某鐵路車站炭質(zhì)泥巖的工程力學(xué)特性分析,力學(xué)論文

某鐵路車站炭質(zhì)泥巖的工程力學(xué)特性分析,力學(xué)論文摘要：研究目的:路基沉降問題一直是交通運(yùn)輸行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。近年來(lái)，在西南山區(qū)公路、鐵路建設(shè)中相繼發(fā)現(xiàn)炭質(zhì)泥巖這類特殊巖土，炭質(zhì)泥巖親水性強(qiáng)，受水后軟化效應(yīng)明顯，這給沉降控制標(biāo)準(zhǔn)極高的高速鐵路后期運(yùn)營(yíng)帶來(lái)極大危害。本文結(jié)合桂廣鐵路某車站炭質(zhì)泥巖段路基沉降治理工程，在室內(nèi)通過物理、水理及力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，結(jié)合掃描電鏡(SEM)試驗(yàn)研究該炭質(zhì)泥巖的工程力學(xué)特性。研究結(jié)論:(1)炭質(zhì)泥巖干密度越大，其膨脹率、膨脹力也越大;含水率越大，其體積收縮越明顯，縮限含水率為7.2%～8.5%;(2)炭質(zhì)泥巖顆粒呈多邊形、面積較大的薄片狀顆粒，浸水后顆粒崩解、面積減小，大孔隙明顯增加;(3)炭質(zhì)泥巖浸水前表現(xiàn)出明顯的剪脹特性，浸水軟化后表現(xiàn)為剪切壓密，浸水軟化前后其黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為112.7kPa、4.5kPa和29.9、8.1(4)炭質(zhì)泥巖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13.0～15.0MPa和3.0～5.0MPa;(5)本研究結(jié)果可為炭質(zhì)泥巖地層的在建和擬建交通工程的設(shè)計(jì)與施工提供借鑒或參考。本文關(guān)鍵詞語(yǔ)：炭質(zhì)泥巖;崩解;SEM;浸水軟化;剪切;壓縮;Abstract：Researchpurposes:Thesubgradesettlementproblemhasalwaysbeenthefocusofthetraffictransportindustry.Inrecentyears,carbonmudstonehasbeenfoundinhighwayandrailwayconstructioninsouthwestmountainousarea.Carbonmudstoneishydrophilicandhasobvioussofteningeffectafterwater,whichbringsgreatharmtothelateoperationofhigh-speedrailwaywithextremelyhighsedimentationcontrolstandard.CombinedwiththesubgradesettlementtreatmentprojectofcarbonmudstonesectionofastationonGuilin-GuangzhouRailway,bythephysical,water-physical,mechanicalcharacteristicsandscanningelectronmicroscopytests,theengineeringmechanicalpropertiesofthecarbonmudstonewerestudied.Researchconclusions:(1)Thebiggerdrydensityofcarbonmudstoneis,thebiggeritsexpansionrateandexpansionforceare;thecarbonmudstonemakesabiggershrinkagewithahighermoisturecontent,thelimitofwhichis7.2%～8.5%.(2)Particlesofcarbonmudstonetaketheshapesofthepolygonalsliceoflargearea.Aftersoakinginwater,theparticlesaredisintegrated,theareaisreduced,andthemacroporesincreaseobviously.(3)Carbonmudstoneshowanobvioussheardilatancywithoutwater,butcompactionaftersoftening,thecohesionandinternalfrictionanglesbeforeandaftersoakingare112.7kPa,4.5kPaand29.9,8.1,respectively.(4)Thecompressiondeformationofcarbonmudstoneaftersofteningisnearly19.6timesthatbefore;thecompressionmodulusEs,1-2beforeandaftersoakingare13.0～15.0MPaand3.0～5.0MPa,respectively.(5)Theresearchresultscanprovidereferenceforthedesignandconstructionoftheconstructionandtrafficengineeringofcarbonaceousmudstoneformation.Keyword：carbonmudstone;disintegration;SEM;wettingsoftening;shear;compress;1、概述隨著我們國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的進(jìn)一步深切進(jìn)入，在我們國(guó)家西南山區(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)生承載力缺乏、沉降變形增大和邊坡失穩(wěn)等一系列工程地質(zhì)災(zāi)禍。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)專家學(xué)者逐步認(rèn)識(shí)到炭質(zhì)泥巖特殊的工程特性，開場(chǎng)了相關(guān)研究，并獲得了一些有價(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、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)P[4]、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(cè)得炭質(zhì)泥巖干密度為1.75～1.85g/cm3，蠟封法測(cè)得炭質(zhì)泥巖干密度為1.97～2.01g/cm3，其土粒比重為2.67～2.68，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9d，觀察發(fā)現(xiàn)炭質(zhì)泥巖在枯燥環(huán)境下顏色略變淺，無(wú)小顆粒脫落，巖樣無(wú)裂紋，未發(fā)生明顯風(fēng)化崩解現(xiàn)象，如此圖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。水中崩解時(shí)，在31min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，如此圖1(b)、(c)所示，講明該炭質(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)?zāi)軌蚩闯?，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2020年莫?jiǎng)P[4]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28d干濕循環(huán)崩解試驗(yàn)結(jié)果比照分析，該車站炭質(zhì)泥巖較六河高速炭質(zhì)泥巖崩解后粒度小、崩解反響劇烈。2.3、炭質(zhì)泥巖軟化樣界線含水率對(duì)浸水軟化后的炭質(zhì)泥巖進(jìn)行界線含水率試驗(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。講明該類炭質(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(wú)荷載膨脹和有荷載膨脹。干密度主要考慮1.63g/cm3、1.73g/cm3和1.83g/cm3三種情況，由于這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50kPa、100kPa、200kPa和400kPa，涵蓋現(xiàn)場(chǎng)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)成果曲線如此圖3所示。圖3(a)為無(wú)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)能夠看出，干密度為1.83g/cm3、1.73g/cm3、1.63g/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%、3.75d,23.35%、3d,16.81%、1d。