红层泥岩路基填料动强度和累积变形特性试验研究

第29卷第5期 岩 土 力 学 V ol.29 No.5 2008年5月 Rock and Soil Mechanics May 2008收稿日期：2006-07-18基金项目：铁道部科学基金项目（No. 2004G026）。

作者简介：刘俊新，男，1976年生，博士生，讲师，主要从事路堤边坡稳定性分析和路堤填料研究。

E-mail: ljx0614@文章编号：1000－7598－(2008) 05－1295－04红层填料蠕变特性及工程应用研究刘俊新1，谢 强2，文江泉2，邱恩喜2（1.西南科技大学 土木与建筑学院，四川 绵阳 621010；2.西南交通大学 土木工程学院，成都 610031）摘 要：为了保持轨道的平顺性和稳定性，高速铁路要求路堤的工后沉降为0。

红层属于C 类填料，易崩解、软化，依据单轴压缩蠕变（粒径小于2 mm 和压实度为95 %）试验结果，对红层填料的蠕变特性进行了分析，同时基于工程应用的目的，根据蠕变曲线对路堤的工后沉降进行了预测，论证了采用红层作为填料在一定的施工工艺下能满足路堤工后0沉降的要求。

关 键 词：红层填料；高速铁路；工后沉降；0沉降；蠕变；路堤 中图分类号：TU 446 文献标识码：ARearch on creep characteristics of red beds stuffing and engineering applicationLIU Jun-xing 1, XIE Qiang 2, WEN Jiang-quan 2, QIU En-xi 2(1. School of Civil Engineering and architecture Southwest Universit of Science And Technology, Mianyang 621010, China;2. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)Abstract: In order to keep track even and steady in high speed railway, it is necessary for no embankment settlement after construction; but red beds are easy to collapse and soften, which belongs to stuffing for the third grade. Based on results of long-duration static test of simple compression without confining pressure (the grain size of sample is below 2 mm and compacting degree is above 95 %), the creep characteristics of red beds are analyzed; and at the same time settlement after construction can be predicted by numerical algorithm for engineering applications. So it is proved that red beds can be served as stuffing with a certain construction methods and no settlement after construction is entirely fulfilled.Key words: red beds stuffing; high speed railway; settlement after construction; no settlement; creep; embankment1 引 言由于红层分布十分广泛，以其作为填料广泛用于公路和铁路路基上。

基于声发射参数分析的红层泥岩高周循环加卸载损伤及变形特
性
于天佑;蒋关鲁;饶千竺;陈虹羽;吴霖;刘先峰
【期刊名称】《中国铁道科学》
【年(卷),期】2024(45)1
【摘要】为研究不同应力上限及加载频率条件下软弱红层泥岩的损伤及变形特性,基于声发射损伤监测手段开展高周循环加卸载试验,系统分析应力上限与加载频率对红层泥岩损伤及裂纹扩展模式的影响。

结果表明:当应力上限低于屈服临界动应力值时,泥岩经历先剪缩后缓慢剪胀的过程,岩样中微裂隙的发展与黏土矿物的膨胀逐渐占据主导地位;低频AE信号产生于静载阶段,而高频AE信号主要出现在循环加载阶段,且随加载频率的增大,超过300 kHz的超高频声AE信号占比逐渐增大;红层泥岩循环荷载下所产生的裂纹总体以张拉裂纹为主,但第I阶段剪切裂纹占比相对其他阶段较大,且随着动应力幅值减小或加载频率的增大,剪切裂纹所占比例减小;在裂隙自愈合效应下,泥岩中由动载引起的损伤裂隙会被逐渐修复,且随着放置时间的增加,声发射Kaiser效应逐渐减小甚至消失。

【总页数】14页(P12-25)
【作者】于天佑;蒋关鲁;饶千竺;陈虹羽;吴霖;刘先峰
【作者单位】西南交通大学土木工程学院;西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点工程实验室;新疆工程学院土木工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】U213.1
【相关文献】
1.基于声发射参数的混凝土循环加卸载动态损伤破坏特性研究
2.红层泥岩加卸载力学特性与能量演化机制
3.循环加卸载下泥岩能量演化与损伤特性分析
4.四川盆地红层砂泥岩循环加卸载动力学特性研究
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红层泥岩及其改良土路基离心模型试验研究的开题报告一、研究背景和意义红层泥岩是我国南方地区普遍分布的一种软弱细粒土壤，其在土地利用和交通路基建设中具有较大的应用价值。

