干濕循環對板巖填料抗剪強度劣化影響的試驗研究

干濕循環對板巖填料抗剪強度劣化影響的試驗研究

陳興1，張靜波1，呂巖松2，楊露2，江洎洧3

（1.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，武漢 430056；

2. 貴州高速公路集團有限公司，貴陽 550004；

3. 長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢  430010）

摘要：針對貴州省三黎高速公路強~中風化板溪群板巖填料，開展了不同干濕循環次數條件下的大型三軸壓縮試驗。試驗結果表明：干濕循環效應對于板巖填料的抗剪強度參數影響是較為顯著的，特別是首次干濕循環后，抗剪強度參數有明顯的變化，而當干濕循環次數進一步增加時，強度仍有變化趨勢，但較第一次弱；板巖填料的黏聚力c值隨干濕循環次數增多近似呈線性增長，摩察角φ值隨干濕循環次數增多近似呈指數函數減??；首次干濕循環后，內摩擦角φ值下降約7%，粘聚力上升約26%，但總體抗剪強度僅有約2~7%的下降，說明干濕循環效應對強~中風化板溪群板巖路堤邊坡穩定性影響不大。另外，本文對板巖路堤填料的干濕循環大型三軸壓縮試驗條件和方法進行了探討，可為同行提供參考。

關鍵字：板巖路堤干濕循環三軸壓縮試驗

中圖分類號: TU411　　文獻標志碼: A            文章編號：

0引言

三穗至黎平高速公路（以下簡稱三黎高速）位于黔東南地區，沿線廣泛分布前震旦系板溪群（Ptbn）板巖，約占線路總長的84%。全線路基填方約2200×104m3，擬全部利用隧道棄渣及路塹挖方產生的板巖填筑。板巖屬于軟巖，具有易崩解、易軟化、強度衰減大等特性[1]。如此大面積的利用板巖填筑路堤，在高速公路建成運營后，隨著氣候環境的變化，是否會出現因填料抗剪強度衰減導致路堤邊坡失穩是項目建設者非常關心的一個問題。課題組采用干濕循環的技術手段來模擬氣候環境對板巖填料的影響，并開展了強~中風化板溪群板巖填料干濕循環條件下大型三軸壓縮試驗研究，試驗數據將用以評價高速公路通車運營后板巖路堤邊坡的穩定性。

關于干濕循環條件下的三軸壓縮試驗，國內已有學者開展過相關研究，如劉宏泰等[2]進行了干濕循環對重塑黃土（試樣直徑D=39.1mm，高H=80mm）抗剪強度的影響試驗研究，試驗結果表明：隨著干濕交替周期的增加，黃土的粘聚力c和內摩擦角φ都呈現衰減趨勢。c值在1次干濕交替之后衰減最大，3次以后衰減幅度逐漸減小，某些土樣則基本趨于穩定。說明3~5次干濕交替后，土體的結構逐漸重新平衡。倪九派等[3]對干濕循環條件下重慶地區三種土壤抗剪強度的動態變化規律進行了試驗研究，試驗結果表明：3種土壤的黏聚力c 值均隨干濕循環次數的增加均呈減小趨勢，且前兩次循環c 值衰減幅度都很大，從第三次干濕循環至第五次干濕循環黏聚力c 值衰減幅度很小，趨于穩定。3 種土壤在干濕循環后內摩擦角φ值總體呈減小趨勢，但不同土壤類型間存在差異。劉新榮等[4]對三峽庫區某邊坡上的泥質砂巖試件（直徑D=50mm，高H=100mm）進行了干濕循環三軸壓縮試驗研究，黏聚力c 和內摩擦角φ都隨著干濕循環的次數n 的增加而降低。劉新榮等[5]對不同酸堿環境干濕循環次數對泥質砂巖抗剪強度劣化影響進行了試驗研究，試驗結果表明：隨著干濕循環次數n 的增加，泥質砂巖試件的黏聚力c 和內摩擦角φ的值隨之降低。特別是n = 1 時，干濕循環作用對泥質砂巖試件的黏聚力c和內摩擦角φ的值劣化影響最大，近似于其他階段劣化度的總和。

