杨 洋，王俊杰，张钧堂，刘云飞

(1.重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074；2.重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074)



砂泥岩混合料的流变特性试验研究

杨 洋1，2，王俊杰1，2，张钧堂1，2，刘云飞1，2

(1.重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074；2.重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074)

针对砂泥岩混合料高填方工程的长期工后沉降问题，利用自行研制的土体饱水-疏干循环压缩试验系统，对4种混合比的砂泥岩颗粒混合料进行了考虑湿化作用的压缩流变试验，研究了轴向压力以及砂泥岩混合比对流变的影响，对试验后的试样测算了相应的颗粒破碎率，分析了颗粒破碎率与轴向压力及最终流变变形的关系。试验结果表明：最终流变量及颗粒破碎率与轴向压力之间均具有较好的线性关系，流变与时间的关系可近似地用幂函数表达，岩性组成对砂泥岩混合料的流变具有较大影响。

岩土工程；砂泥岩混合料；湿化作用；侧限压缩；流变特性；颗粒破碎

0 引 言

砂泥岩互层结构地层的分布很广，以位于长江上游的重庆为例，形成于三叠系上统、侏罗系和白垩系下统的砂泥岩互层结构地层的总厚度达2 294～6 440 m。在该地区的各类高填方工程建设中，砂泥岩混合料已成为常用的建筑填料，如重庆江北国际机场、重庆南川金佛山水库大坝，此外包括位于英国Blindwells的一条路基填方高度达60 m的公路[1]等，都大量的采用砂泥岩混合料作为填筑材料。如何科学合理地预测和控制砂泥岩混合料填方体的工后沉降变形，已成为岩土工程界亟待解决的关键问题之一。

对砂泥岩混合料的压实特性、强度及变形特性、渗透特性以及湿化变形等方面，已通过室内试验进行了较深入的研究[2-6]。然而，以砂泥岩混合料作为主要填料的高填方工程，其工后长期沉降变形方面研究目前尚少。目前对湿化变形和流变的研究主要采用室内试验方法。E.M.D.NEVES[7]在压缩仪上曾对碎石料进行了流变试验；G.F.SOWERS等[8]曾对干燥和被水浸湿的砂岩粗粒料分别进行了流变试验；P.AHNTHINIAC等[9]通过试验研究，分析了影响湿化变形的因素；殷宗泽[10]通过大型三轴试验，研究了粗粒料的流变特性并提出了双屈服面模型；梁军等[11]针对堆石料开展了压缩流变试验，并根据颗粒破碎情况对堆石料流变产生的机理进行了研究。

笔者针对涉水高填方工程的长期工后沉降问题，通过考虑湿化作用的流变试验，对砂泥岩颗粒混合料在侧限压缩条件下的流变特性及颗粒破碎特性进行了研究，分析了轴向压力及泥岩含量对砂泥岩混合料长期流变及颗粒破碎的影响，探讨了试样最终流变量与颗粒破碎的关系。

1 试验方法

1.1 试验仪器

砂泥岩颗粒混合料的流变试验，是在重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心自行研制的土体饱水-疏干循环压缩试验仪上进行的。该仪器由机架、轴向加载系统、试样容器、控制柜、温度测量传感器、轴向变形量测传感器、试验数据自动采集处理系统组成。该仪器可在压缩固结试验过程中，通过位于仪器上部的水箱，从试样底部通水进行水头饱和，通过位于试样底部的排水孔辅以空气压缩机，从试样顶部通入干燥空气排水疏干，实现对试样的湿化或饱水-疏干循环的功能。该仪器可用于常规压缩固结试验、考虑湿化作用的流变试验以及周期性饱水-疏干循环试验，进一步研究经过上述试验的土颗粒的裂化、破碎情况及规律。

