丁 峰，洪啟楓，闕 云，馬懷森

(1.龍巖東環(huán)高速公路有限責(zé)任公司，福建 龍巖 364031；2.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350108)

煤系土是由煤系地層經(jīng)自然風(fēng)化、崩解、剝落等形成，分布廣泛，如湖南、廣東、江西、福建等地。眾所周知，煤系地層具有干裂、吸水性強(qiáng)、雨水膨脹軟化、抗剪強(qiáng)度驟降而喪失強(qiáng)度、部分水質(zhì)具有強(qiáng)烈的硫酸鹽侵蝕性等工程特性，致使地層風(fēng)化嚴(yán)重等特點(diǎn)，對(duì)于邊坡長(zhǎng)期穩(wěn)定性極為不利，如廣梧高速公路在陰雨天氣下常發(fā)生不同程度的滑塌現(xiàn)象[1]、郴州高壁村因人工開挖與強(qiáng)降雨導(dǎo)致滑坡[2]、昌栗高速因煤系地層大面積揭露與降雨侵蝕發(fā)生多次表層滑塌事故[3]。經(jīng)過人工開挖的煤系土邊坡若不進(jìn)行加固或加固不及時(shí)，則在降雨誘發(fā)[4-5]下幾乎都會(huì)出現(xiàn)滑坡，其滑動(dòng)面基本分布在煤系地層中。

鑒于煤系土邊坡的特殊性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已逐漸對(duì)煤系土開展了大量研究，取得了較為豐碩的成果，如祝磊等[6-7]通過室內(nèi)試驗(yàn)，重點(diǎn)研究了廣東云浮地區(qū)三種類型煤系土在不同干密度、含水率下抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律。張晗秋[8]分析討論了昌栗高速煤系土不同初始條件下干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響。符濱[2]、顏陽(yáng)等[9]研究分析了郴州地區(qū)煤系地層的巖石風(fēng)化特性及煤系地層巖土體的微觀結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度及破壞特征。李輝等[10]對(duì)西南山嶺重丘區(qū)紅黏土與廣梧高速公路沿線粉狀煤系土進(jìn)行直剪試驗(yàn)，分析含水率等因素對(duì)于兩者黏聚力、內(nèi)摩擦角以及抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響。楊文軍等[11]針對(duì)廣梧高速公路沿線礫狀煤系土是否能滿足路基填料要求，采用室內(nèi)試驗(yàn)得出在礫狀煤系土中添加3%水泥即可作為路基填料。

雖然上述成果有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)煤系土的工程性質(zhì)，但不同地區(qū)煤系土由于成分等不同，導(dǎo)致工程特性差異較大，存在一定區(qū)域性，目前對(duì)閩西地區(qū)煤系土工程性能尚未系統(tǒng)分析。因此，本文將選取龍巖東環(huán)高速公路(以下簡(jiǎn)稱龍巖東環(huán))沿線分布的典型煤系土為研究對(duì)象，參考《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[12](JTG 3430—2020)等對(duì)煤系土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，研究煤系土的基本特性，分析干濕/凍融循環(huán)對(duì)其耐久性的影響，為閩西類似煤系土邊坡治理提供參考。

1 煤系土的基本工程特性

1.1 不同地區(qū)煤系土的工程特性

為明確龍巖東環(huán)典型煤系土的基本工程特性，進(jìn)行了顆粒分析、界限含水率、比重、擊實(shí)、壓縮、直剪試驗(yàn)等，并將不同地區(qū)煤系土工程性質(zhì)整合列于圖1與表1，以作對(duì)比。

表1 不同地區(qū)煤系土工程特性[1,6-10,13-18]

圖1 不同地區(qū)煤系土顆粒級(jí)配曲線

由圖表可知，各地區(qū)煤系土總體呈現(xiàn)以下特性：

(1) 土體類型主要有級(jí)配不良砂、粉土質(zhì)礫、含砂低液限黏質(zhì)土、卵石夾土、粉土質(zhì)砂五種。除級(jí)配不良砂與粉土質(zhì)礫出現(xiàn)級(jí)配不良外，其余都為級(jí)配良好土。塑性指數(shù)均在2.8～13.4范圍內(nèi)，液限與塑限相差不大。