然而，红层泥岩土壤的强度低、易于产生沉降和破坏等缺点影响着其在实际工程中的应用。

因此，对红层泥岩及其改良土路基的性能进行深入研究，对于提高其力学性能，增强其在工程中的承载能力，具有极大的意义。

离心摆模型试验是一种可以比较真实地模拟土体受力和变形过程的试验方法，被广泛应用于土工材料和土工结构的研究中。

本研究将采用离心模型试验，通过对不同红层泥岩和改良土样品的试验研究，探究其力学性能及变形规律，为红层泥岩改良土路基的设计提供科学依据。

二、研究内容和方法（一）研究内容1. 选取不同红层泥岩及其改良土样品进行离心模型试验；2. 测量不同荷载条件下土样变形及应力变化；3. 分析红层泥岩及其改良土路基在不同条件下的力学性能及变形规律；4. 对试验结果进行对比分析，总结组成不同、处理方法不同的红层泥岩和改良土的应力变形特性。

（二）研究方法1. 确定红层泥岩及改良土的物理力学性质和组成成分；2. 设计离心模型试验方案，制备不同红层泥岩和改良土样品；3. 在离心机中，分别对土样施加不同荷载条件下进行试验研究；4. 进行试验数据处理与分析，得出结论。

三、预期成果（一）实验成果1. 不同荷载条件下红层泥岩及其改良土的应力应变变化规律；2. 不同土样的强度、刚度等力学参数；3. 不同红层泥岩和改良土的力学特性比较分析结果。

（二）学术成果1. 在红层泥岩及其改良土路基研究领域中探索离心模型试验的应用；2. 提出红层泥岩改良土路基的设计方法和改良方案；3. 发表学术论文和参加相关学术会议交流。

四、研究计划与进度安排（一）研究计划1. 准备期：文献调研、试验方案设计等。

（1个月）2. 实验期：制备不同红层泥岩和改良土样品，进行离心模型试验。

（12个月）3. 数据分析期：对试验数据进行处理与分析，并进行比较分析。

全 区总 面积 的 ７ ０ ％ 以上 ， 山脉 在 一 系列 南 北 向 深 大断
剪强 度 ， 并通过 比较岩 石 的强 度 获得 岩 石 软 化 性 能指
标 。单 轴 抗 压 强 度 利 用 Ｒ ＭＴ 一 １ ５ ０ Ｂ型 岩 石 机 进 行 试
验， 采用 电液伺 服 控制 加载 ， 加 载速 率 为 ０ ． ０ ０ ２ ｍｍ ／ ｓ ； 铁道建筑
ｌ ０ ７
２ ０ １ ５年 第 ７期
Ｒａ ｉ ｌ ｗａ ｙ Ｅｎｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎｇ
文 章编 号 ： １ ０ ０ ３ — １ ９ ９ ５ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ７ — ０ １ ０ ７ — ０ ４
四 川 攀 西 地 区 红 层 泥 岩 强 度 特 性 试 验 研 究
接 剪 切 强度 、 矿 物 成分含 量 ， 并分 析 了岩石 物理 力 学参 数之 间的 相 关性 。 试验 结 果表 明 ： 随 着粉 砂 质 泥
岩天 然含 水 率增 大 ， 天 然和饱 和 单轴 抗压 强度 、 黏 聚 力和 内摩 擦 角均呈 幂 指数 减 小 ； 随 着 岩石 中石 英含 量 的升 高 ， 岩 石单 轴抗 压 强度 、 黏 聚 力和 内摩擦 角升 高 ； 随 着岩 石 中黏 土矿 物含 量 的升 高 ， 岩 石单轴 抗 压
部 大开发 战 略 的推进 ， 西南 地 区铁 路 、 公路 、 水 利水 电 等基 础设 施 工程建 设 方 兴 未 艾 ， 这 些 工 程 的 兴建 都 不
为研究 对 象 ， 通 过 室 内试 验研 究其 物理 力学 性质 ， 取样 地点 为喜 德县 依 洛乡 依 洛村 ， 现 场共 采 集 粉 砂 质 泥岩 试样 １ ４组 。根 据《 工 程岩 体 试 验方 法 标 准》 将 现场 采 集的 １ ４组 岩样 分 别 加工 成 直 径 ５ ０ ｍｍ、 高度 １ ０ ０ ｍ ｍ 的 圆柱体 试 件 ４ ２块 （ 每 组 ３块 ） 和５ ０ ｍ ｍ ×５ ０ ｌ ｌ ｌ ｍ× ５ ０ ｉ ｌ ｌ ｍ 立方 体试 件 ６ ０块 （ 每组 ５块 ） ， 对不 同天然 含水 率 的试 样 进行 分组 试验 。