该仪器试样尺寸为φ100×H30 mm，轴向变形范围为0～15 mm，轴向压力通过砝码以杠杆方式加载，最大可施加轴向压力2.4 MPa。试验仪器如图1。

图1 试验仪器Fig. 1 Test apparatus

1.2 试验材料

试验采用的砂岩、泥岩采自三峡水库重庆库区附近，属侏罗系中统沙溪庙组，其中砂岩为弱风化，呈浅灰色，岩石表面无明显裂纹、层理清晰，泥岩为弱风化，呈紫红色。试验前对所采石料进行破碎至笔者试验所需的颗粒粒径，经筛分后按试验设计级配取料制样。试样干密度为1.8 g/cm3，制样含水率为8%，试样颗粒级配曲线如图2，最大粒径为5 mm，平均粒径d50=0.83 mm，不均匀系数为25.56，曲率系数为1.16，各粒组含量见表1。

图2 试样级配曲线Fig. 2 Gradation curve of the tested samples

表1 试验土料级配Table 1 Grading of the tested soil

1.3 试验方案

由于涉水高填方工程填筑过程中，难免受到风吹雨淋的影响，即经历湿化作用并产生了一定的湿化变形，故笔者在流变试验开始前，对试样进行一次饱水-疏干循环，目的在于扣除流变过程中的湿化变形部分。通过对8∶2、6∶4、4∶6、2∶8等4种不同混合比的砂泥岩颗粒混合料试样。分别在轴向压力100、200、400、800、1 200、1 600 kPa作用下，开展考虑湿化作用的流变试验。研究砂泥岩颗粒混合料的流变特性、颗粒破碎特性以及流变与颗粒破碎的关系。

1.4 试验方法

试验前，把筛分好的土料进行风干，按设计的级配及混合比配土。为便于装样，对土样按设计含水率加入一定量的水，拌合均匀后分3层加入试样容器并逐层击实。为保证试样与仪器上下各部件之间接触良好，应施加1 kPa的预压压力然后对变形读数清零。

试验时，分别对4种不同混合比的砂泥岩颗粒混合料试样，按快速固结方法加载至设计的轴向压力水平。在试样达到变形稳定后，对试样从底部通水进行水头饱和1 h。变形稳定后打开位于试样底部的排水孔进行排水，同时从试样顶部的通风孔通入干燥空气对试样进行排水1 h。以变形速率不超过0.005 mm/h为变形稳定控制标准。对经过初次饱水-疏干循环，达到变形稳定的试样进行5～6 d的压缩流变试验，流变试验前10 h每隔1 h读数一次，之后每隔6 h读数一次，整个流变试验过程始终在排水条件下进行。

试验后，对卸下的试样进行烘干、筛分，分析不同粒径的颗粒含量并计算颗粒破碎率。

2 试验结果及分析

2.1 流变试验结果及分析

经过首次饱水-疏干循环的试样在相应轴向压力下，维持流变变形5～6 d后变形基本稳定。通过对试验结果整理，得出本试验中4种砂泥岩颗粒混合比试样，在各级轴向压力作用下扣除湿化变形的流变量与时间的关系，如图3。4种砂泥岩混合比试样的最终流变量与轴向压力的关系，如图4。

图3 轴向应变与时间的关系Fig. 3 Relationship between axial strain and time

由图3可知，在流变试验开始的前10 h内，不同混合比的砂泥岩颗粒混合料的流变量随时间的增加快速增加，基本可以用线性关系来描述；但随着试验时间的延长，流变量随时间的增长速率变缓并不再满足线性关系，而更趋向于幂函数关系；试样的流变变形大约在100 h时趋于稳定而不再发展。从图3还可看出，随着试验时间的延长，流变的发展规律经历快速—平稳—快速—稳定等4个阶段。这主要是由于砂岩颗粒和泥岩颗粒的差异裂化所致，流变过程中泥岩颗粒在一定压力下首先发生破碎、滑移并充填颗粒孔隙，当轴向压力稳定达到一定时长后，由大粒径砂岩颗粒的破碎而产生第2次快速变形，当粗颗粒破碎至一定程度后，试样达到新的变形稳定状态。