浸水初期，干密度較小的試樣膨脹變形較快，這是由于在浸水初期干密度小，孔隙比大，試樣進(jìn)水速度快，膨脹反響迅速;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(zhǎng)，干密度大的試樣膨脹率越來(lái)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400kPa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(lái)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1.63g/cm3。考慮到炭質(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)泥巖收縮可分為下面三個(gè)階段:直線等速收縮階段，此階段收縮速度大，線縮率增長(zhǎng)較快，持續(xù)時(shí)間為58～82h;外凸弧線減速收縮階段，此階段收縮速度減小，線縮率增長(zhǎng)減緩，持續(xù)時(shí)間為44～69h;直線緩慢收縮階段，此階段線縮率基本不變。由圖4(b)能夠看出，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)經(jīng)過中發(fā)生破裂。收縮經(jīng)過中各個(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)分析表示清楚: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，能夠確定該炭質(zhì)泥巖收縮限界含水率為7.2%～8.5%。2.5、浸水前后炭質(zhì)泥巖微觀構(gòu)造分析將現(xiàn)場(chǎng)取回的炭質(zhì)泥巖切割成1cm1cm的試樣，進(jìn)行了未浸水和浸水5d后的掃描電鏡試驗(yàn)(SEM)，儀器為PhenomTM臺(tái)式掃描電子顯微鏡，放大8000倍結(jié)果如此圖5所示。為防止試樣因崩解而松懈，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，構(gòu)造較為致密;浸水5d后，薄片狀顆粒由于吸水崩解、面積減小，大孔隙增加，由浸水前較致密構(gòu)造變?yōu)樗尚笜?gòu)造。這也講明該炭質(zhì)泥巖成分的活性強(qiáng)，極易發(fā)生吸水崩解。圖58000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1.63g/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，待濾紙外表均布滲出水膜時(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)系曲線如此圖6所示。由圖6可知:浸水前炭質(zhì)泥巖試樣在剪切經(jīng)過中發(fā)生明顯的剪脹現(xiàn)象，各級(jí)荷載下豎向位移均出現(xiàn)負(fù)值;而浸水軟化后，土樣崩解變得松懈，在剪切經(jīng)過中，在各級(jí)荷載下均發(fā)生剪切壓密，無(wú)剪脹性;浸水前剪脹位移為0.30～0.61mm，浸水軟化后沉降為1.50～3.64mm。這講明炭質(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能夠看出: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，抗剪切毀壞能力大大降低。數(shù)據(jù)分析得到，炭質(zhì)泥巖軟化前后的黏聚力分別為112.7kPa、4.5kPa，內(nèi)摩擦角分別為29.9、8.1，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1.70g/cm3、1.83g/cm3，含水率控制在8.0%～8.5%左右，試驗(yàn)荷載取50kPa、100kPa、200kPa、400kPa，壓縮試驗(yàn)結(jié)果如此圖8所示。由圖8可見，一樣條件(荷載、浸水)下，干密度為1.83g/cm3的試樣與干密度為1.70g/cm3的試樣，二者的壓縮變形量幾乎一樣，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19.6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13.0～15.0MPa和3.0～5.0MPa。講明該炭質(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(lái)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)泥巖收縮界線含水率為7.2%～8.5%。(3)炭質(zhì)泥巖顆粒呈多邊形、面積較大的薄片狀顆粒;浸水后薄片狀顆粒崩解、面積減小，大孔隙明顯增加。(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112.7kPa、4.5kPa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13.0～15.0MPa和3.0～5.0MPa。以上試驗(yàn)結(jié)果分析表示清楚，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(yíng)安全。以下為參考文獻(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)，2020(1):66-72.ZhangWei,ShangYanjun,QuYongxin,etc.GrainSizeDistributionofCollapsedScrapsofArgillaceousRockandItsRelationshipwithExpansibility:AnExperimentalStudy[J].RockandSoilMechanics,2020(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，2021(2):28-32.ZengLing,FuHongyuan,ZhouGongke,etc.ExperimentalStudyonDisintegrationofCarbonMudstoneEmbankmentFilling[J].JournalofChinaForeignHighway,2021(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)，2022(4):1273-1280.FuHongyuan,LiuJie,ZengLing,etc.DeformationandStrengthTestsofPre-disintegratingCarbonaceousMudstoneunderLoadingandSoakingCondition[J].RockandSoilMechanics,2022(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(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2020.MoKai.ResearchonHydraulicCharacteristicsofCarbonMudstoneandPost-constructionDynamicDeformationPropertiesofEmbankment[D].Changsha:ChangshaUniversityofScienceTechnology,2020.[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，2021(5):32-37.ChenYu,ZhangJingbo,YangLu,etc.ResearchontheExperimentofWeatheredCarbonaceousMudstoneasSubgradeFillerinHuishui-LuodianExpressway[J].HighwayEngineering,2021(5):32-37.[6]張靜波，呂巖松，王云．貴州地區(qū)炭質(zhì)頁(yè)巖填料路用性能與路基構(gòu)造設(shè)計(jì)研究[J]．公路，2021(11):35-40.ZhangJingbo,LvYansong,WangYun.ResearchonPerformanceandSubgradeStructureDesignofCarbonaceousShaleFillerinGuizhouArea[J].Highway,2021(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，2021(8):244-247.LiuLinjie,XiangXiqiong,YuXing,etc.StudyonSaturatedSofteningCharacteristicsofShearStrengthofCarbonaceousMudstoneandEngineeringApplication[J].ScienceTechnologya