DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.06.029
预崩解炭质泥岩路用性能及其基于三轴CT试验的力学特性
曾铃1, 2，史振宁3，付宏渊2, 4，何忠明3，胡庆国3
(1. 长沙理工大学 桥梁工程安全控制技术与装备湖南省工程技术研究中心，湖南 长沙，410114；
2. 长沙理工大学 土木与建筑工程学院，湖南 长沙，410114；
3. 长沙理工大学 交通运输工程学院，湖南 长沙，410114；
4. 现代公路交通基础设施先进建养技术湖南省协同创新中心，湖南 长沙，410114)
摘要：为研究预崩解炭质泥岩的路用性能及其在三轴应力条件下的力学特征，利用室内基本物理力学实验与三轴CT同步扫描实验对其进行试验研究。研究结果表明：炭质泥岩矿物组成主要为伊利石、石英、高岭石，压实度是控制回弹模量的主要因素，具有与土相似的性质，不同工点所取试样具有不同的CBR；试件压实度越高，峰值强度越大，偏应力陡增段CT扫描层CT数增大速率比应力应变曲线平缓段的大，表明试验前期试件密度增大速率比试验后期的大；试验前，试件具有较多细小孔洞及裂纹，密度存在较大差异，随着试验的进行，密度差异性降低，炭质泥岩颗粒在围压及偏应力的作用下存在挤密、错动、融合的现象。
关键词：预崩解；炭质泥岩；路用性能；三轴CT试验
中图分类号：TU457 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2016)06-2030-07
Road performance of preliminary disintegration of carbon mudstone and mechanical characteristics based on CT-Triaxial test
ZENG Ling1, 2, SHI Zhenning3, FU Hongyuan2, 4, HE Zhongming3, HU Qingguo3
(1. Hunan Province Research Center for Safety Control Technology and Equipment of Bridge Engineering,
Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China;
2. School of Civil Engineering and Architecture, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China;
3. School of Traffic and Transportation Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China;
4.Co-innovation Center for Advanced Construction and Maintenance Technology of
Modem Transportation Infrastructural Facility, Changsha 410114, China)
Abstract: In order to study the road performance of preliminary disintegration of carbon mudstone and its mechanical characteristics under triaxial stress condition, the indoor basic physical and mechanical test and triaxial computerized tomography were carried out with synchronous scanning test. The results show that the mineral composition of carbon mudstone mainly contains illite, quartz and kaolinite, and CBR is the main factor of controlling the resilient modulus, with the similar properties to earth, the CBR is different at different work sites. Peak strength increases with the increase of compaction degree, and the increase rate of CT number with CT scanning layer in spurt stage of deviatoric stress is greater than that of the smooth stage of stress-strain curve, which reveals the increase rate of test sample density in the early stage is greater than that in the later stage. Before the test, the density of test sample with many fine holes and cracks differs obviously, and the density difference reduces, and carbon mudstone particles have compacting, dislocation and fusion phenomenon under the action of confining pressure and deviatoric stress.
