張?zhí)畦ぃR麗娜,2，張戎令,2,3，王起才,2，王天雙

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué)道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070；3.卡迪夫大學(xué)工程學(xué)院，英國(guó) CF24 3AA)

0 引言

膨脹土是一種高塑性的特殊土，其變形與破壞具有反復(fù)性和長(zhǎng)期潛在性等特點(diǎn)，對(duì)房屋、管道、鐵路等工程的安全極為不利，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成巨大損失，工程界常稱之為災(zāi)害性土[1]。

關(guān)于膨脹性土的研究具有區(qū)域性和工程具體性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其各種性質(zhì)進(jìn)行了大量研究并取得了頗有價(jià)值的理論成果。孫德安等[2]采用飽和鹽溶液蒸汽平衡法測(cè)量了壓實(shí)南陽(yáng)膨脹土在不同吸力下含水率和孔隙比等一系列土水特性。王曉燕等[3]利用CT(Computerized Tomography)機(jī)對(duì)南水北調(diào)中線工程膨脹土擊實(shí)樣細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化進(jìn)行了無(wú)損實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)掃描。王文良等[4]以安康地區(qū)膨脹土為研究對(duì)象，進(jìn)行了膨脹土及石灰改良膨脹土膨脹性能和強(qiáng)度的相關(guān)試驗(yàn)，提出使用石灰改良膨脹土對(duì)飛機(jī)跑道進(jìn)行地基處理。文松松等[5]采用寧明膨脹土為研究對(duì)象，開(kāi)展了膨脹土在蒸餾水飽和環(huán)境下的膨脹特性研究，探究了其膨脹機(jī)理。SUN D A等[6]通過(guò)研究高廟子膨脹土與砂土組成的混合土的膨脹性，提出了可以預(yù)測(cè)不同干密度和不同膨脹土/砂土比的混合土的膨脹變形和膨脹力公式。

上述研究對(duì)進(jìn)一步理解膨脹土的變形特性及膨脹量的預(yù)測(cè)都具有一定的實(shí)際工程意義，但其主要集中在對(duì)小型膨脹土樣的特性研究，實(shí)際工程中，巖土體膨脹伴隨水分遷移，對(duì)較大尺寸高速鐵路膨脹泥巖地基膨脹性及水分遷移研究尚不多見(jiàn)。而工程現(xiàn)場(chǎng)地基均以大體積泥巖為主，進(jìn)行較大尺寸膨脹特性研究更接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。從土工試驗(yàn)技術(shù)本身發(fā)展來(lái)看，大尺寸土工試驗(yàn)的應(yīng)用，可以更大程度上降低巖土試樣的局部缺陷、取樣擾動(dòng)等不可避免的隨機(jī)因素，使試驗(yàn)更宏觀化，在同樣儀器精度下，提高試驗(yàn)成果的精度和可靠度[7]。因此，對(duì)較大尺寸膨脹泥巖地基進(jìn)行膨脹及水分遷移試驗(yàn)研究變得更為必要。

本文依托蘭新高鐵第二雙線，鉆取一處典型膨脹地段的泥巖，在室內(nèi)進(jìn)行三組較大尺寸試驗(yàn)研究，對(duì)比分析壓實(shí)作用對(duì)泥巖膨脹及水分遷移的影響，并采用體式顯微鏡對(duì)泥巖進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析。為膨脹泥巖地區(qū)高速鐵路的修建提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及過(guò)程

共進(jìn)行3種不同干密度(干密度分別為1.4 g/cm3、1.5 g/cm3、1.6 g/cm3)的試驗(yàn)，對(duì)比分析壓實(shí)作用對(duì)較大尺寸泥巖膨脹性及水分遷移的影響。

1.1 土樣性質(zhì)

試驗(yàn)?zāi)鄮r取自蘭新高鐵第二雙線DK1236處，采用鉆機(jī)取樣，取樣深度8～13 m。按照規(guī)范[8]測(cè)得其物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 泥巖基本物理力學(xué)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

(1)在試驗(yàn)開(kāi)始前，將巖芯碾細(xì)，置于50°恒溫烘箱內(nèi)將泥巖徹底烘干，以避免鉆芯過(guò)程中殘留水分對(duì)試驗(yàn)的影響；

