒組成將放于水中崩解的炭質(zhì)泥巖烘干后，采用篩分法和移液管法聯(lián)合進(jìn)行分析，得到崩解后炭質(zhì)泥巖的顆粒組成，如表1和圖2所示。表1 炭質(zhì)泥巖浸水崩解后顆粒級(jí)配圖2 桂廣客專炭質(zhì)泥巖浸水崩解試驗(yàn)顆粒級(jí)配曲線從顆粒分析試驗(yàn)可以看出，桂廣客專炭質(zhì)泥巖的崩解效應(yīng)極為明顯，崩解后顆粒粒徑小。與2013年莫?jiǎng)P4對(duì)廣西六寨至河池高速公路沿線出露的三處典型炭質(zhì)泥巖工點(diǎn)所取炭質(zhì)泥巖經(jīng)過28 d干濕循環(huán)崩

11、解試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，該車站炭質(zhì)泥巖較六河高速炭質(zhì)泥巖崩解后粒度小、崩解反應(yīng)劇烈。2.3、 炭質(zhì)泥巖軟化樣界限含水率對(duì)浸水軟化后的炭質(zhì)泥巖進(jìn)行界限含水率試驗(yàn)，得到炭質(zhì)泥巖的液塑限含水率分別為:wL10為44.8%,wL17為54.5%,wp為24.7%。Ip值高達(dá)29.8，屬于黏土。說明該類炭質(zhì)泥巖礦物成分的親水性很強(qiáng)，從另一方面解釋了水中崩解現(xiàn)象顯著的原因。2.4 、炭質(zhì)泥巖的膨脹收縮特性2.4.1 、炭質(zhì)泥巖的膨脹特性膨脹試驗(yàn)包括無荷載膨脹和有荷載膨脹。干密度主要考慮1.63 g/cm3、1.73 g/cm3和1.83 g/cm3三種情況，因?yàn)檫@些干密度接近完全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化兩種狀態(tài);荷載考慮

12、50 kPa、100 kPa、200 kPa和400 k Pa，涵蓋現(xiàn)場炭質(zhì)泥巖的埋深荷載;試樣的含水率均控制在15.0%。試驗(yàn)成果曲線如圖3所示。圖3(a)為無荷條件下不同干密度炭質(zhì)泥巖膨脹率隨時(shí)間的變化曲線。從圖3(a)可以看出，干密度為1.83 g/cm3、1.73 g/cm3、1.63 g/cm3的試樣膨脹穩(wěn)定時(shí)膨脹率及膨脹歷時(shí)分別為27.6%、3.75 d,23.35%、3 d,16.81%、1 d。浸水初期，干密度較小的試樣膨脹變形較快，這是因?yàn)樵诮跗诟擅芏刃。紫侗却?，試樣進(jìn)水速度快，膨脹反應(yīng)迅速;干密度大，孔隙比小，進(jìn)水速度慢，膨脹效果不明顯;隨著時(shí)間的增長，干密度大的試樣

13、膨脹率越來越大。圖3(b)是不同干密度的炭質(zhì)泥巖膨脹率與上覆荷載關(guān)系曲線。由圖3(b)可知:炭質(zhì)泥巖遇水后，沒有上覆荷載時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的膨脹變形;荷載增至400 k Pa時(shí)，炭質(zhì)泥巖基本不發(fā)生膨脹變形。干密度越大，炭質(zhì)泥巖的膨脹率越大，同時(shí)膨脹力也越來越大。圖3 膨脹性試驗(yàn)成果曲線2.4.2 、炭質(zhì)泥巖的收縮特性收縮試驗(yàn)干密度取1.63 g/cm3?？紤]到炭質(zhì)泥巖的液塑限較高，含水率取30%、40%、50%。因炭質(zhì)泥巖縮限含水率暫不確定，為方便觀察含水率接近縮限時(shí)體積變化情況，另取一組含水率為10%的炭質(zhì)泥巖試樣。圖4(a)為線縮率與時(shí)間關(guān)系曲線，根據(jù)余敦猛、楊果林10等人的研究，炭質(zhì)泥巖收縮可

14、分為以下三個(gè)階段:直線等速收縮階段，此階段收縮速度大，線縮率增長較快，持續(xù)時(shí)間為5882 h;外凸弧線減速收縮階段，此階段收縮速度減小，線縮率增長減緩，持續(xù)時(shí)間為4469 h;直線緩慢收縮階段，此階段線縮率基本不變。由圖4(b)可以看出，含水率越大，其線縮率越大。含水率為10%、30%、40%和50%時(shí)，線縮率分別為0.05%、2.31%、3.84%和5.29%，由于失水較多，體積收縮較大，其內(nèi)部不均勻收縮導(dǎo)致炭質(zhì)泥巖在試驗(yàn)過程中發(fā)生破裂。收縮過程中各個(gè)階段內(nèi)的收縮量不同，直線等速收縮階段和外凸弧線減速收縮階段收縮量占總收縮量的97.40%99.74%。圖4 收縮性試驗(yàn)成果曲線以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

