干濕作用對砂泥巖混合料壓縮特性的影響

李 輝，王 杰

（重慶交通大學a.河海學院；b.機電與車輛工程學院，重慶 400074）

砂泥混合料是我國西南地區砂巖和泥巖地層中，經過爆破開挖形成的砂巖和泥巖顆?；旌衔铮?］。泥巖由于具有遇水軟化甚至泥化的特殊性質［2］，其形成的砂泥巖混合料在涉水工程中會有較大的工后沉降變形。反復的降雨、暴曬對砂泥巖的物理性質影響較大［3］，這也會增大沉降位移。因此，對干濕循環作用下的砂泥巖混合壓縮特性的研究尤為重要。

相關學者對土體的壓縮性能進行了大量研究。劉文化等［4］通過對不同干密度土體經過干濕循環后開展三軸剪切試驗，得出干濕循環作用受土體初始干密度影響；王帥等［5］通過將水泥摻入紅砂巖土并進行干濕循環，得出水泥使紅砂巖的彈性模量和峰值強度提高；張清振等［6］對堆石料進行了干濕循環試驗，得出堆石料試樣在干濕循環過程中發生的變形隨循環次數逐漸增加，并趨于穩定；何葉［7］通過對泥巖進行干濕循環試驗，得出泥巖單軸抗壓強度隨著循環次數的增加，各項強度指標都呈較平穩的下降趨勢，折減規律基本符合指數分布；薛晶晶等［8］通過對細砂巖和變泥質砂巖進行干濕循環試驗，得出自身礦物成分以及巖樣膠結物含量的不同影響強度及破壞形式；簡富獻等［9］得出長時間浸水會增加砂泥巖混合的壓縮變形，其浸水飽和與抽真空飽和相差不明顯。綜上可見，對研究砂泥巖混合料反復干濕循環作用下的壓縮特性研究較少，研究砂泥巖混合料在干濕循環作用下的壓縮特性對預防填筑料沉降是有重要意義的。

鑒于此，本文基于砂泥巖混合料在干濕循環作用的壓縮試驗，考慮泥巖含量、干濕循環次數、浸水時間等因素，分析沉降位移、孔隙比及壓縮指標的演化規律，以期為砂泥巖混合料的工程運用提供科學參考。

1 試驗準備及方案制定

1.1 試驗材料

試驗材料取自重慶某建筑工地，經過試驗室測得其基本物理力學性質如表1所示。

表1 砂泥巖顆粒的物理力學性質

1.2 粒徑與級配選取

砂巖、泥巖粒徑分別為5、2、1、0.5、0.25、0.075 mm，相應顆粒級配如圖1所示。

圖1 粒徑級配

1.3 試驗方法

1.3.1 干濕循環試驗方法

采用浸泡-烘干試驗方法，浸水時間為2 h，烘干1 h，一次干濕循環周期為3 h左右。

1.3.2 單向壓縮試驗方法

試驗在GYS-20型三聯式單向壓縮儀器中進行。該儀器由機架、底座、陶土板、壓力室，軸向加載系統和位移傳感器組成。試樣尺寸?100 mm×30 mm，壓縮試驗所施加軸向荷載為50、100、200、400、800、1 200、1 600 kPa等7組不同的荷載，具體試驗方案如表2所示。

表2 試驗方案

2 試驗結果及分析

2.1 泥巖質量分數對砂泥巖混合料壓縮特性的影響

圖2為不同泥巖質量分數的位移（ε）與荷載（p）曲線。

圖2 不同泥巖質量分數下ε-p曲線

由圖2可知，位移均隨荷載的增加而增大，位移曲線斜率在0＜σ＜200 kPa時，斜率較大；隨著荷載的增加，斜率逐漸減小。相同荷載下，泥巖質量分數越少，其壓縮量就越小。泥巖質量分數為30%的混合料比泥巖質量分數為70%的混合料位移減少0.489 mm，相對軸向應變減少1.63%。