Key words: preliminary disintegration; carbon mudstone; road performance; triaxial computerized tomography(CT) test
炭质泥岩广泛分布于我国西南部地区，是由软弱灰岩、砂岩、页岩和页岩互层等沉积类岩石构成的地质体，因沉积岩中多数富含碳而呈灰黑色，具有遇水易崩解、强度降低、变形增大的特点[1]。在高速公路建设中，该类软岩常视为不良填料而废弃。但工程实践表明，废弃该类岩石不仅占用大量土地，而且易造成环境污染。考虑到经济与环保，常采用经预崩解后的炭质泥岩作为路堤填料[2]。目前，关于炭质泥岩等软岩用于路堤填料的相关研究还不多见，目前开展的研究内容大多集中在同类型岩石填料崩解过程中颗粒级配的变化和基本物理性质上[3-6]，而针对预崩解炭质泥岩路堤填料的路用性能以及在三轴条件下的应力变形特征的研究则很少。三轴CT试验主要从试件的宏观应力、应变以及内部结构的变化这3个方面来共同反映试件在三轴应力下的物理力学性质。一些学者对此进行了研究，如：WONG等[7]探讨了岩石裂隙发育程度、颗粒粒度与单轴抗压强度之间的关系；WU等[8]利用高倍光学镜片与扫描电子显微镜相结合研究了压缩过程中砂岩的各向异性损伤的细观力学演化过程；黄质宏等[9]通过三轴CT同步扫描试验从土的内部结构、裂隙发育、CT图像、应力-应变曲线等对红黏土力学特性进行了动态分析。此外，李廷春等[10-12]利用三轴CT扫描技术对冻土、砂岩等材料在受力条件下的损伤破裂过程进行了研究。基于炭质泥岩所具有的特殊物理力学性质，本文作者将室内常规试验与三轴CT实时试验相结合，进行一些列室内试验，以期从宏-细观角度对其路用性能及应力-应变特征进行探讨。
1 预崩解炭质泥岩常规试验研究
1.1 炭质泥岩化学组成及物理指标
在广西六寨—河池高速公路炭质泥岩路堤工点K18+500和K20+400处取炭质泥岩原状样，进行室内干湿循环崩解试验，使其充分预崩解。在崩解试验过程中，用筛分法记录崩解后颗粒级配的变化，当2次干湿循环级配变化较小时则认为预崩解完成。将崩解完成后的炭质泥岩试样进行X线衍射分析，其X线衍射图谱见图1，化学成分组成见表1。
图1 预崩解炭质泥岩X线衍射谱
Fig. 1 X-ray diffraction patterns of carbon mudstone of preliminary disintegration
表1 取样点炭质泥岩主要矿物成分(质量分数)
Table 1 Main mineral compositions of carbon mudstone in sample location %
从表1可以看出：预崩解炭质泥岩的矿物组成主要为伊利石、石英、高岭石，其余各矿物成分质量分数均≤5%。由于高岭石属于典型的黏土矿物，因此，经预崩解后的炭质泥岩填料具有一定的黏性。
对工点K18+500和K20+400预崩解炭质泥岩试样进行基本物理力学试验，发现经过预崩解后的炭质泥岩与土具有类似的击实性能，具有最大干密度、最佳含水量等。试验结果见表2。根据JTGD 30—2004“公路路基设计规范”[13]，取样点各物理力学参数如表2所示，满足路堤填料的一般要求。
表2 取样点炭质泥岩基本物理指标
Table 2 Basic physical indexes of carbon mudstone in sample location
1.2 预崩解炭质泥岩回弹模量
为了研究预崩解炭质泥岩路堤填料回弹模量在多种影响因素下的变化特征，设计一组能够考虑压实度、粗颗粒质量分数、干密度变化影响的室内回弹试验方案。由于在实际工程中，路基压实度基本为93%~96%，因此，设计93%，94%，95%和96%这4种压实度。将上述3种影响因素进行两两正交，以达到考察其上述影响因素对回弹模量影响程度的目的，试验方案参数如表3~4所示。在室内进行32组不同参数的回弹模量测试试验。
表3 压实度与干密度正交试验参数
Table 3 Orthogonal test parameters of compaction and dry density
表4 压实度与粗粒含量正交试验参数
Table 4 Orthogonal test parameters of compaction and coarse-grained content
图2~5所示为压实度、干密度、粗粒质量分数与压实度两两正交进行室内回弹模量试验所得的变化规律及三维关系图。由图2和图4可知：在试验拟定的方案范围内回弹模量最大值为75.9 MPa，最小值为42.3 MPa，分别对应的是最大压实度与最大干密度以及最小压实度与最小干密度影响时的回弹模量，其余各个试验方案对应的回弹模量在42.3 Pa与75.9 Pa之间按照非线性曲面分布。综合分析图2~5可知：干密度、粗粒质量分数、压实度的增大都在另2个变量一定的条件下引起回弹模量增大，其中由压实度的变化引起回弹模量变化梯度明显大于由干密度与粗粒质量分数变化引起的回弹模量梯度。因此，可以推断压实度、干密度、粗粒质量分数都是控制炭质泥岩路堤填料回弹模量的控制因素，但压实度则是主控因素，干密度与粗粒质量分数的影响相对较小。