关键词：分级循环荷载；泥岩；轴向累积应变；振动次数；动应力幅值
中图分类号：TU45
文献标志码：A
文章编号：2095-0144（2021）05-0016-03
1 前言 西南地区分布着大量的红层泥岩。铁路路基
为红层泥岩时，列车的动载往往会产生沉降变形， 威胁着列车的安全运行。研究循环荷载作用下泥 岩的累计变形规律能够有效地保障列车的安全运 行，具有极其重要的工程实践意义。
时间/s
图 2 循环荷载作用下岩石累计变形示意图
累积应变/‰
1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2
0
0.56 MPa
1.97 MPa
1.69 MPa 1.41 MPa 1.13 MPa 0.85 MPa 0.56 MPa
5
10
15
20
25
30
振动次数/次
图 3 振动次数与累计应变关系曲线
表 2 试验方案
试验 级数
振动频率 /Hz
应力下限 /MPa
应力上限 /MPa
循环 次数
1
1
0.5
0.56
30
2
0.85
3
1.13
4
1.41
5
1.69
6
1.97
7
2.26
2.3 试验原理 在循环荷载作用下，试样的应变随着轴向应力
的周期性变化发生变化。由于岩石为弹塑性体，试 样在一个加卸载周期内，会产生不可逆的变形，这 种变形会在循环荷载作用下不断的累积，形成累积 应变（图 2）。 3 试验结果分析 3.1 循环次数对累积应变的影响
图 3 为 1 MPa 围压下泥岩试样振动次数与累计 应变之间的关系曲线。从图 3 中可以看出，在同一 围压，同一振动幅值条件下，试样的累计应变均随 着振动次数的增加而增加。

第17卷第1期铁道科学与工程学报Volume17Number1 2020年1月Journal of Railway Science and Engineering January2020 DOI:10.19713/ki.43−1423/u.T20190302红层泥质岩循环干湿风化下变形特性试验研究孙怡，邓荣贵，文琪鑫，董玲(西南交通大学土木工程学院，四川成都610031)摘要：泥质岩土石料填筑体因风化引起的工后变形沉降破坏，已成为道路等土建设施成败的关键。

基于此，对泥质岩烘干与浸水循环条件下，侧向自由与侧向约束下的膨胀与收缩变形特征进行试验研究，研究结果表明：通过无侧限状态下，自然风干的试样与加热带加速风干的试样变形特征对比可知，加热带加速风干过程不影响试样干湿过程中整体的体积变形趋势，同样可以体现泥质岩试样在自然状态下循环干湿的变化特征；通过加热带风干条件下，无侧限和有侧限约束下的试样对比可知，约束条件不影响试样过程中整体的体积变形趋势；泥质岩在循环干湿风化过程的单次浸水和单次风干过程的体积变形特征与岩石受荷蠕变特征相似，并提出类Kelvin膨胀及收缩模型，与试验数据拟合效果良好；自然风干泥质岩试样在循环干湿风化过程中随干湿次数的增加，体积变形量逐渐增大，循环干湿过程中试样变形稳定所需时间主要取决于试样内部裂隙的扩展情况。

关键词：红层泥质岩；干湿循环；膨胀；收缩；蠕变模型中图分类号：TU45文献标志码：A文章编号：1672−7029(2020)01−0057−09Experimental study on deformation characteristics ofred-bed mudstone under cyclic dry-wet weatheringSUN Yi,DENG Ronggui,WEN Qixin,DONG Ling(School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu610031,China)Abstract:The post-construction deformation and settlement failure caused by weathering of mudstone earth rockfill has become crucial to the success of road and other civil engineering facilities.Therefore,swelling and shrinkage deformation characteristics of mudstone under the condition of lateral restraint and lateral freedom by means of dry-wet cycle were studied.Accelerated drying of heating belt,under lateral freedom condition,through a comparative analysis of deformation characteristics between natural air-drying specimens and accelerated drying specimens,does not affect the overall volume deformation trend in the process of dry-wet cycle.It can also reflect repeatedly dry-wet variation characteristics of mudstone specimens under natural state.The overall volume deformation trend,in the case of heating belt weathering,according to a comparison of the specimens under the condition of lateral freedom and lateral restraint,does not have a correlation with constraint condition.In the process of dry-wet weathering cycle,the volume deformation characteristic of mudstone under single soaking and收稿日期：2019−04−14基金项目：国家自然科学基金资助项目(41272321，51808458)；中国博士后科学基金资助项目(2018M640934)通信作者：邓荣贵(1960−)，男，四川自贡人，教授，博士，从事岩石力学、隧道与洞室稳定性和地质灾害与防治工程方面的教学与研究工作；E−mail：drg60@铁道科学与工程学报2020年1月58single drying being similar to that of rock creep under load,similar Kelvin swelling-shrinkage model fitted well with the test data is proposed.In the process of dry-wet weathering cycle,the volume deformation of natural air-dried mudstone specimens increases with the increase of dry-wet times,and the required time for the deformation stability mainly depends on the expansion of internal cracks of the specimens.Key words:red-bed mudstone;dry-wet cycle;swelling;shrinkage;creep model西南地区广泛分布着红层，红层地层岩石多由砂岩和泥质岩组成。