(2) 比重基本在2.6～2.8之間，屬于黏土范圍。滲透系數(shù)k在2.1×10-6cm/s～2.0×10-5cm/s范圍，屬于低滲透性或極低滲透性土。

(3) 壓縮系數(shù)范圍主要在0.07 MPa-1～0.21 MPa-1，壓縮模量范圍主要在7 MPa～18 MPa之間，屬于中、低壓縮性土。

(4) 由于煤系土層軟弱不均，其黏聚力取值范圍較大，在4.8 kPa～78.1 kPa之間；而內(nèi)摩擦角取值范圍相對(duì)較小，位于24.07°～43.48°之間。

1.2 礦物成分

試驗(yàn)采用DY1602/Empyrean型多功能X射線多晶衍射儀，對(duì)煤系土進(jìn)行礦物成分進(jìn)行分析。煤系土礦物成分組成如圖2，各地區(qū)煤系土礦物成分及含量整合列于表2所示。

圖2 煤系土XRD測(cè)試結(jié)果

表2 調(diào)研煤系土礦物成分基本信息表[8,19-23]

由表可知，各地區(qū)煤系土礦物組成主要為石英、白云母、高嶺石等親水性強(qiáng)的黏土礦物，其黏土礦物含量基本都超過50%，因此，含水率對(duì)煤系土的工程性質(zhì)影響大，遇水易崩解或膨脹，水穩(wěn)定性差。

1.3 擊實(shí)前后顆粒分析

通過對(duì)天然煤系土顆粒(1組5 000 g)分別在30次、追加20次(50次)、追加48次(98次)的不同擊實(shí)次數(shù)下，對(duì)其篩分前后的顆粒在振篩機(jī)上進(jìn)行篩分，記錄擊實(shí)前后各個(gè)粒組的顆粒含量，對(duì)擊實(shí)前后各粒組含量變化進(jìn)行對(duì)比，以室內(nèi)擊碎后顆粒級(jí)配變化規(guī)律反映現(xiàn)場(chǎng)大型機(jī)械激振碾壓之后顆粒級(jí)配變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 擊實(shí)前后煤系土顆粒級(jí)配變化

由圖可知，三種擊實(shí)遍數(shù)后，小于20 mm的顆粒含量分別增加3.58%、5.12%、5.13%，且在50次錘擊后大于20 mm的級(jí)配趨于穩(wěn)定，小于20 mm的級(jí)配變化較大；小于2 mm的顆粒含量分別增加11.06%、15.08%、19.52%；小于0.075 mm的顆粒含量分別增加4.03%、5.13%、5.76%。在小于0.5 mm范圍內(nèi)級(jí)配變化最大，98次錘擊后小于0.5 mm的顆粒含量增加了21.09%。

初始、30擊、50擊、98擊后煤系土樣不均勻系數(shù)Cu分別為26.80、34.56、34.00、30.17；曲率系數(shù)Cc分別為1.03、0.66、0.54、0.50?？梢?，天然煤系土顆粒級(jí)配良好，在擊實(shí)過程中具有顯著的顆粒破碎現(xiàn)象。擊實(shí)試驗(yàn)后煤系土由級(jí)配良好土變?yōu)榧?jí)配不良土，其中砂粒組級(jí)配變化最大。

2 典型煤系土耐久性分析

2.1 耐崩解性

濕化試驗(yàn)結(jié)果表征典型煤系土的耐崩解性。濕化是土體在水中發(fā)生崩解的現(xiàn)象，體現(xiàn)了煤系土水敏感性[6]。煤系土邊坡開挖后，煤系土暴露于大氣中，經(jīng)歷氣候、水位變化，土體易產(chǎn)生濕化現(xiàn)象，導(dǎo)致破裂、剝落或失穩(wěn)。試驗(yàn)所需儀器：浮筒，采用500 ml量筒替代；網(wǎng)板，10 cm×10 cm；玻璃水筒，寬約15 cm，高約70 cm。

以90%壓實(shí)度制作煤系土樣進(jìn)行試驗(yàn)(圖4)。由于立方體擾動(dòng)土試樣較為艱難制作，故采用內(nèi)徑4 cm，高10 cm的重塑筒為模型制作試樣。采用粒徑5 mm以下的煤系土進(jìn)行試樣。試驗(yàn)結(jié)果見圖5所示。

圖4 濕化試驗(yàn)

