摘 要： 研究目的:路基沉降问题一直是交通运输行业关注的重点。近年来，在西南山区公路、铁路建设中相继发现炭质泥岩这类特殊岩土，炭质泥岩亲水性强，受水后软化效应明显，这给沉降控制标准极高的高速铁路后期运营带来极大危害。本文结合桂广铁路某车站炭质泥岩段路基沉降治理工程，在室内通过物理、水理及力学性质试验，结合扫描电镜(SEM)试验研究该炭质泥岩的工程力学特性。研究结论:(1)炭质泥岩干密度越大，其膨胀率、膨胀力也越大;含水率越大，其体积收缩越明显，缩限含水率为7. 2%～8. 5%;(2)炭质泥岩颗粒呈多边形、面积较大的薄片状颗粒，浸水后颗粒崩解、面积减小，大孔隙明显增多;(3)炭质泥岩浸水前表现出明显的剪胀特性，浸水软化后表现为剪切压密，浸水软化前后其黏聚力和内摩擦角分别为112. 7 k Pa、4. 5 k Pa和29. 9°、8. 1°;(4)炭质泥岩软化后的压缩变形量接近浸水前的19. 6倍;浸水软化前后的压缩模量Es,1-2分别为13. 0～15. 0 MPa和3. 0～5. 0 MPa;(5)本研究结果可为炭质泥岩地层的在建和拟建交通工程的设计与施工提供借鉴或参考。
关键词： 炭质泥岩; 崩解; SEM; 浸水软化; 剪切; 压缩;
Abstract： Research purposes: The subgrade settlement problem has always been the focus of the traffic transport industry. In recent years, carbon mudstone has been found in highway and railway construction in southwest mountainous area. Carbon mudstone is hydrophilic and has obvious softening effect after water,which brings great harm to the late operation of high-speed railway with extremely high sedimentation control standard. Combined with the subgrade settlement treatment project of carbon mudstone section of a station on Guilin-Guangzhou Railway,by the physical,water-physical, mechanical characteristics and scanning electron microscopy tests, the engineering mechanical properties of the carbon mudstone were studied.Research conclusions:( 1) The bigger dry density of carbon mudstone is,the bigger its expansion rate and expansion force are; the carbon mudstone makes a bigger shrinkage with a higher moisture content,the limit of which is 7. 2% ～8. 5%.( 2) Particles of carbon mudstone take the shapes of the polygonal slice of large area. After soaking in water,the particles are disintegrated,the area is reduced,and the macropores increase obviously.( 3) Carbon mudstone show an obvious shear dilatancy without water,but compaction after softening,the cohesion and internal friction angles before and after soaking are 112. 7 kPa,4. 5 k Pa and 29. 9°,8. 1°,respectively.( 4) The compression deformation of carbon mudstone after softening is nearly 19. 6 times that before; the compression modulus Es,1-2 before and after soaking are13. 0 ～ 15. 0 MPa and 3. 0 ～ 5. 0 MPa,respectively.( 5) The research results can provide reference for the design and construction of the construction and traffic engineering of carbonaceous mudstone formation.
