红砂岩风化土湿化特性的三轴试验研究*

曹 培 杜雨坤

(①水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室 南京 210024)(②同济大学地下建筑与工程系 上海 200092)

0 引 言

红砂岩是中、新生代的陆相红色岩系，富含铁质氧化物，约占全国陆地面积的8.61%(王章琼等， 2018)，在我国西南、华中、中南等地区分布广泛。其地区特性明显，多为碎屑、泥质胶结结构，强度低，水稳定性差，具有遇水湿化、崩解和膨胀等不良工程性质。随着交通建设的快速发展，为了满足节能环保等建设理念的要求，红砂岩等软质岩石风化料不可避免地成为填筑材料(赵明华等， 2003， 2005； 刘新喜等， 2006； 谭绍富等， 2011)。在路基的建设和运营过程中，地下水位的上升，降雨入渗等都会对填筑体颗粒产生软化、润滑作用，使填筑体产生不同程度的湿化变形，从而导致路基沉降和路堤失稳等现象。因此，研究软岩填料的湿化变形特性和强度软化问题对于控制路基沉降、减少路堤病害具有重要意义。

近年来，随着软质岩石作为填筑材料的应用增多，学者们在软岩填料的湿化变形和强度方面开展了一系列研究(刘新喜等， 2006； 张丹等， 2009； 毛雪松等， 2011)。周德泉等(2013)采用压缩试验和平板荷载试验研究了重复加卸载条件下全风化泥质砂岩的湿化变形规律。邓涛等(2014)对酸碱性溶液环境下红层软岩的崩解特性进行了研究，发现酸性环境对泥质页岩的崩解性影响较大。杜秦文等(2015)采用单线法对变质软岩填料进行湿化试验研究，分析了围压和密度对湿化变形的影响规律。韦慧等(2015)利用一维大型压缩试验，研究了红砂岩填料在干湿循环条件下的湿化压缩变形规律。张静波等(2017)对板岩路堤的湿化变形进行了研究，认为板岩路堤湿化变形主要由两部分组成，一部分是由路堤上部附加动应力产生的，而另一部分是由堤下部自重应力产生的。张莉萍等(2018)对南京砂岩的试验结果表明，水对岩石性质的劣化作用包括物质软化和结构破坏双重机制。从总体上说，针对软岩填料的湿化变形研究方法不一，得出的湿化变形规律也不尽相同，而且不同岩性的软岩填料的湿化变形和强度特性也有显著差异。

本文针对某高速公路红砂岩风化料，采用单线法，分别在不同应力水平下进行了三轴湿化变形试验，探讨了其湿化变形的规律，并分析了湿化后试样的强度特性，为红砂岩风化土路基填料的使用提供可靠的试验依据。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验土样取自重庆某高速公路，为红褐色砂岩风化料，土样的比重为2.67，最大干密度为1.84ig·cm-3，颗粒级配如图 1所示。

图 1 颗粒级配分布曲线Fig. 1 Grain-size distribution curve

利用岩石磨片机对颗粒进行磨片，采用偏光显微镜在10倍的放大倍数下对颗粒磨片进行分析(图 2)。可以发现颗粒磨圆度为次棱角状，接触式胶结，层理构造，碎屑结构，石英含量约为25%，斜长石含量为23%，正长石含量为15%，流纹岩屑含量为17%，微斜长石含量为8%，方解石含量为5%，黑云母含量3%，白云母集合体含量3%，辉石含量1%。根据岩石分类和定名方案(GB/T 17412.2-1998)，定名为红褐色中细粒岩屑长石砂岩。

图 2 正交偏光微观结构图Fig. 2 Microstructure under the polarizing microscope

采用日立SU1510钨丝灯扫描电子显微镜对试样的微观结构进行了观测。选取2～5mm之间的颗粒，烘干后选取平整光滑的表面，在表面镀金后进行测试，SEM图像如图 3所示。从图中可以看出，样品主要为碎屑结构，颗粒间有较多的孔隙，表面有微裂隙，这些孔隙和微裂隙的存在，使红砂岩颗粒在遇水后，水分更容易进入到颗粒内部，从而导致颗粒产生相互滑移、破碎或软化等现象。

图 3 红砂岩风化土扫描电镜图片Fig. 3 SEM photo of red sandstone weathered soila. 放大倍数为500倍； b. 放大倍数为1000倍

1.2 试验方法

2 试验结果与分析

2.1 湿化变形特性

图 4 三轴湿化试验应力-应变关系曲线Fig. 4 Curves of stress-strain in triaxial tests on wetting deformation with density of a. 围压为200kPa； b. 围压为400kPa； c. 围压为800kPa

图 5 三轴湿化试验应力-应变关系曲线Fig. 5 Curves of stress-strain in triaxial tests on wetting deformation with density of a. 围压为200kPa； b. 围压为400kPa； c. 围压为800kPa

表 1 试验测定的湿化轴向应变Table 1 Wetting axial strain results of the tests

根据试验结果，绘制出不同围压下湿化变形随应力水平变化的关系曲线(图 6)，可以看出，在0.6的应力水平范围内，湿化轴向变形与应力水平近似线性关系，可以用直线拟合如下：

(1)

其中，k、n为试验常数，与围压和土的性质有关。

图 6 湿化轴向应变与应力水平的关系曲线Fig. 6 Curves of relationship between wetting axial strain and stress level

2.2 湿化变形后的强度指标

从图 4a和图 5a可以看出，当围压相同时，试样湿化后的峰值强度随应力水平的增大而略有下降，而且都低于饱和状态的峰值强度。图 7给出了试样湿化后的峰值强度与应力水平的关系曲线，可以看出不同应力水平下试样的峰值强度约为饱和状态峰值强度的90%左右。

图 7 湿化后峰值强度与应力水平的关系曲线Fig. 7 Curves of relationship between peak strength and stress level after wetting

表 2 不同应力状态下的抗剪强度指标Table 2 Shear strength index under different stress level

根据试验结果计算出饱和状态和不同湿化应力水平下的抗剪强度指标，如表 2所示。可见在本次试验中，各个湿化应力水平下的抗剪强度指标比较接近，但都低于饱和状态下的强度指标。这与左永振等(2008)关于坝壳粗粒料的研究结论有所不同。这大概是由于试验所用红砂岩风化料的母岩属于软质岩，而且由SEM的试验结果可知，颗粒表面存在孔隙和微裂隙，所以在加载过程中，颗粒容易产生破碎。随着应力水平的增加，试样湿化前的颗粒破碎程度也有所增加，细颗粒含量相应地增多，湿化开始后随着含水率的增加，水更容易进入颗粒内部的孔隙中，水对颗粒间胶结物的软化、润滑作用也越发明显，从而导致后续的剪切峰值强度降低。

3 结 论

本文对某高速公路砂岩风化料进行了三轴湿化试验研究，分析了湿化变形规律和湿化后的强度特性，得到如下结论：

(1)在相同围压作用下，随着应力水平的增加，湿化轴向应变有显著增加，而且在不大于0.6的应力水平范围内，两者近似呈线性关系。

(2)湿化轴向应变不仅与应力水平有关，而且还受到围压和密实度的影响。在同一应力水平作用下，围压越大，湿化轴向应变也越大； 而当围压和应力水平一定时，随着密实度的增加，湿化应变显著减小。

(3)应力水平对试样湿化后的峰值强度有一定影响，湿化后的峰值强度随应力水平的增加而略有降低，但下降的程度并不大，由此得到的强度指标c和φ也比较接近，但是与饱和状态的强度指标相比有明显降低。