(2)為排除泥巖粒徑過(guò)大影響水分遷移規(guī)律，使得粒徑對(duì)水分遷移的影響降至最小并保留實(shí)際泥巖中的顆粒，將烘干泥巖過(guò)5 mm篩以備后期夯實(shí)；

(3)實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)分析中假定大地為半無(wú)限體，只發(fā)生豎向膨脹。本次試驗(yàn)為限制泥巖側(cè)向膨脹變形，加工直徑32 cm，高45 cm，厚2 mm的鋼制試驗(yàn)箱進(jìn)行試驗(yàn)；

(4)使用手夯錘人工分層夯實(shí)泥巖，通過(guò)控制夯實(shí)的質(zhì)量及每層的夯實(shí)厚度來(lái)控制試樣的均一性，并在分層處進(jìn)行鑿毛處理，三組試驗(yàn)夯實(shí)厚度均為40 cm，將TDR-4型濕度傳感器布置在距離試驗(yàn)箱底部2 cm、18.5 cm和35 cm處，用以測(cè)定試驗(yàn)箱水分遷移速度及規(guī)律。TDR-4型濕度傳感器外形呈四針圓柱結(jié)構(gòu)，探針材料為316L不銹鋼，密封材料為ABS工程塑料，測(cè)試精度達(dá)到2%，屬埋入式水分測(cè)量?jī)x器，其抗壓能力強(qiáng)，滿足試驗(yàn)強(qiáng)夯的要求；

(5)試驗(yàn)為豎向注水，為防止水流對(duì)土體產(chǎn)生沖刷，在夯實(shí)泥巖頂部放置一塊直徑30 cm、厚3 cm、帶孔的圓形塑料滲水板。

(6)在滲水板上沿直徑布置量程50.000 mm，精度0.001 mm的位移傳感器以量測(cè)泥巖的膨脹量，位移傳感器布置3個(gè)用于相互校準(zhǔn)；

(7)傳感器布置完后進(jìn)行注水及讀數(shù)工作，試驗(yàn)中保持滲水板上一直有水，每天進(jìn)行至少6次讀數(shù)以保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性，當(dāng)所有傳感器讀數(shù)均基本穩(wěn)定，則結(jié)束試驗(yàn)；

(8)試驗(yàn)示意圖如圖1所示，試驗(yàn)由注水系統(tǒng)(a)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(b)和試驗(yàn)箱(c)組成。

圖1 試驗(yàn)示意圖Fig.1 Testing diagram1—位移傳感器；2—滲水板(帶孔)，方便水流入滲；3—夯實(shí)泥巖；4—鋼制試驗(yàn)箱；5—濕度傳感器；6—注水方向(由上往下)。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 干密度對(duì)泥巖膨脹性的影響

以試驗(yàn)歷時(shí)為橫坐標(biāo)，不同干密度下泥巖的膨脹量為縱坐標(biāo)進(jìn)行繪圖(圖2)。

圖2 不同干密度泥巖膨脹歷時(shí)圖Fig.2 Swelling diagram of mudstone with different dry densities

由圖2可知，該地區(qū)泥巖在浸水之后確實(shí)會(huì)發(fā)生膨脹，再一次印證了課題組馬麗娜等[9-13]的觀點(diǎn)。隨著時(shí)間的增加，膨脹量呈非線性增加，不同干密度狀態(tài)下的泥巖膨脹均經(jīng)歷初期快速陡增階段、中期膨脹減緩階段和后期膨脹穩(wěn)定階段；干密度越小的泥巖經(jīng)歷初期快速陡增階段時(shí)間越短，陡增速率越大；試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，干密度為1.4 g/cm3、1.5 g/cm3、1.6 g/cm3的泥巖最終膨脹量分別為9.265 mm、12.635 mm和16.562 mm，最終膨脹率為2.316%、3.159%和4.141%。

圖3為不同干密度對(duì)應(yīng)膨脹量及膨脹率關(guān)系圖。由圖3可知，穩(wěn)定膨脹量和穩(wěn)定膨脹率均隨著干密度的增加呈近似線形增加。

圖3 干密度與膨脹量、膨脹率關(guān)系圖Fig.3 Relationship between the dry density and swelling increment and swelling rate