15、表明:含水率越大，炭質(zhì)泥巖的線縮率越大，體積收縮越明顯;當(dāng)含水率減小至7.2%8.5%，不再產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，可以確定該炭質(zhì)泥巖收縮限界含水率為7.2%8.5%。2.5 、浸水前后炭質(zhì)泥巖微觀結(jié)構(gòu)分析將現(xiàn)場取回的炭質(zhì)泥巖切割成1 cm×1 cm的試樣，進(jìn)行了未浸水和浸水5 d后的掃描電鏡試驗(yàn)(SEM)，儀器為Phenom TM臺(tái)式掃描電子顯微鏡，放大8 000倍結(jié)果如圖5所示。為防止試樣因崩解而松散，浸水試樣用濾紙包裹。由圖5可看出，炭質(zhì)泥巖為多邊形薄片狀顆粒，面積較大，結(jié)構(gòu)較為致密;浸水5 d后，薄片狀顆粒由于吸水崩解、面積減小，大孔隙增多，由浸水前較致密結(jié)構(gòu)變?yōu)樗缮⒔Y(jié)構(gòu)。這也說明該

16、炭質(zhì)泥巖成分的活性強(qiáng)，極易發(fā)生吸水崩解。圖5 8 000×炭質(zhì)泥巖微觀圖像3、 炭質(zhì)泥巖力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究3.1、 炭質(zhì)泥巖浸水軟化前后的剪切特性對(duì)浸水軟化前后的炭質(zhì)泥巖進(jìn)行了剪切試驗(yàn)，浸水前炭質(zhì)泥巖干密度、含水率分別為1.63 g/cm3、15%，均為重塑樣。炭質(zhì)泥巖樣浸水軟化的做法:將制好的試樣連同環(huán)刀置于托盤中注水，注水至環(huán)刀高度的3/4，在試樣上放置濾紙，增加試樣吸水性，待濾紙表面均布滲出水膜時(shí)，視為飽和。3.1.1、 炭質(zhì)泥巖的剪切變形特性炭質(zhì)泥巖浸水軟化前后的剪切位移與豎向位移的關(guān)系曲線如圖6所示。由圖6可知:浸水前炭質(zhì)泥巖試樣在剪切過程中發(fā)生明顯的剪脹現(xiàn)象，各級(jí)荷載下豎

17、向位移均出現(xiàn)負(fù)值;而浸水軟化后，土樣崩解變得松散，在剪切過程中，在各級(jí)荷載下均發(fā)生剪切壓密，無剪脹性;浸水前剪脹位移為0.300.61 mm，浸水軟化后沉降為1.503.64 mm。這說明炭質(zhì)泥巖浸水軟化后，在荷載作用下會(huì)產(chǎn)生較大沉降。3.1.2 、炭質(zhì)泥巖的剪切強(qiáng)度圖7為浸水前后炭質(zhì)泥巖的剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系曲線。由圖7可以看出:由于試樣均為重塑樣，浸水前后炭質(zhì)泥巖的應(yīng)力應(yīng)變均呈現(xiàn)弱應(yīng)變軟化型;由于浸水軟化效應(yīng)，浸水前后的峰值抗剪強(qiáng)度差異明顯，抗剪切破壞能力大大降低。數(shù)據(jù)分析得到，炭質(zhì)泥巖軟化前后的黏聚力分別為112.7 k Pa、4.5 kPa，內(nèi)摩擦角分別為29.9°、8.1&

18、deg;，浸水軟化后其黏聚力和內(nèi)摩擦角均顯著減小。圖6 剪切位移與豎向位移關(guān)系曲線圖7 剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線3.2、 炭質(zhì)泥巖浸水軟化前后的壓縮特性取兩組炭質(zhì)泥巖原狀樣，干密度分別為1.70 g/cm3、1.83 g/cm3，含水率控制在8.0%8.5%左右，試驗(yàn)荷載取50 k Pa、100 k Pa、200 k Pa、400 kPa，壓縮試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。由圖8可見，相同條件(荷載、浸水)下，干密度為1.83 g/cm3的試樣與干密度為1.70 g/cm3的試樣，二者的壓縮變形量幾乎相同，相差不大;但試樣浸水前后的壓縮變形量相去甚遠(yuǎn)，浸水軟化樣的壓縮變形量明顯大于軟化前，約為浸水前的1