不難看出，目前關于巖土體干濕循環抗剪強度衰減規律的研究對象基本上都是土樣和巖塊，試樣也均是小樣，考慮到板巖填料一般為粗粒料，上述試驗方法并不能直接套用。因此，除了開展板巖填料干濕循環條件下的抗剪強度衰減規律研究之外，對于板巖填料干濕循環大型三軸壓縮試驗方法進行研究也是非常有意義的。

本文選擇三黎高速公路強～中風化板巖填料開展了不同干濕循環次數的大型三軸壓縮試驗，對軟巖填料的大型三軸壓縮試驗方法和三黎高速強~中風化板溪群板巖干濕循環條件下抗剪強度衰減規律進行研究，以供今后開展相似試驗和研究參考。

1試驗材料、儀器及方法

1.1試驗材料

為了讓試驗更加貼近工程實際，試樣制備前，需預先在已碾壓成型質量監測合格的強~中風化板巖路基段，選取尺寸約50cm×50cm的試點三處，下挖約30cm，分別進行篩分試驗，并對篩分數據進行處理，獲得強~中風化板巖填料現場壓實的原始級配。由于現場碾壓所得級配有約3%的顆粒粒徑超過了6cm，超過了大型三軸試驗的上限，鑒于超限顆粒比例很小，參照《土工試驗規程》（SL237-1999）[6]，采用混合法對原設計級配進行縮尺是最為合適的，即先對設計級配按相似級配法縮尺，再對超徑部分以60mm～5mm的粒徑進行等量替代。

為控制三軸壓縮試驗試樣的密實狀態，需預先開展填料的擊實試驗，以獲取該類填料的最大干密度。因強~中風化板巖填料屬粗粒料，擊實試驗需按照重型擊實試驗操作，試驗擊實筒尺寸為Ф300×H288mm，擊錘質量35.2kg，擊實功2688.2 kJ/m3。設計了5個含水率進行擊實試驗，分別為2%、3.5%、5%、6.5%和8%，最終得到該樣的最大干密度為2.238g/cm3，對應最優含水率為約5%。按照93%的壓實度要求，三軸壓縮試驗中，強~中風化板巖填料的制樣密度取2.082g/cm3。

1.2試驗儀器

三軸試驗采用大型三軸壓縮試驗儀，試樣尺寸Ф300×H600mm，最大圍壓3.0MPa，最大軸向應力21MPa，最大行程300mm。儀器圖片見圖1，設備主體包括剛性反力架，軸向油壓千斤頂、三軸壓縮室以及穩壓系統（采用液氮加壓的方式穩定微調試驗過程中的圍壓）。

圖1大型三軸壓縮儀

Fig2 Large scale three axis compression apparatus

1.3試驗方法

為模擬氣候環境影響的干濕循環試驗，試件干燥樁態含水率應接近于長期不降雨時邊坡中填料的含水率，其潮濕狀態含水率應接近于連續降雨時邊坡中填料的含水率，但實際試驗時，一是因為現場邊坡中填料的干濕狀態含水率難以準確獲得，二是室內試驗時填料含水率也難以準確控制，再者，工程人員更關心的是長期干濕循環作用之后的最不利狀態，因此，本課題在開展試驗研究時，將干燥狀態確定為通過重力排水+吹氣輔助排水至連續30s時間不再有水滴流出；潮濕狀態按飽和狀態考慮。

經實測和計算，試樣飽和含水率為22.4%，經重力自由排水后，含水率降至12%~13%，再經二氧化碳吹氣輔助排水，直至連續30s時間不再有水滴流出為止，含水率降至8%左右，如此反復以達到相應的干濕循環次數，再開始三軸壓縮試驗。從充分排水后試樣來看，對試樣結構起骨架作用的粗顆粒表面已無明水痕跡，水主要集中在細顆粒之間。

按照設計試驗級配和試驗密度，對強~中風化板巖進行了大型三軸壓縮試驗，試樣干密度為2.082g/cm3，因研究為淺層路基工程服務，故四個圍壓分別取50KPa、100KPa、200KPa、400KPa，采用飽和固結排水剪切模式，剪切速率均為0.45mm/min，分別對經歷了0次、1次、3次和5次干濕循環的試樣開展三軸壓縮試驗。