图2 弹性模量随压实度变化规律(干密度不同)
Fig. 2 Relationship between modulus of elasticity and degree of compaction for different dry densities
图3 回弹模量与压实度和干密度之间的关系
Fig. 3 Relationship between modulus of resilience and compaction and dry density
图4 弹性模量随粗粒质量分数变化规律(压实度不同)
Fig. 4 Relationship between modulus of elasticity and coarse-grained mass fraction for different compactions
图5 回弹模量与压实度和粗粒质量分数之间的关系
Fig. 5 Relationship between modulus of resilience and compaction and coarse-grained mass fraction
1.3 预崩解炭质泥岩CBR分析
以表2所示试验参数为背景分别对取样点K18+500和K20+400所取岩样制备压实度为93%，94%和96%的3组试样进行CBR试验，试验结果如表5所示。由表5可知：K18+500取样点预崩解炭质泥岩试样CBR为7.5~9.2，膨胀率随着压实度的增大而降低，满足JTG D30—2004“公路路基设计规范”所规定的最低值5%。而K20+400取样点预崩解炭质泥岩试样CBR小于5%，膨胀率随压实度的增大而增大，因此，不适宜用作路堤填料。
通过室内常规试验可知，预崩解炭质泥岩填料具有如下性质：1) 崩解试样矿物成分主要为伊利石、高岭石、石英，其余各矿物成分质量分数较小，崩解产物遇水具有一定的亲水及黏性特征；2) 预崩解炭质泥岩具有与土类似的击实性能，具有最大干密度、最佳含水量等物理指标；3) 压实度、干密度、粗粒质量分数都是控制炭质泥岩路堤填料回弹模量的控制因素，但压实度则是主控因素，干密度与粗粒质量分数的影响相对较小；4) 预崩解试样在不同的压实度下，其CBR与膨胀率是变化的，需通过试验确定是否满足规范要求。
2 三轴条件下的CT扫描试验
2.1 试验原理与装置
在三轴试验过程中，利用X线对选定的试件横、纵断面进行扫描，获取X线经某层面不同物质衰减后的信息，再利用计算机进行数学分析解算，得到试件内部截面的CT图像、CT数、方差等信息。该技术现已被广泛应用于材料内部组成与结构信息的无损、动态和定量检测[14-15]。
本次试验在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所材料无损检测国家重点试验室进行。试验采用PHILIPS X线螺旋CT机，空间分辨率为0.35 mm× 0.35 mm，最低扫描层厚度为1 mm，空间可识别体积为0.12 mm3，密度对比分辨率为0.3%。三轴加载装置示意图见图6。
2.2 三轴CT试验方案及初始条件
将取样点K18+500所取岩样经预崩解后作为试验材料。试验前，利用应变控制试样机制备成3个压实度分别为93%，94%和96%的圆柱形试件，定义为试件1、试件2、试件3。试样直径与高度分别为61.8 mm和105 mm。在试验过程中，其围压由高灵敏度液压控制仪以200 kPa分别施加于试件1~3，使之充分固结。试验过程以油压控制装置采用三轴等应变压缩，压缩速率为0.3 mm/min，当试件应变率达到12%时停止试验。对加载过程中的6个应变时刻点(应变率分别为0，2%，4%，6%，8%和10%)进行同等条件CT扫描，扫描条件见表6。
图6 三轴加载装置示意图
Fig. 6 Sketch of triaxial loading equipment
表5 不同压实度条件下的CBR与膨胀率
Table 5 CBR and expansion rate under different compaction degrees
表6 CT机扫描条件
Table 6 CT scanning conditions
图7 试样安装CT图像和扫描定位线
Fig. 7 Specimens installation CT image and location line of CT scanning
将试件安装在图6~7所示的加载装置中，扫描分为上、中、下3个层位，试件安装定位及扫描定位线如图7所示(扫描层5，17和29)。通过动态三轴CT试验结果，计算各试验状态试样的相对密度及通过典型层位CT图像分析压实度与试件应力-应变之间的关系，从宏-细观相结合的方式分析预崩解炭质泥岩路堤填料的破坏机理。
2.3 试验结果与分析
预崩解炭质泥岩重塑试件偏应力与轴向应变关系曲线如图8所示。本文只列出各试样扫描层17的CT数、CT数方差与应变之间的关系，见图9和图10。典型扫描层CT扫面图像见图11。
从图8可以看出：在保持围压为200 kPa时，随着偏应力增大，各试件轴向应变迅速增大，试件在偏应力达到一定值后，其应力-应变曲线由陡增阶段进入平缓阶段。试件1在应变率为8%时偏应力降低明显，表明试件1破裂失载(由于失载突然，试件橡胶膜破裂，提供围压的油进入试件，CT图像变异较大)。试件2和3的偏应力在应力-应变曲线平缓阶段仍然缓慢上升，直到试件变形率达到12%时停止试验。