分析產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因：泥巖對(duì)水分敏感，一經(jīng)浸水，立即發(fā)生膨脹，因此出現(xiàn)初期膨脹陡增現(xiàn)象；膨脹的產(chǎn)生除了與自生的性質(zhì)相關(guān)外，外力對(duì)其影響也較大，相同性質(zhì)的泥巖，壓實(shí)過(guò)程也即固結(jié)過(guò)程對(duì)膨脹有一定的抑制作用，干密度越大，其壓實(shí)作用也越大，從而產(chǎn)生陡增速率隨著干密度的增加逐漸減小的現(xiàn)象；相同體積的泥巖，其干密度越大，則所含的膨脹性成分越多，儲(chǔ)存的膨脹能也越大，因此干密度大的泥巖最終膨脹量大。

2.2 干密度對(duì)泥巖水分遷移的影響

泥巖的膨脹與水分遷移息息相關(guān)，以試驗(yàn)歷時(shí)為橫坐標(biāo)，試驗(yàn)箱不同位置處泥巖體積含水率為縱坐標(biāo)進(jìn)行繪圖。在各不同壓實(shí)作用下的泥巖中所量測(cè)的體積含水率增長(zhǎng)規(guī)律相同，以1.4 g/cm3泥巖試驗(yàn)箱為例進(jìn)行論述，如圖4所示，其他試驗(yàn)箱體積含水率增長(zhǎng)時(shí)程曲線不再進(jìn)行贅述。

圖4 體積含水率變化曲線(1.4 g/cm3)Fig.4 Volumetric moisture content curve (1.4 g/cm3)

由圖4可知，試驗(yàn)箱中不同位置處泥巖體積含水率隨時(shí)間均呈非線性增大，最后趨于一定值；其增大規(guī)律均相同，增大過(guò)程均呈跳躍式快速增長(zhǎng)階段、外凸弧線緩慢增長(zhǎng)階段和后期穩(wěn)定階段；干密度為1.4 g/cm3的泥巖上部、中部和底部穩(wěn)定體積含水率分別為53.48%、53.26%和56.33%，同理可得其他兩組試驗(yàn)箱各不同位置處的穩(wěn)定體積含水率(表2)。

表2 泥巖穩(wěn)定體積含水率

由表2可知，1.4 g/cm3試驗(yàn)箱上部泥巖和中部泥巖體積含水率幾近相同，而底部泥巖體積含水率大于上部和中部泥巖的體積含水率；干密度為1.5 g/cm3的泥巖不同位置處泥巖體積含水率近似相同；干密度為1.6 g/cm3的泥巖上部、中部和底部穩(wěn)定體積含水率分別為呈上部>中部>底部的規(guī)律，隨著深度的增加，體積含水率呈減小趨勢(shì)。

分析上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：干密度1.4 g/cm3的泥巖孔隙率較大，在該干密度狀態(tài)下大氣影響深度較夯實(shí)泥巖厚度大許多，水分易于在該壓實(shí)狀態(tài)下遷移，在重力作用下水分向下運(yùn)動(dòng)，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)在試驗(yàn)箱底部有一定的水分積累，因此，該干密度狀態(tài)下的試驗(yàn)箱底部體積含水率較上部和中部大；干密度1.6 g/cm3的泥巖壓實(shí)度最大，其孔隙率最小，大氣影響深度較1.4 g/cm3的泥巖減小較多，水分越往下越難以滲透，另外，水分在泥巖中遷移的同時(shí)發(fā)生膨脹，膨脹使得土顆粒之間相互擠密，已浸水膨脹泥巖與上覆水層形成密封層，不利于水分向下遷移，從而導(dǎo)致試驗(yàn)箱越深處的泥巖體積含水率越??；干密度1.5 g/cm3的泥巖，其大氣影響深度介于其他兩個(gè)試驗(yàn)箱之間，泥巖膨脹擠密作用適中，因此試驗(yàn)結(jié)束時(shí)該試驗(yàn)箱不同位置處泥巖體積含水率相同。

泥巖體積含水率增量與其所處的濕度狀態(tài)相關(guān)，以體積含水率為橫坐標(biāo)，體積含水率增量為縱坐標(biāo)進(jìn)行繪圖，以干密度1.4 g/cm3泥巖為例(圖5)。

由圖5可知，泥巖在體積含水率較低時(shí)體積含水率增量最大，之后急劇減小，最后趨于穩(wěn)定。經(jīng)分析是由于體積含水率低時(shí)其基質(zhì)吸力較大，此時(shí)水分遷移速度較快，因此體積含水率增長(zhǎng)較快，浸水后泥巖基質(zhì)吸力急劇減小，此時(shí)體積含水率增量較小。