本次試驗(yàn)歷時(shí)43 min，試樣剛放入水中即產(chǎn)生氣泡，表面迅速剝落；10 min時(shí)水開始變渾濁；34 min時(shí)試樣出現(xiàn)大塊剝落；最終在43 min時(shí)試驗(yàn)結(jié)束，土樣無(wú)殘留，崩解量為100%?？梢姡合低令w粒間黏結(jié)力較低，遇水較易崩解。

圖5 濕化試驗(yàn)過程圖

2.2 干濕/凍融循環(huán)

2.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

干濕循環(huán)通過以下方法實(shí)現(xiàn)(見圖6)：用疊式飽和器安裝固定制備初始含水率的環(huán)刀樣，浸沒與純凈的水中24 h，此為一個(gè)增濕的過程；再將試樣放入烘箱中以70℃的溫度烘干8 h，取出冷卻至常溫，此為一個(gè)脫濕干燥的過程；重復(fù)上述步驟反復(fù)干濕循環(huán)以后，最后一次脫濕結(jié)束，注射所需含水量，悶料使煤系土試樣含水率達(dá)到均勻。

圖6 干濕循環(huán)

凍融循環(huán)循環(huán)通過以下方法實(shí)現(xiàn)(見圖7)：將制備初始含水率的試樣包上保鮮膜，放入-20℃的低溫箱，放置24 h，這是一個(gè)冷凍過程；將試樣放入烘箱中20℃保溫24 h，這是一個(gè)融化解凍過程；重復(fù)上述步驟反復(fù)凍融循環(huán)以后，直至最后一次融化解凍結(jié)束。

圖7 凍融循環(huán)

對(duì)所有循環(huán)結(jié)束的煤系土樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)，得出煤系土的壓縮特性和抗剪強(qiáng)度。

壓縮試驗(yàn)所用儀器有固結(jié)儀：型號(hào)WG-3B；環(huán)刀：直徑為61.8 mm，高度為20 mm；透水石：由氧化鋁或不受土腐蝕的金屬材料組成；變形量測(cè)設(shè)備百分表：量程為10 mm，最小分度為0.01 mm。

直剪試驗(yàn)所用儀器有應(yīng)變控制式直剪儀：型號(hào)為ZJ型，由剪切盒、垂直加荷設(shè)備、剪切傳動(dòng)裝置、測(cè)力計(jì)和位移量測(cè)系統(tǒng)組成，測(cè)力環(huán)系數(shù)C=1.574 kPa/0.01mm；環(huán)刀：內(nèi)徑61.8 mm，高20 mm；位移量測(cè)設(shè)備百分表:量程為10 mm，分度值為0.01 mm。

不同循環(huán)下的壓縮試驗(yàn)與直剪試驗(yàn)試驗(yàn)方案如表3所示。

表3 力學(xué)試驗(yàn)方案

2.2.2 壓縮特性

(1) 孔隙比。以煤系土試樣孔隙比為縱坐標(biāo)，試驗(yàn)所需的不同級(jí)別的荷載為橫坐標(biāo)繪制成e-p曲線。其曲線斜率越小，土樣壓縮越容易，斜率越大，土樣則變形越難[25]。所得試驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 不同干濕次數(shù)與壓力等級(jí)下的e-p曲線

由圖可知：

1) 不同循環(huán)次數(shù)、壓實(shí)度以及不同含水率下煤系土孔隙比均隨荷載級(jí)別增加而減小。說明煤系土所受荷載越大，土體變形加大，致使孔隙比越小。

2) 三種含水率下(ω=9%、12%、15%)煤系土樣，當(dāng)k=87%時(shí)分別減少了0.065、0.073、0.084；k=90%時(shí)分別減少了0.072、0.071、0.066；k=93%時(shí)分別減少了0.048、0.050、0.085。說明相同壓實(shí)度下，煤系土含水率越高更容易壓縮，試驗(yàn)過程中ω=15%時(shí)煤系土樣更易溢水且溢水量最大，與上述規(guī)律吻合。相同含水率下，煤系土樣壓實(shí)度越高越不容易被壓縮。