19、9.6倍。計(jì)算分析得到炭質(zhì)泥巖浸水軟化前后的壓縮模量Es,1-2分別為13.015.0 MPa和3.05.0 MPa。說明該炭質(zhì)泥巖親水性強(qiáng)，受水后軟化明顯，在荷載作用下的沉降變形會(huì)顯著增加。圖8 壓力與沉降關(guān)系曲線4、 結(jié)論通過對(duì)炭質(zhì)泥巖的物理、水理及力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，結(jié)合SEM微觀分析，得出結(jié)論如下:(1)該車站炭質(zhì)泥巖親水性很強(qiáng)，水穩(wěn)性極差。其在空氣中崩解極慢，在水中崩解極快;崩解后粒度較六河高速炭質(zhì)泥巖粒度小。(2)炭質(zhì)泥巖干密度越大，其膨脹率越大，同時(shí)膨脹力也越來越大;含水率越大，炭質(zhì)泥巖的線縮率越大，體積收縮越明顯;該炭質(zhì)泥巖收縮界限含水率為7.2%8.5%。(3)炭質(zhì)泥巖顆粒呈多邊形

20、、面積較大的薄片狀顆粒;浸水后薄片狀顆粒崩解、面積減小，大孔隙明顯增多。(4)浸水前炭質(zhì)泥巖表現(xiàn)出明顯的剪脹特性，浸水軟化后表現(xiàn)為剪切壓密;炭質(zhì)泥巖浸水軟化后，峰值抗剪強(qiáng)度顯著減小，浸水軟化前后其黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為112.7 kPa、4.5 k Pa和29.9°、8.1°。(5)炭質(zhì)泥巖浸水軟化前后的壓縮變形量和壓縮模量差異明顯，軟化后的壓縮變形量接近浸水前的19.6倍;浸水軟化前后的壓縮模量Es,1-2分別為13.015.0 MPa和3.05.0 MPa。以上試驗(yàn)結(jié)果分析表明，該炭質(zhì)泥巖親水性強(qiáng)，受水軟化效應(yīng)明顯，軟化后在荷載作用下的沉降變形會(huì)顯著增加，在路基工程設(shè)計(jì)與施

21、工時(shí)應(yīng)注意其浸水軟化和膨脹特性，盡量避免因其賦存狀態(tài)下水環(huán)境變化而導(dǎo)致后期沉降變形增大，影響列車后期運(yùn)營安全。參考文獻(xiàn)1張巍，尚彥軍，曲永新，等泥質(zhì)膨脹巖崩解物粒徑分布與膨脹性關(guān)系試驗(yàn)研究J巖土力學(xué)，2013(1):66-72.Zhang Wei,Shang Yanjun,Qu Yongxin,etc. Grain Size Distribution of Collapsed Scraps of Argillaceous Rock and Its Relationship with Expansibility:An Experimental StudyJ. Rock and Soil Mech

22、anics,2013(1):66-72.2曾鈴，付宏淵，周功科，等炭質(zhì)泥巖路堤填料崩解性試驗(yàn)研究J中外公路，2015(2):28-32.Zeng Ling, Fu Hongyuan, Zhou Gongke, etc.Experimental Study on Disintegration of Carbon Mudstone Embankment FillingJ. Journal of China&Foreign Highway,2015(2):28-32.3付宏淵，劉杰，曾鈴，等考慮荷載與浸水條件的預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖變形與強(qiáng)度試驗(yàn)J巖土力學(xué)，2019(4):1273-1280.Fu

23、Hongyuan,Liu Jie,Zeng Ling,etc. Deformation and Strength Tests of Pre-disintegrating Carbonaceous Mudstone under Loading and Soaking ConditionJ.Rock and Soil Mechanics,2019(4):1273-1280.4莫?jiǎng)P炭質(zhì)泥巖水理特性及其路堤工后動(dòng)力變形特征研究D長沙:長沙理工大學(xué)，2013.Mo Kai. Research on Hydraulic Characteristics of Carbon Mudstone and Post

24、-construction Dynamic Deformation Properties of EmbankmentD.Changsha:Changsha University of Science&Technology,2013.5陳羽，張靜波，楊露，等惠羅高速風(fēng)化炭質(zhì)泥巖作路基填料的試驗(yàn)研究J公路工程，2017(5):32-37.Chen Yu,Zhang Jingbo,Yang Lu,etc. Research on the Experiment of Weathered Carbonaceous Mudstone as Subgrade Filler in Huishui-Lu

25、odian ExpresswayJ.Highway Engineering,2017(5):32-37.6張靜波，呂巖松，王云貴州地區(qū)炭質(zhì)頁巖填料路用性能與路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究J公路，2016(11):35-40.Zhang Jingbo,Lv Yansong,Wang Yun. Research on Performance and Subgrade Structure Design of Carbonaceous Shale Filler in Guizhou AreaJ.Highway,2016(11):35-40.7劉林潔，向喜瓊，喻興，等炭質(zhì)泥巖抗剪強(qiáng)度的飽水軟化特性及工程應(yīng)用研究J科學(xué)技術(shù)與工程，2017(8):244-247.Liu Linjie,Xiang Xiqiong,Yu Xing,etc. Study on Saturated Softening Characteristics of Shear Strength of Carbonaceous Mudstone and Engineering ApplicationJ. Science Technology and Engineering,2017(8):244-247.8付宏淵，陳鏡丞