圖5 體積含水率增量曲線Fig.5 Volumetric moisture content increment curve

由上述分析可知，當(dāng)水分遷移到濕度傳感器位置時(shí)，濕度傳感器讀數(shù)會(huì)發(fā)生驟增，因此可通過(guò)體積含水率驟增點(diǎn)的時(shí)間來(lái)計(jì)算水分在泥巖中的平均遷移速度(表3)。其中T上表示注水開(kāi)始至上部濕度傳感器發(fā)生驟增所需要的時(shí)間，V上表示水分在上部傳感器與土體表面之間的遷移速度。

由表3可知，水分遷移受干密度影響較大，隨著干密度的增加，水分在不同干密度的試驗(yàn)箱中遷移相同距離所需要的時(shí)間逐漸增加，水分遷移速度逐漸減小。

表3 水分遷移規(guī)律

3 微觀分析

巖土體微觀結(jié)構(gòu)特征是巖土體的一個(gè)重要物理指標(biāo)，通過(guò)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的研究，可以對(duì)巖土體的各種物理力學(xué)現(xiàn)象給出最合理的解釋[14]。因此，對(duì)泥巖進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析很有必要。

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)采用體式顯微鏡(AxioCam MRc5 2.0)對(duì)泥巖的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行直觀觀察。該體式顯微鏡在150倍(×150)及150倍以下可以得到較好的觀察效果；用150倍以上倍數(shù)觀察巖土試樣，對(duì)巖土體試樣平整度以及燈光的要求較高，難以得到理想的觀察效果，試驗(yàn)選用較大的過(guò)篩泥巖顆粒，對(duì)其進(jìn)行膨脹前后觀察。

3.2 結(jié)果分析

試驗(yàn)選擇在80倍(×80)、100倍(×100)、150倍(×150)狀態(tài)下將泥巖膨脹前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析(圖6)。

圖6 膨脹前后結(jié)構(gòu)對(duì)比圖Fig.6 Comparison of the structures before and after expansion

由圖6中膨脹前的結(jié)構(gòu)可以看出泥巖顆粒無(wú)層理構(gòu)造，顆粒分明，有大量晶型完整的石英礦物顆粒，石英顆粒粒徑均勻,有一定磨圓度，顆粒與顆粒接觸較少，雜亂無(wú)序地鑲嵌于黏土基質(zhì)中，與黏土體顆粒共混；巖土體孔隙較為發(fā)育，孔徑大小不定，連通性較好，可為水分遷移提供通道；裂隙不發(fā)育，偶見(jiàn)裂隙，無(wú)層理構(gòu)造，黏土基質(zhì)可見(jiàn)氧化鐵染紅現(xiàn)象，顏色較淺；石英顆粒與黏土基質(zhì)粘結(jié)較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)致密。泥巖浸水膨脹之后，泥巖呈泥質(zhì)狀態(tài)，土體顆粒較膨脹前模糊；氧化鐵染紅現(xiàn)象加?。皇㈩w粒與黏土礦物之間界限模糊，偶見(jiàn)石英顆粒；石英顆粒與黏土礦物之間粘結(jié)發(fā)生破壞，水分在泥巖孔隙中遷移，使得更多黏粒成分浸水膨脹，從而使得泥巖總體積增大。

4 結(jié)論

進(jìn)行了三組較大尺寸的試驗(yàn)研究，并采用體式顯微鏡進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)分析，得到如下結(jié)論：

(1)不同干密度狀態(tài)下的泥巖膨脹均呈三段式膨脹，包括：初期快速陡增階段、中期膨脹減緩階段和后期膨脹穩(wěn)定階段，干密度小的泥巖陡增速率大，干密度大的泥巖反之；

(2)隨著干密度的增加，泥巖最終膨脹量和最終膨脹率近似呈線形增加；

(3)不同干密度、不同位置處泥巖體積含水率增大規(guī)律相同，增大過(guò)程均呈跳躍式快速增長(zhǎng)階段、外凸弧線緩慢增長(zhǎng)階段和后期穩(wěn)定階段；干密度越大，膨脹擠密效果越明顯，大氣影響深度越小，泥巖水分遷移速度越?。?/p>

(4)該地泥巖泥巖中存在較為發(fā)育且連通性較好的孔隙，孔隙的存在利于水分的遷移，使得泥巖易于膨脹。