圖3為不同泥巖含量下孔隙比（e）與荷載（p）曲線。

圖3 不同泥巖質量分數下e-p曲線

由圖3可知，在初始孔隙比為0.41時，孔隙比均隨荷載的增加而減小，e-p曲線斜率在0＜σ＜200 kPa時，斜率較大；隨著荷載的增加，斜率逐漸減小至穩定。相同荷載下，泥巖質量分數越小，其孔隙比越大。泥巖質量分數為70%的混合料比泥巖含量為30%的混合料孔隙比減少0.022 98，相對應變減少5.604%。

圖4為不同泥巖質量分數的壓縮系數（av）與荷載（p）曲線。

圖4 不同泥巖質量分數a v-p曲線

由圖4可知，壓縮系數均隨荷載的增加而減小，位移曲線斜率在0＜σ＜200 kPa時，斜率較大；隨著荷載的增加，斜率逐漸減小趨于穩定。相同荷載下，泥巖質量分數越少，其壓縮系數越小。初始階段，泥巖質量分數為70%的混合料比泥巖質量分數為30%的壓縮系數增大0.12 MPa-1，最大荷載下，壓縮系數相差0.01 MPa-1，說明此時土體處于壓實狀態。

圖5為不同泥巖質量分數的壓縮模量（Es）與荷載曲線（p）。

圖5 不同泥巖質量分數E s-p曲線

由圖5可知，壓縮模量均隨隨荷載的增加而增大，位移曲線斜率在0＜σ＜200 kPa時，斜率較大；隨著荷載的增加，斜率逐漸減小。相同荷載下，泥巖質量分數越少，其壓縮模量越大。在最大荷載下，泥巖質量分數為30%的混合料比泥巖質量分數為70%的混合料壓縮模量增大14.79 MPa。

2.2 不同干濕循環次數對砂泥巖混合料壓縮特性影響

圖6為不同干濕循環次數的位移（ε）荷載（p）曲線。

圖6 不同干濕循環次數ε-p曲線

由圖6可知，位移均隨荷載的增加而增大，位移曲線斜率在0＜σ＜200 kPa時，斜率較大；隨著荷載的增加，斜率逐漸減小。在相同荷載下，干濕循環次數越多，其壓縮量就越大。最大荷載下，10次干濕循環下壓縮位移比未干濕循環下壓縮位移增大1.102 mm，相對軸向應變增大3.67%。

圖7為不同干濕循環次數下孔隙比與荷載曲線。

圖7 不同干濕循環次數e-p曲線

由圖7可知，在初始孔隙比為0.41時，孔隙比均隨荷載的增加而減小，e-p曲線斜率在0＜σ＜200 kPa時，斜率較大；隨著荷載的增加，斜率逐漸減小至穩定。在相同荷載下，干濕循環次數越多，其孔隙比越小。10次干濕循環下孔隙比較未干濕循環下孔隙比減小0.051 7，相對應變減少12.63%。

圖8為不同干濕循環次數下壓縮系數與荷載曲線。

圖8 不同干濕循環次數a v-p曲線

由圖8可知，壓縮系數均隨荷載的增加而減小，位移曲線斜率在0＜σ＜200 kPa時，斜率較大；隨著荷載的增加，斜率逐漸減小趨于穩定。在相同荷載下，干濕循環次數越少，其壓縮系數越小，混合料壓縮性越低。初始階段，10次循環下壓縮系數較未干濕循環下增大0.304 MPa-1，此時土體易被壓縮。在最大荷載下，壓縮系數相差0.013 MPa-1。