2試驗成果整理

根據不同圍壓條件下的應力應變曲線可以繪制相應的一組摩爾應力圓，進而獲取相應干濕循環次數下路基填料的線性剪切強度指標。

強至中風化板巖大型三軸壓縮試驗成果曲線詳見圖2~圖5。根據試驗整理得到的抗剪強度參數見表1。

(a)軸向應力-軸向應變曲線

(b) 莫爾圓及線性強度擬合曲線

圖2大型三軸壓縮試驗成果（0次干濕循環）

Fig. 2Results of large scale three axial compression test (0 dry wet cycle)

圖3大型三軸壓縮試驗成果（1次干濕循環）

Fig. 3Results of large scale three axial compression test (1 dry wet cycle)

(a)軸向應力-軸向應變曲線

圖4大型三軸壓縮試驗成果（3次干濕循環）

Fig. 4Results of large scale three axial compression test (3 dry wet cycles)

圖5大型三軸壓縮試驗成果（5次干濕循環）

Fig. 5Results of large scale three axial compression test (5 dry wet cycles)

表1強至中風化板巖三軸壓縮試驗成果表

Tab1 Large three axial compression test results ofheavy-middle weathering slate fillings

3.試驗成果分析

通過板巖填料的軸向應力-應變曲線可以發現：在本次試驗級配和試驗干密度范圍內，應力應變關系基本呈現應力強化型，即當軸向應變進一步增大時，軸向應力無明顯峰值，而是始終保持在接近峰值的狀態，填料的工程特性較好。

對干濕循環條件下的強~中風化板巖的線性剪切強度指標進行分析，可以得到如下結論：填料的黏聚力隨著干濕循環次數的增多逐漸增加，粘聚力與干濕循環次數之間近似呈線性關系，如圖6所示；填料的內摩擦角φ和tanφ隨著干濕循環次數的增多逐漸減小，且近似呈冪函數關系（為簡化擬合函數式，本處以0.01次代替0次），如圖7和圖8所示。

干濕循環效應對于強~中風化板巖填料的抗剪強度參數影響是較為顯著的，特別是首次干濕循環后，φ有約7%的弱化，tanφ有約9%的弱化，而當干濕循環次數進一步增加時，強度仍有劣化趨勢，但變化較微弱。

填料的總體抗剪強度與其所處位置的正應力有關，并可表述為：

τ=c+σtanφ

對不同干濕循環次數不同正應力條件的總體抗剪強度衰減比例進行比較，見表2，可以發現在干濕循環作用下，不同正應力下（對應于不同路基部位）的總體抗剪強度會有約2%~7%的劣化。

表2干濕循環作用下抗剪強度劣化率

Tab 2 Degradation rate of shear strength under drying-wetting cycles

整體上看，干濕循環效應對于板巖填料的抗剪強度參數的影響是較為顯著的，特別是首次干濕循環后。就三黎高速公路強~中風化板溪群板巖而言，首次干濕循環使得填料內摩擦角下降約7%，粘聚力上升約26%?？傮w抗剪強度僅有約2~7%的下降，這主要是因為強~中風化板溪群板巖礦物成分中，親水礦物含量相對較少（僅含伊利石，且含量＜16%）[7]]，干濕循環可能對其他親水礦物含量較高的軟巖填料總體抗剪強度影響會較大。今后可考慮開展親水礦物含量與干濕循環作用下軟巖填料抗剪強度劣化率之間的關系研究。

4.結論

1板巖填料干濕循環大型三軸壓縮試驗中，可以采用重力排水+吹氣排水相結合的措施來盡可能多的排除自由水，連續30s時間不再有水滴流出可以認為基本完成干燥流程；其濕態可按飽和狀態進行考慮。

2就強~中風化板溪群板巖填料而言，黏聚力c值隨干濕循環次數增多近似呈線性增長，摩察角φ值隨干濕循環次數增多近似呈指數函數減小。

3干濕循環效應對強~中風化板溪群板巖填料的抗剪強度參數影響是較為顯著的，特別是首次干濕循環后，其內摩擦角下降約7%，粘聚力上升約26%，當干濕循環次數進一步增加時，強度仍有變化趨勢，但變化較弱。

4盡管干濕循環效應對強~中風化板巖填料的抗剪強度參數有較顯著的影響，但其總體抗剪強度僅有約2~7%的下降。說明干濕循環效應對于強~中風化板巖路堤邊坡穩定性的影響并不大。

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