干湿作用对砂泥岩混合料压缩特性的影响

李 辉，王 杰

（重庆交通大学a.河海学院；b.机电与车辆工程学院，重庆 400074）

砂泥混合料是我国西南地区砂岩和泥岩地层中，经过爆破开挖形成的砂岩和泥岩颗粒混合物［1］。泥岩由于具有遇水软化甚至泥化的特殊性质［2］，其形成的砂泥岩混合料在涉水工程中会有较大的工后沉降变形。反复的降雨、暴晒对砂泥岩的物理性质影响较大［3］，这也会增大沉降位移。因此，对干湿循环作用下的砂泥岩混合压缩特性的研究尤为重要。

相关学者对土体的压缩性能进行了大量研究。刘文化等［4］通过对不同干密度土体经过干湿循环后开展三轴剪切试验，得出干湿循环作用受土体初始干密度影响；王帅等［5］通过将水泥掺入红砂岩土并进行干湿循环，得出水泥使红砂岩的弹性模量和峰值强度提高；张清振等［6］对堆石料进行了干湿循环试验，得出堆石料试样在干湿循环过程中发生的变形随循环次数逐渐增加，并趋于稳定；何叶［7］通过对泥岩进行干湿循环试验，得出泥岩单轴抗压强度随着循环次数的增加，各项强度指标都呈较平稳的下降趋势，折减规律基本符合指数分布；薛晶晶等［8］通过对细砂岩和变泥质砂岩进行干湿循环试验，得出自身矿物成分以及岩样胶结物含量的不同影响强度及破坏形式；简富献等［9］得出长时间浸水会增加砂泥岩混合的压缩变形，其浸水饱和与抽真空饱和相差不明显。综上可见，对研究砂泥岩混合料反复干湿循环作用下的压缩特性研究较少，研究砂泥岩混合料在干湿循环作用下的压缩特性对预防填筑料沉降是有重要意义的。

鉴于此，本文基于砂泥岩混合料在干湿循环作用的压缩试验，考虑泥岩含量、干湿循环次数、浸水时间等因素，分析沉降位移、孔隙比及压缩指标的演化规律，以期为砂泥岩混合料的工程运用提供科学参考。

1 试验准备及方案制定

1.1 试验材料

试验材料取自重庆某建筑工地，经过试验室测得其基本物理力学性质如表1所示。

表1 砂泥岩颗粒的物理力学性质

1.2 粒径与级配选取

砂岩、泥岩粒径分别为5、2、1、0.5、0.25、0.075 mm，相应颗粒级配如图1所示。

图1 粒径级配

1.3 试验方法

1.3.1 干湿循环试验方法

采用浸泡-烘干试验方法，浸水时间为2 h，烘干1 h，一次干湿循环周期为3 h左右。

1.3.2 单向压缩试验方法

试验在GYS-20型三联式单向压缩仪器中进行。该仪器由机架、底座、陶土板、压力室，轴向加载系统和位移传感器组成。试样尺寸∅100 mm×30 mm，压缩试验所施加轴向荷载为50、100、200、400、800、1 200、1 600 kPa等7组不同的荷载，具体试验方案如表2所示。

表2 试验方案

2 试验结果及分析

2.1 泥岩质量分数对砂泥岩混合料压缩特性的影响

图2为不同泥岩质量分数的位移（ε）与荷载（p）曲线。

图2 不同泥岩质量分数下ε-p曲线

由图2可知，位移均随荷载的增加而增大，位移曲线斜率在0＜σ＜200 kPa时，斜率较大；随着荷载的增加，斜率逐渐减小。相同荷载下，泥岩质量分数越少，其压缩量就越小。泥岩质量分数为30%的混合料比泥岩质量分数为70%的混合料位移减少0.489 mm，相对轴向应变减少1.63%。

图3为不同泥岩含量下孔隙比（e）与荷载（p）曲线。

图3 不同泥岩质量分数下e-p曲线

由图3可知，在初始孔隙比为0.41时，孔隙比均随荷载的增加而减小，e-p曲线斜率在0＜σ＜200 kPa时，斜率较大；随着荷载的增加，斜率逐渐减小至稳定。相同荷载下，泥岩质量分数越小，其孔隙比越大。泥岩质量分数为70%的混合料比泥岩含量为30%的混合料孔隙比减少0.022 98，相对应变减少5.604%。

图4为不同泥岩质量分数的压缩系数（av）与荷载（p）曲线。

图4 不同泥岩质量分数a v-p曲线

由图4可知，压缩系数均随荷载的增加而减小，位移曲线斜率在0＜σ＜200 kPa时，斜率较大；随着荷载的增加，斜率逐渐减小趋于稳定。相同荷载下，泥岩质量分数越少，其压缩系数越小。初始阶段，泥岩质量分数为70%的混合料比泥岩质量分数为30%的压缩系数增大0.12 MPa-1，最大荷载下，压缩系数相差0.01 MPa-1，说明此时土体处于压实状态。

图5为不同泥岩质量分数的压缩模量（Es）与荷载曲线（p）。

图5 不同泥岩质量分数E s-p曲线

由图5可知，压缩模量均随随荷载的增加而增大，位移曲线斜率在0＜σ＜200 kPa时，斜率较大；随着荷载的增加，斜率逐渐减小。相同荷载下，泥岩质量分数越少，其压缩模量越大。在最大荷载下，泥岩质量分数为30%的混合料比泥岩质量分数为70%的混合料压缩模量增大14.79 MPa。