Keyword： carbon mudstone; disintegration; SEM; wetting softening; shear; compress;
1、 概述
随着我国基础设施建设的进一步深入，在我国西南山区的公路铁路建设中均出现了炭质泥岩这种特殊岩土，因其浸水后极易软化且发生膨胀变形，导致在荷载作用下经常发生承载力不足、沉降变形增大和边坡失稳等一系列工程地质灾害。
近年来，国内专家学者逐渐认识到炭质泥岩特殊的工程特性，开始了相关研究，并取得了一些有价值的成果。例如，张巍[1]等研究了炭质泥岩崩解物粒径分布对崩解性、膨胀性的影响;曾铃、付宏渊等[2,3]研究了在荷载、浸水条件下炭质泥岩崩解变形特性，获得了炭质泥岩最大竖向变形与竖向荷载大小、荷载循环次数、浸水时间、压实度与含水率等因素的拟合关系;莫凯[4]、陈羽[5]、张静波[6]等研究了炭质泥岩路用性能及其动力变形特性;刘林洁[7]等通过试样浸泡饱和，结合室内快剪试验，研究了炭质泥岩浸水软化后抗剪强度变化规律;付宏渊[8,9]等研究了降雨对炭质泥岩填筑路堤的含水率入渗分布规律、路堤沉降变形和稳定性的影响。由于炭质泥岩的生成环境和赋存条件存在差异，使其工程性质具有明显的区域性。
为揭示炭质泥岩特殊的工程性质，本文以桂广客专某车站炭质泥岩段路基沉降整治工程为依托，通过室内试验对该路段炭质泥岩的工程特性进行了研究，以期为炭质泥岩的相关研究和类似地区拟建工程的设计与施工提供参考。
2、 炭质泥岩物理指标与水理性质
2.1、 炭质泥岩的物理指标
由于炭质泥岩存在裂隙，环刀法测得炭质泥岩干密度为1.75～1.85 g/cm3，蜡封法测得炭质泥岩干密度为1.97～2.01 g/cm3，其土粒比重为2.67～2.68，烧失量为2.17%～2.35%。
2.2、 炭质泥岩的崩解试验
2.2.1、 空气和水中风化崩解
为观察炭质泥岩在空气和水中的风化崩解情况，先将炭质泥岩暴露于空气中，静置9 d，观察发现炭质泥岩在干燥环境下颜色略变浅，无小颗粒脱落，岩样无裂纹，未发生明显风化崩解现象，如图1(a)所示;后将炭质泥岩放入透明玻璃箱中，箱中加水，液面覆盖试样。水中崩解时，在31 min内完全崩解成散粒状，崩解速度极快;同时，崩解初期现象剧烈，如图1(b)、(c)所示，说明该炭质泥岩亲水性很强，水稳性极差。
图1 炭质泥岩在空气和水中风化崩解情况
2.2.2 、软化后炭质泥岩颗粒组成
将放于水中崩解的炭质泥岩烘干后，采用筛分法和移液管法联合进行分析，得到崩解后炭质泥岩的颗粒组成，如表1和图2所示。
表1 炭质泥岩浸水崩解后颗粒级配
图2 桂广客专炭质泥岩浸水崩解试验颗粒级配曲线
从颗粒分析试验可以看出，桂广客专炭质泥岩的崩解效应极为明显，崩解后颗粒粒径小。与2013年莫凯[4]对广西六寨至河池高速公路沿线出露的三处典型炭质泥岩工点所取炭质泥岩经过28 d干湿循环崩解试验结果对比分析，该车站炭质泥岩较六河高速炭质泥岩崩解后粒度小、崩解反应剧烈。
2.3、 炭质泥岩软化样界限含水率
对浸水软化后的炭质泥岩进行界限含水率试验，得到炭质泥岩的液塑限含水率分别为:wL10为44.8%,wL17为54.5%,wp为24.7%。Ip值高达29.8，属于黏土。说明该类炭质泥岩矿物成分的亲水性很强，从另一方面解释了水中崩解现象显着的原因。
2.4 、炭质泥岩的膨胀收缩特性
2.4.1 、炭质泥岩的膨胀特性
膨胀试验包括无荷载膨胀和有荷载膨胀。干密度主要考虑1.63 g/cm3、1.73 g/cm3和1.83 g/cm3三种情况，因为这些干密度接近完全风化和强风化两种状态;荷载考虑50 kPa、100 kPa、200 kPa和400 k Pa，涵盖现场炭质泥岩的埋深荷载;试样的含水率均控制在15.0%。试验成果曲线如图3所示。
图3(a)为无荷条件下不同干密度炭质泥岩膨胀率随时间的变化曲线。从图3(a)可以看出，干密度为1.83 g/cm3、1.73 g/cm3、1.63 g/cm3的试样膨胀稳定时膨胀率及膨胀历时分别为27.6%、3.75 d,23.35%、3 d,16.81%、1 d。浸水初期，干密度较小的试样膨胀变形较快，这是因为在浸水初期干密度小，孔隙比大，试样进水速度快，膨胀反应迅速;干密度大，孔隙比小，进水速度慢，膨胀效果不明显;随着时间的增长，干密度大的试样膨胀率越来越大。
图3(b)是不同干密度的炭质泥岩膨胀率与上覆荷载关系曲线。由图3(b)可知:炭质泥岩遇水后，没有上覆荷载时会产生明显的膨胀变形;荷载增至400 k Pa时，炭质泥岩基本不发生膨胀变形。干密度越大，炭质泥岩的膨胀率越大，同时膨胀力也越来越大。
图3 膨胀性试验成果曲线
2.4.2 、炭质泥岩的收缩特性
收缩试验干密度取1.63 g/cm3。考虑到炭质泥岩的液塑限较高，含水率取30%、40%、50%。因炭质泥岩缩限含水率暂不确定，为方便观察含水率接近缩限时体积变化情况，另取一组含水率为10%的炭质泥岩试样。