3) 干濕循環(huán)后不同壓實(shí)度與含水率的煤系土樣孔隙比下降率加大，其中多數(shù)孔隙比下降率在GS=4時(shí)達(dá)到最大，小部分在干濕循環(huán)5～6次時(shí)達(dá)到最大。說明煤系土樣基本在GS=4時(shí)土體性質(zhì)趨于穩(wěn)定狀態(tài)。這是因?yàn)槊合低猎诮?jīng)歷干濕循環(huán)之后，粒徑發(fā)生變化，大粒徑崩解成小粒徑，填充了孔隙，在經(jīng)歷4次干濕循環(huán)之后，較大粒徑基本破碎完全，煤系土顆粒級(jí)配穩(wěn)定，致使煤系土力學(xué)性質(zhì)趨于穩(wěn)定。

圖9 不同凍融次數(shù)與壓力等級(jí)下的e-p曲線

4) 凍融循環(huán)下煤系土孔隙比規(guī)律與干濕循環(huán)基本相同，不同之處在于孔隙比下降率在凍融循環(huán)5次時(shí)達(dá)到最大。說明煤系土樣在DR=5時(shí)土體性質(zhì)趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)閮鋈谘h(huán)條件下煤系土樣顆粒在反復(fù)凍融、自重的情況下顆粒重新排列，促使土樣內(nèi)的多余水分被排除，使得土體更加密實(shí)，不易壓縮。

5) 煤系土在干濕循環(huán)下與凍融循環(huán)下孔隙比分別平均下降31.38%、24.96%，說明煤系土在干濕循環(huán)下更易被壓縮，更易劣化。

(2) 壓縮系數(shù)。壓縮系數(shù)為壓縮實(shí)驗(yàn)所得的e-p曲線上不同壓力段曲線的斜率。以荷載級(jí)別100 kPa到200 kPa的曲線斜率α1-2作為煤系土壓縮性高低的判斷標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 壓縮系數(shù)與循環(huán)次數(shù)曲線

1) 不同壓實(shí)度與含水率的煤系土樣壓縮系數(shù)介于0.1～0.5之間，屬于中壓縮性土。

2) 同等循環(huán)次數(shù)后的煤系土樣，含水率不變時(shí)，壓縮系數(shù)隨著壓實(shí)度增大逐漸下降；壓實(shí)度不變時(shí)，壓縮系數(shù)隨含水率增大而增大。煤系土樣基本在GS=4與DR=5后壓縮系數(shù)最大，而在循環(huán)6次后壓縮系數(shù)有所降低。

3) 循環(huán)次數(shù)對(duì)煤系土壓縮性作用明顯，其中干濕循環(huán)、凍融循環(huán)的壓縮系數(shù)最大分別增加了0.12、0.11。

2.2.3 抗剪強(qiáng)度

抗剪強(qiáng)度為土體抵抗剪切破壞的極限強(qiáng)度，包括內(nèi)摩擦角和黏聚力。不同壓實(shí)度、不同干濕(凍融)循環(huán)次數(shù)以及不同含水率與黏聚力、內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線如圖11、圖12所示。

圖11 不同壓實(shí)度與含水率下干濕循環(huán)次數(shù)與煤系土抗剪強(qiáng)度的關(guān)系曲線

圖12 不同壓實(shí)度與含水率下凍融循環(huán)次數(shù)與煤系土抗剪強(qiáng)度的關(guān)系曲線

由圖可知：

1) 對(duì)于初始煤系土樣，其黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨壓實(shí)度增大而增大，而隨含水率增大而減小。壓實(shí)度與含水率對(duì)煤系土黏聚力的影響大于內(nèi)摩擦角。

2) 煤系土黏聚力隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而增大，而內(nèi)摩擦角呈相反趨勢(shì)，基本在GS=4時(shí)達(dá)到最大值或最小值。其黏聚力值增加了3.28 kPa～10.93 kPa；內(nèi)摩擦角值下降了1.08°～2.98°。說明含水率不變，壓實(shí)度越低，黏聚力漲幅越小，內(nèi)摩擦角降幅也越??；壓實(shí)度不變，含水率越接近最優(yōu)含水率，黏聚力漲幅越小，內(nèi)摩擦角降幅越大。干濕循環(huán)作用下煤系土樣的黏聚力隨著含水率降低而增加，隨著壓實(shí)度增大而增大，故k=93%，ω=9%的試樣黏聚力最大，GS=4時(shí)達(dá)到最大值63.84 kPa。