由图4可知，在轴向压力相同时，最终流变量随试样中泥岩含量的增加而增大，不同混合比的砂泥岩混合料试样的最终流变量与轴向压力存在较好的线性关系。图中4条直线的拟合相关度均大于0.95，4条拟合直线的斜率基本一致，说明对不同混合比的砂泥岩混合料，流变随轴向压力的增长趋势是一致的。对实际的高填方工程而言，这有利于根据填方体浅层的变形量来预测较深部位的沉降变形。

图4 最终流变量与轴向压力的关系Fig. 4 Relationship between final rheological strain and axial pressure

2.2 颗粒破碎试验结果及分析

颗粒破碎是指在外力作用下，土颗粒结构破裂为多个不等或相等颗粒的现象[12]。目前大多采用对试验前后试样中各粒径组成含量的计算来定义颗粒破碎程度，R.J.MARSAL[13]建议用多粒组差值求和来计算颗粒破碎率。该方法物理意义清晰，计算方法简单，基本能反映颗粒破碎的全貌，成果精度也能满足工程要求。因此笔者采用Marsal破碎率作为评价颗粒破碎程度的量化指标，计算公式如式(1)：

(1)

式中：Bg为试验前后各粒组含量质量之差的正值和；Wki为试验前某粒组的质量百分含量；Wkf为试验后该粒组质量百分含量。

4种砂泥岩颗粒混合比的试样，在不同轴向压力下的流变试验后各粒组含量及颗粒破碎率成果如表2；通过对各组试样的颗粒破碎成果进行整理，得到不同混合比试样在不同轴压下的颗粒破碎率与轴向压力的关系，如图5，轴向应变与颗粒破碎率的关系如图6。

图5 颗粒破碎率与轴向压力的关系Fig. 5 Relationship between particle breakage ratio and axial pressure

由图5可知，流变试验后试样的颗粒破碎率随轴向压力的增大呈线性增长关系。在相同的轴向压力作用下，颗粒破碎率随混合料中泥岩含量的增加而增大，这种关系在较高的轴压水平下更为明显。图6为4种不同混合比的砂泥岩混合料在每级轴向压力作用下的试验后颗粒破碎情况(颗粒破碎率)与该级压力下的最终流变量之间的关系。图中从左至右的6个数据点分别为100、200、400、800、1 200、1 600 kPa等6级轴向压力作用下流变试验结束后的的轴向应变和颗粒破碎率。由图6可知，不同混合比试样的最终流变量均随颗粒破碎率的增大而增大，其关系可以较好地用线性关系拟合，当试样发生相同的流变变形时，泥岩含量多的试样颗粒破碎更为严重。

表2 试验后各粒组含量及颗粒破碎率Table 2 Grain content and particle breakage ratio after tests

图6 轴向应变与颗粒破碎率的关系Fig. 6 Relationship between axial strain and particle breakage ratio

3 砂泥岩混合料流变机理分析

由于砂泥岩颗粒混合料的颗粒组成和颗粒接触形式与普通的单一岩性堆石料不同，所以其流变机理与堆石料的流变机理不同。砂泥岩颗粒混合料的流变特性受试样的岩性组成影响较大，在流变特别是经过湿化作用的流变过程中，砂岩颗粒和泥岩颗粒发生差异裂化。由于砂岩的强度远大于泥岩，且水对砂岩颗粒和泥岩颗粒的影响也截然不同，浸水后的泥岩颗粒在较低的压力水平下就发生破碎、软化甚至泥化。大粒径泥岩颗粒破碎后，颗粒之间的接触应力得以释放，颗粒发生滑移并充填粗颗粒孔隙。而砂岩颗粒的强度高，软化系数比泥岩大许多，水理性质稳定，在浸水后颗粒强度变化较小，试验中的颗粒破碎程度小。这种水理性质差异造成了流变过程中砂泥岩混合料劣化机理与堆石料有较大差别。流变发展速度趋于平缓，随着轴向压力进一步加大，至砂岩颗粒之间的接触应力达到极限强度后，砂岩粗颗粒随之发生破碎。最后砂岩颗粒和泥岩颗粒达到新的平衡状态。在新的平衡状态下，随着轴向压力的增大，颗粒间接触应力继续增大，直至发生新一轮的颗粒破碎。