图8 围压为200 kPa时预崩解炭质泥岩试件应力-应变曲线
Fig. 8 Relationship between stress and strain of prior crumbling carbonaceous mudstone under pressure of 200 kPa
图9 扫描层17 CT数与应变的关系
Fig. 9 Relationship between CT number and strain of 17 scanning section
图10 扫描层17 CT数方差与应变的关系
Fig. 10 Relationship between CT variance and strain of 7 scanning section
图11 压实度为94%时扫描层17不同变形时刻CT图像
Fig. 11 CT images of 17 scanning section at each strain stage under compaction degree of 94%
扫描层17 CT数与应变的关系如图9所示，扫描层17的CT数方差与应变的关系如图10所示。从图9和图10可以看出：试件在偏应力陡增段，各试件典型扫描层17 CT数相应地增大，应力-应变曲线进入平缓阶段后，CT数增大速率也随之放缓。出现这一现象的原因为：试件轴向应变率为3%之前，试件主要以颗粒间压缩挤密为主，横向膨胀变形为辅，在该阶段由颗粒压缩挤密引起的密度增加量远大于横向膨胀变形引起的密度减小量；在试件轴向应变率大于3%后，由试件横向膨胀变形引起密度减小迅速，而由颗粒压缩挤密引起的密度增加变缓，因此，在应力-应变曲线进入平缓阶段后CT数变化不明显。特别地，试件1(压实度为93%)在应变率达到8%时CT数出现陡降现象，这是由试件破裂失载造成扫描剖面出现裂纹、横截面增大导致密度降低引起的。
图11所示为试件2扫描层17 在试验过程中的CT图像。扫描层面在初始状态下具有较多细小孔洞及裂纹，密度存在较大差异(白色为高密度区、黑色为低密度区)，随着试验的进行，横剖面局部颗粒受挤压密度增加，高密度区范围也明显增大，密度差异在一定程度上有所降低。从图11可见：在A1~A4和B1~B4范围内，局部白色区域随着试验的进行不断向外扩展，表明试件颗粒在围压与偏应力的作用下存在挤密、错动、融合的现象。
3 结论
1) 在广西对六寨—河池高速公路炭质泥岩路堤工点K18+500和K20+400处所取炭质泥岩原状样进行预崩解后，其矿物组成主要为伊利石、石英、高岭石，其余矿物质量分数较少。崩解试样具有与土类似的击实性能，具有最大干密度、最佳含水量等物理参数。压实度、干密度、粗粒质量分数都是控制炭质泥岩路堤填料回弹模量的控制因素，但压实度则是主控因素，干密度与粗粒质量分数的影响相对较小。不同工点炭质泥岩路堤填料具有不同的加州承载比CBR，K18+500处炭质泥岩崩解后CBR满足“公路路堤设计规范”规定值，可直接用于93区路堤填筑。
2) 试件压实度越高，峰值强度越大。试验初期，各试件偏应力与轴向应变呈正比例上升的趋势；试件在偏应力达到一定值后，其应力-应变曲线由陡增阶段进入平缓阶段，其应力-应变特征与黏土的类似。
3) 在偏应力陡增段，各试件典型扫描层17 CT数增大明显；应力-应变曲线进入平缓阶段后，CT数增大速率随之放缓，表明压缩试验前期试件密度增大速率比试验后期的大。试件在压缩过程中CT数方差一直处于降低状态，表明扫描层面平均CT数差异性降低。
4) 试件在初始状态下密度存在较大差异。随着试验的进行，横剖面局部颗粒受挤压密度增加，同时高密度区范围明显增大。试件颗粒在围压与偏应力的作用下存在挤密、错动、融合的现象。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2015-08-10；修回日期：2015-10-22
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51278067，51508040，51508042，51508079)；湖南省教育厅科学研究重点项目(14A007)；长沙理工大学桥梁工程安全控制技术与装备湖南省工程技术研究中心开放基金资助项目(14KC04)(Projects(51278067, 51508040, 51508042, 51508079) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(14A007) supported by the Key Project of Science Research of Hunan Department of Education of Hunan Province; Project(14KC04) supported by the Open Fund of Hunan Province Research Center for Safety Control Technology and Equipment of Bridge Engineering, Changsha University of Science & Technology)
通信作者：曾铃，博士，从事边坡工程、路堤稳定性等研究；E-mail：zlbingqing3@126.com