3) 凍融循環(huán)下抗剪強(qiáng)度規(guī)律與干濕循環(huán)基本相同，在DR=5時(shí)趨于穩(wěn)定。其黏聚力值增大了8.22 kPa～13.51 kPa，內(nèi)摩擦角值減少了0.98°～2.70°。說明含水率越大、壓實(shí)度越低，黏聚力漲幅、內(nèi)摩擦角降幅越小。黏聚力增大原因是由于過量土中水在凍融循環(huán)過程中被排出，顆粒重新分布排列，并且小粒徑黏粒團(tuán)向高粒徑轉(zhuǎn)變，粒徑范圍變大，黏聚力增加。

4) 干濕循環(huán)下煤系土黏聚力平均增加了19.17%，內(nèi)摩擦角平均減小了8.07%；凍融循環(huán)下煤系土黏聚力平均增加了10.91%，內(nèi)摩擦角平均減小了5.26%。說明同等循環(huán)次數(shù)下，凍融循環(huán)下煤系土黏聚力增幅更大，內(nèi)摩擦角降幅更小。

2.2.4 細(xì)觀分析

選取不同干濕/凍融循環(huán)后的煤系土試樣細(xì)觀分析。本次試驗(yàn)采用鎢燈絲掃描電子顯微鏡放大500倍進(jìn)行SEM圖觀測(cè)，對(duì)比分析循環(huán)過程中煤系土樣的顆粒變化。不同循環(huán)次數(shù)之后的SEM圖如圖13、圖14所示。

圖13 不同干濕循環(huán)次數(shù)的SEM圖

圖14 不同凍融循環(huán)次數(shù)的SEM圖

由圖可知，初始煤系土試樣存在著許多裂隙，干濕循環(huán)1次后，裂隙并未減少，且有增大趨勢(shì)；干濕循環(huán)3次后裂隙開始縮小，且數(shù)量減少；干濕循環(huán)4次后，基本無(wú)裂隙存在，只存在些許孔洞。其原因主要是循環(huán)使煤系土顆粒排列重分布，大粒徑破碎成小粒徑，在水作用下填補(bǔ)了煤系土內(nèi)部孔隙。而干濕循環(huán)1次后孔隙增多增大的主要原因是煤系土顆粒未完全破碎，部分孔隙由大粒徑破碎成小粒徑產(chǎn)生。而凍融循環(huán)則在第5次及之后基本無(wú)裂隙存在。

3 結(jié) 論

(1) 閩西典型煤系土為粉土質(zhì)礫，級(jí)配良好。主要礦物成分為白云母、石英、高嶺石，屬于低滲透性土、中壓縮性土。在擊實(shí)過程中煤系土具有顯著的顆粒破碎現(xiàn)象。擊實(shí)試驗(yàn)后煤系土由級(jí)配良好土變?yōu)榧?jí)配不良土，其中砂粒組級(jí)配變化最大。

(2) 煤系土顆粒間黏結(jié)力較低，遇水較易崩解。而未處理煤系土級(jí)配更大，密度更低，相比于試驗(yàn)土黏結(jié)能力更差，遇水更易崩解。

(3) 壓實(shí)度相同時(shí)，初始狀態(tài)下煤系土樣含水率越高越易壓縮。黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨壓實(shí)度增大而增大，分別增大約36%與13%；隨含水率增大而減小，分別減小約33%與12%。壓實(shí)度與含水率對(duì)煤系土黏聚力影響大于內(nèi)摩擦角。

(4) 煤系土壓縮特性以及抗剪強(qiáng)度在GS=4以及DR=5時(shí)趨于穩(wěn)定，SEM圖顯示基本無(wú)裂隙存在。煤系土樣的孔隙比均隨著循環(huán)次數(shù)、含水率、壓實(shí)度的增加而不斷減小；含水率越高，壓縮系數(shù)越高，孔隙比降幅越大。由于循環(huán)試驗(yàn)后煤系土顆粒重新分布排列，并且小粒徑黏粒團(tuán)向高粒徑轉(zhuǎn)變，粒徑范圍變大，故黏聚力隨著循環(huán)次數(shù)增加而增大，內(nèi)摩擦角呈相反趨勢(shì)。

(5) 相比于凍融循環(huán)條件，干濕循環(huán)條件下煤系土更易壓縮，更易劣化。同等初始條件下土樣黏聚力在凍融循環(huán)后增幅更大，但內(nèi)摩擦角降幅更小。