圖9為不同干濕循環次數下壓縮模量與荷載曲線。

圖9 不同干濕循環次數E s-p曲線

由圖9可知，壓縮模量均隨隨荷載的增加而增大，位移曲線斜率在0＜σ＜200 kPa時，斜率較大；隨著荷載的增加，斜率逐漸減小并趨于平緩。在相同荷載下，干濕循環次數越多，其壓縮模量越小，土體壓縮性越高。在最大荷載下，10次干濕循環下混合料壓縮模量比未干濕循環次壓縮模量減少21.34 MPa。

2.3 不同浸水時間對砂泥巖混合料壓縮特性影響

圖10為不同浸泡時間下的荷載位移曲線。

圖10 不同浸泡時間ε-p曲線

由圖10可知，位移均隨荷載的增加而增大，位移曲線斜率在0＜σ＜200 kPa時，斜率較大；隨著荷載的增加，斜率逐漸減小。相同荷載下，浸泡時間越長，其壓縮量就越大。最大荷載下，浸泡48 h壓縮位移比浸泡2h壓縮位移增大1.13，相對軸向應變增大3.77%。

圖11為不同浸泡時間下的孔隙比與荷載曲線。

圖11 不同浸泡時間e-p曲線

由圖11可知，在初始孔隙比為0.41時，孔隙比均隨荷載的增加而減小，e-p曲線斜率在0＜σ＜200 kPa時，斜率較大；隨著荷載的增加，斜率逐漸減小至穩定。相同荷載下，浸泡時間越長，其孔隙比越小，浸泡48 h混合料孔隙比較未浸泡2 h混合料孔隙比減小0.053 1，相對應變減少12.95%。

圖12為不同浸泡時間下壓縮系數與荷載曲線。

圖12 不同浸泡時間a v-p曲線

由圖12可知，壓縮系數均隨荷載的增加而減小，位移曲線斜率在0＜σ＜200 kPa時，斜率較大；隨著荷載的增加，斜率逐漸減小趨于穩定。相同荷載下，浸泡時間越長，其壓縮系數越大，混合料壓縮性越高。初始階段，浸泡48 h混合料壓縮系數較未浸泡2 h混合料壓縮系數增大0.263 1 MPa-1，此時土體易被壓縮。最大荷載下，壓縮系數相差0.010 7 MPa-1。

圖13為不同浸泡時間下壓縮模量與荷載曲線。

圖13 不同浸泡時間E s-p曲線

由圖13可知，壓縮模量均隨隨荷載的增加而增大，位移曲線斜率在0＜σ＜200 kPa時，斜率較大；隨著荷載的增加，斜率逐漸減小并趨于平緩。相同荷載下，浸泡時間越長，其壓縮模量越小，土體壓縮性越高。最大荷載下，浸泡48 h混合料壓縮模量比浸泡2 h混合料壓縮模量減少14.79 MPa。

3 結 論

本文通過對砂泥巖混合料進行壓縮試驗，查明了不同泥巖摻量下試樣的壓縮特性，研究了干濕循環次數、浸水時間對砂泥巖混合料的影響，得出結論如下。

（1）泥巖質量分數不同，影響該混合料的壓縮特性。當泥巖質量分數為30%時，沉降位移最小，孔隙比減小較少。因此作為填方路堤，適當減少泥巖質量分數有助于增大壓實度，減小沉降位移。

（2）經過第一次干濕循環，混合料劣化程度較為顯著，沉降位移及孔隙比減小幅度對于未經過干濕循環較大；隨著干濕循環次數的增加，沉降位移逐漸增大，孔隙比逐漸減小。在應力為0＜σ＜200 kPa時，荷載與位移、孔隙比、壓縮系數以及壓縮模量曲線斜率較大；隨著荷載的增加，斜率逐漸減小并趨于平緩，呈現對數關系。

（3）浸水時間影響干濕循環下砂泥巖混合料壓縮特性的重要因素，隨著浸水時間的增加，浸泡48 h的混合料位移、壓縮系數比浸泡2 h混合料大，壓縮模量及孔隙比較2 h混合料小，說明浸泡時間越長，混合料壓縮特性越高。