由于组成混合料的砂岩和泥岩颗粒，在受压前已存在细微裂缝等原始缺陷，这些缺陷在浸水和压力作用情况下逐渐被放大，直至颗粒发生破碎。所以，砂泥岩颗粒混合料的流变机理，可认为是由于浸水、风干、荷载作用等外部环境作用，导致颗粒中原有裂缝和缺陷被逐渐发展、强度逐渐降低的颗粒裂化过程。

4 结 论

采用自行研制的土体饱水-疏干循环压缩试验仪，对砂泥岩颗粒混合料进行了考虑湿化作用的侧限压缩流变试验。得到如下结论：

1) 砂泥岩颗粒混合料的流变与时间的关系，随试验时间的延长由线性关系转变为幂函数关系，流变量与轴压之间符合线性关系，随混合料中泥岩含量的增加而增大。

2) 颗粒破碎率与轴向压力、流变量与颗粒破碎率之间均存在较好地线性关系。相同压力水平下，颗粒破碎率随泥岩含量的增加而增大，这种关系在高应力水平下更为明显。

3) 砂泥岩颗粒混合料的流变主要经历3个阶段，在较小压力下粒径较大的泥岩颗粒先破碎并充填粗颗粒孔隙；当颗粒间的接触应力达到一定水平后，砂岩粗颗粒发生破碎；最后砂岩颗粒和泥岩颗粒达到新的稳态，随着轴向压力的进一步增大，颗粒间接触应力继续增大，直至发生新一轮的颗粒破碎。

从试验成果可知，砂泥岩颗粒混合料的流变主要是由于颗粒的破碎、滑移和充填所引起。而颗粒的破碎贯穿于装样—压缩固结—浸水湿化—流变完成的整个试验过程中，所指的破碎率为流变试验结束后的颗粒破碎率，未能区分试验各阶段的砂岩颗粒与泥岩颗粒的级配变化和颗粒破碎情况，这方面还有待进一步研究。

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(责任编辑：朱汉容)

Rheological Behavior of Sandstone-Mudstone Mixture

YANG Yang1，2，WANG Junjie1，2，ZHANG Juntang1，2，LIU Yunfei1，2

(1.National Engineering Research Center for Inland Waterway Regulation，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，P.R.China; 2.Key Laboratory of Hydraulic and Waterway Engineering of Ministry of Education，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，P.R.China)

A self-developed drying-wetting cycle compression test system was used to investigate the long term settlement after construction of high embankment of sandstone-mudstone mixture.Compression rheological tests of sandstone-mudstone particle mixture samples with four mixture ratio were carried out，which considered the wetting effect.The influence of axial pressure and sandstone-mudstone mixture ratio on the rheological test was discussed.The corresponding particle breaking rate of the samples after tests was calculated，and the relationships among the particle breakage rate，the axial pressure and final rheological deformation were analyzed.From the test results，it can be seen that the final rheological strain，the particle breakage rate and the axial pressure have a good linear relationship，and the relationship between the rheological strain and time can be approximately expressed by power function.Lithology composition of the sandstone-mudstone mixture has a great influence on rheological deformation.

geotechnical engineering; sandstone-mudstone particle mixture; wetting effect; confined compression; rheological behavior; particle breakage

2016-01-05；

2016-05-10

国家自然科学基金项目(51479012)；“十二五”国家科技支撑计划课题项目(2015BAK09B01)；重庆市基础与前沿研究计划项目(CSTC2013JCYJA30009)

杨 洋(1982—)，男，黑龙江齐齐哈尔人，高级工程师，博士研究生，主要从事水工结构及岩土方面的研究。E-mail：25742857@qq.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.06.10

TU43

A

1674-0696(2017)06-064-06