图4(a)为线缩率与时间关系曲线，根据余敦猛、杨果林[10]等人的研究，炭质泥岩收缩可分为以下三个阶段:直线等速收缩阶段，此阶段收缩速度大，线缩率增长较快，持续时间为58～82 h;外凸弧线减速收缩阶段，此阶段收缩速度减小，线缩率增长减缓，持续时间为44～69 h;直线缓慢收缩阶段，此阶段线缩率基本不变。由图4(b)可以看出，含水率越大，其线缩率越大。含水率为10%、30%、40%和50%时，线缩率分别为0.05%、2.31%、3.84%和5.29%，由于失水较多，体积收缩较大，其内部不均匀收缩导致炭质泥岩在试验过程中发生破裂。收缩过程中各个阶段内的收缩量不同，直线等速收缩阶段和外凸弧线减速收缩阶段收缩量占总收缩量的97.40%～99.74%。
图4 收缩性试验成果曲线
以上试验数据分析表明:含水率越大，炭质泥岩的线缩率越大，体积收缩越明显;当含水率减小至7.2%～8.5%，不再产生收缩现象，可以确定该炭质泥岩收缩限界含水率为7.2%～8.5%。
2.5 、浸水前后炭质泥岩微观结构分析
将现场取回的炭质泥岩切割成1 cm×1 cm的试样，进行了未浸水和浸水5 d后的扫描电镜试验(SEM)，仪器为Phenom TM台式扫描电子显微镜，放大8 000倍结果如图5所示。为防止试样因崩解而松散，浸水试样用滤纸包裹。
由图5可看出，炭质泥岩为多边形薄片状颗粒，面积较大，结构较为致密;浸水5 d后，薄片状颗粒由于吸水崩解、面积减小，大孔隙增多，由浸水前较致密结构变为松散结构。这也说明该炭质泥岩成分的活性强，极易发生吸水崩解。
图5 8 000×炭质泥岩微观图像
3、 炭质泥岩力学性质试验研究
3.1、 炭质泥岩浸水软化前后的剪切特性
对浸水软化前后的炭质泥岩进行了剪切试验，浸水前炭质泥岩干密度、含水率分别为1.63 g/cm3、15%，均为重塑样。炭质泥岩样浸水软化的做法:将制好的试样连同环刀置于托盘中注水，注水至环刀高度的3/4，在试样上放置滤纸，增加试样吸水性，待滤纸表面均布渗出水膜时，视为饱和。
3.1.1、 炭质泥岩的剪切变形特性
炭质泥岩浸水软化前后的剪切位移与竖向位移的关系曲线如图6所示。由图6可知:浸水前炭质泥岩试样在剪切过程中发生明显的剪胀现象，各级荷载下竖向位移均出现负值;而浸水软化后，土样崩解变得松散，在剪切过程中，在各级荷载下均发生剪切压密，无剪胀性;浸水前剪胀位移为0.30～0.61 mm，浸水软化后沉降为1.50～3.64 mm。这说明炭质泥岩浸水软化后，在荷载作用下会产生较大沉降。
3.1.2 、炭质泥岩的剪切强度
图7为浸水前后炭质泥岩的剪应力与剪切位移的关系曲线。由图7可以看出:由于试样均为重塑样，浸水前后炭质泥岩的应力应变均呈现弱应变软化型;由于浸水软化效应，浸水前后的峰值抗剪强度差异明显，抗剪切破坏能力大大降低。数据分析得到，炭质泥岩软化前后的黏聚力分别为112.7 k Pa、4.5 kPa，内摩擦角分别为29.9°、8.1°，浸水软化后其黏聚力和内摩擦角均显着减小。
图6 剪切位移与竖向位移关系曲线
图7 剪应力与剪切位移关系曲线
3.2、 炭质泥岩浸水软化前后的压缩特性
取两组炭质泥岩原状样，干密度分别为1.70 g/cm3、1.83 g/cm3，含水率控制在8.0%～8.5%左右，试验荷载取50 k Pa、100 k Pa、200 k Pa、400 kPa，压缩试验结果如图8所示。由图8可见，相同条件(荷载、浸水)下，干密度为1.83 g/cm3的试样与干密度为1.70 g/cm3的试样，二者的压缩变形量几乎相同，相差不大;但试样浸水前后的压缩变形量相去甚远，浸水软化样的压缩变形量明显大于软化前，约为浸水前的19.6倍。计算分析得到炭质泥岩浸水软化前后的压缩模量Es,1-2分别为13.0～15.0 MPa和3.0～5.0 MPa。说明该炭质泥岩亲水性强，受水后软化明显，在荷载作用下的沉降变形会显着增加。
图8 压力与沉降关系曲线
4、 结论
通过对炭质泥岩的物理、水理及力学性质试验，结合SEM微观分析，得出结论如下:
(1)该车站炭质泥岩亲水性很强，水稳性极差。其在空气中崩解极慢，在水中崩解极快;崩解后粒度较六河高速炭质泥岩粒度小。
(2)炭质泥岩干密度越大，其膨胀率越大，同时膨胀力也越来越大;含水率越大，炭质泥岩的线缩率越大，体积收缩越明显;该炭质泥岩收缩界限含水率为7.2%～8.5%。
(3)炭质泥岩颗粒呈多边形、面积较大的薄片状颗粒;浸水后薄片状颗粒崩解、面积减小，大孔隙明显增多。
(4)浸水前炭质泥岩表现出明显的剪胀特性，浸水软化后表现为剪切压密;炭质泥岩浸水软化后，峰值抗剪强度显着减小，浸水软化前后其黏聚力和内摩擦角分别为112.7 kPa、4.5 k Pa和29.9°、8.1°。
(5)炭质泥岩浸水软化前后的压缩变形量和压缩模量差异明显，软化后的压缩变形量接近浸水前的19.6倍;浸水软化前后的压缩模量Es,1-2分别为13.0～15.0 MPa和3.0～5.0 MPa。
以上试验结果分析表明，该炭质泥岩亲水性强，受水软化效应明显，软化后在荷载作用下的沉降变形会显着增加，在路基工程设计与施工时应注意其浸水软化和膨胀特性，尽量避免因其赋存状态下水环境变化而导致后期沉降变形增大，影响列车后期运营安全。
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