2.2 不同干湿循环次数对砂泥岩混合料压缩特性影响

图6为不同干湿循环次数的位移（ε）荷载（p）曲线。

图6 不同干湿循环次数ε-p曲线

由图6可知，位移均随荷载的增加而增大，位移曲线斜率在0＜σ＜200 kPa时，斜率较大；随着荷载的增加，斜率逐渐减小。在相同荷载下，干湿循环次数越多，其压缩量就越大。最大荷载下，10次干湿循环下压缩位移比未干湿循环下压缩位移增大1.102 mm，相对轴向应变增大3.67%。

图7为不同干湿循环次数下孔隙比与荷载曲线。

图7 不同干湿循环次数e-p曲线

由图7可知，在初始孔隙比为0.41时，孔隙比均随荷载的增加而减小，e-p曲线斜率在0＜σ＜200 kPa时，斜率较大；随着荷载的增加，斜率逐渐减小至稳定。在相同荷载下，干湿循环次数越多，其孔隙比越小。10次干湿循环下孔隙比较未干湿循环下孔隙比减小0.051 7，相对应变减少12.63%。

图8为不同干湿循环次数下压缩系数与荷载曲线。

图8 不同干湿循环次数a v-p曲线

由图8可知，压缩系数均随荷载的增加而减小，位移曲线斜率在0＜σ＜200 kPa时，斜率较大；随着荷载的增加，斜率逐渐减小趋于稳定。在相同荷载下，干湿循环次数越少，其压缩系数越小，混合料压缩性越低。初始阶段，10次循环下压缩系数较未干湿循环下增大0.304 MPa-1，此时土体易被压缩。在最大荷载下，压缩系数相差0.013 MPa-1。

图9为不同干湿循环次数下压缩模量与荷载曲线。

图9 不同干湿循环次数E s-p曲线

由图9可知，压缩模量均随随荷载的增加而增大，位移曲线斜率在0＜σ＜200 kPa时，斜率较大；随着荷载的增加，斜率逐渐减小并趋于平缓。在相同荷载下，干湿循环次数越多，其压缩模量越小，土体压缩性越高。在最大荷载下，10次干湿循环下混合料压缩模量比未干湿循环次压缩模量减少21.34 MPa。

2.3 不同浸水时间对砂泥岩混合料压缩特性影响

图10为不同浸泡时间下的荷载位移曲线。

图10 不同浸泡时间ε-p曲线

由图10可知，位移均随荷载的增加而增大，位移曲线斜率在0＜σ＜200 kPa时，斜率较大；随着荷载的增加，斜率逐渐减小。相同荷载下，浸泡时间越长，其压缩量就越大。最大荷载下，浸泡48 h压缩位移比浸泡2h压缩位移增大1.13，相对轴向应变增大3.77%。

图11为不同浸泡时间下的孔隙比与荷载曲线。

图11 不同浸泡时间e-p曲线

由图11可知，在初始孔隙比为0.41时，孔隙比均随荷载的增加而减小，e-p曲线斜率在0＜σ＜200 kPa时，斜率较大；随着荷载的增加，斜率逐渐减小至稳定。相同荷载下，浸泡时间越长，其孔隙比越小，浸泡48 h混合料孔隙比较未浸泡2 h混合料孔隙比减小0.053 1，相对应变减少12.95%。

图12为不同浸泡时间下压缩系数与荷载曲线。

图12 不同浸泡时间a v-p曲线

由图12可知，压缩系数均随荷载的增加而减小，位移曲线斜率在0＜σ＜200 kPa时，斜率较大；随着荷载的增加，斜率逐渐减小趋于稳定。相同荷载下，浸泡时间越长，其压缩系数越大，混合料压缩性越高。初始阶段，浸泡48 h混合料压缩系数较未浸泡2 h混合料压缩系数增大0.263 1 MPa-1，此时土体易被压缩。最大荷载下，压缩系数相差0.010 7 MPa-1。

图13为不同浸泡时间下压缩模量与荷载曲线。

图13 不同浸泡时间E s-p曲线

由图13可知，压缩模量均随随荷载的增加而增大，位移曲线斜率在0＜σ＜200 kPa时，斜率较大；随着荷载的增加，斜率逐渐减小并趋于平缓。相同荷载下，浸泡时间越长，其压缩模量越小，土体压缩性越高。最大荷载下，浸泡48 h混合料压缩模量比浸泡2 h混合料压缩模量减少14.79 MPa。

3 结 论

本文通过对砂泥岩混合料进行压缩试验，查明了不同泥岩掺量下试样的压缩特性，研究了干湿循环次数、浸水时间对砂泥岩混合料的影响，得出结论如下。

（1）泥岩质量分数不同，影响该混合料的压缩特性。当泥岩质量分数为30%时，沉降位移最小，孔隙比减小较少。因此作为填方路堤，适当减少泥岩质量分数有助于增大压实度，减小沉降位移。

（2）经过第一次干湿循环，混合料劣化程度较为显著，沉降位移及孔隙比减小幅度对于未经过干湿循环较大；随着干湿循环次数的增加，沉降位移逐渐增大，孔隙比逐渐减小。在应力为0＜σ＜200 kPa时，荷载与位移、孔隙比、压缩系数以及压缩模量曲线斜率较大；随着荷载的增加，斜率逐渐减小并趋于平缓，呈现对数关系。

（3）浸水时间影响干湿循环下砂泥岩混合料压缩特性的重要因素，随着浸水时间的增加，浸泡48 h的混合料位移、压缩系数比浸泡2 h混合料大，压缩模量及孔隙比较2 h混合料小，说明浸泡时间越长，混合料压缩特性越高。