———————————————————————基金项目:甘肃省住房和城乡建设厅建设科技项目（JK2023-14）。

作者简介:胡俊卿（1987-），男，甘肃天水人，本科，工程师，研究方向为建筑工程；李旭庆（通讯作者）（1995-），男，山西朔州人，硕士生，研究方向为岩土工程。

0引言红层主要指侏罗纪到新近纪的陆相红色岩系，分布面积约达826389km 2[1]。

由于构造运动的影响，红层岩体产状和基本特性差异较大，易受水、温度及空气等自然因素的影响[2]。

水对红层泥岩结构的破坏性最为显著且不可逆，干湿循环作用会进一步加剧这种破坏，从而引发红层泥岩区域工程的破坏，如矿井坍塌、建筑结构、边坡失稳及边坡坡面剥蚀等[3，4]。

红层泥岩在自然界会经历反复的干湿循环，在经历第一次循环后岩体产生的裂缝较小，其内部结构的破环会随时间的推移而累积。

干湿循环对红层泥岩影响具有周期性，分别是以天为循环的晴雨天频繁变化和以季节剧变为周期的变化，二者都会使红层泥岩发生微小破裂。

在以季节剧变为周期作用下，更可能从量变引起质变，使红层泥岩微裂缝发生突变，剥离岩体[5]。

因此，干湿循环作用下红层泥岩特性变化的研究对工程建设和长期服役意义重大。

通过VOS viewer 数据库分析发现，近几年与干湿循环作用下红层泥岩性质变化领域相关的研究颇多，如图1所示，关于红层泥岩在干湿循环作用下的性质研究主要集中在崩解性、变形及强度变化等方面。

其次，还可看出部分学者对红层泥岩在干湿循环作用下性质变化与所处环境等的关联性也有研究。

1干湿循环对红层泥岩强度的影响1.1抗压强度红层泥岩抗压强度不仅与矿物组成、胶结程度、裂缝分布及含水状态等有关[6，7]，同时也受干湿循环作用的影响。

干湿循环初始损伤程度对红层泥岩力学性质有着不可忽略的影响[8，9]。

干湿循环作用下红层泥岩强度及变形特性研究进展Research Progress on the Characteristics of Mudstone in Red Bed under Dry and Wet Cycles胡俊卿①HU Jun-qing ;李旭庆②LI Xu-qing ;曾兵兵①ZENG Bing-bing ;高青栋②GAO Qing-dong ;李高娟②LI Gao-juan（①甘肃建投建设有限公司，兰州730050；②兰州交通大学，兰州730070）（①Gansu Jiantou Construction Co.，Ltd.，Lanzhou 730050，China ；②Lanzhou Jiaotong University ，Lanzhou 730070，China ）摘要:水对红层泥岩结构的破坏最为显著且不可逆，干湿循环作用会近一步加剧这种破坏，使红层泥岩发生变形，产生裂缝，导致红层泥岩内部结构损坏并不断累积，致使红层泥岩强度下降。

红层泥岩改良土特性室内试验研究摘要：一些路段的土质满足不了建筑质量需求，对于这一问题本文选择粉煤灰、水泥、石灰对素土实施改良。

通过多方面试验操作对其特性加以分析，包括击实等试验，另外还有土水特性检测等，针对改良土的特性及其方法加以分析探讨。

通过对改良之后土质的检测，包括承载比等方面来分析被改良之后土的效果，进而判断是否满足建筑标准。

以下就此加以分析研究，希望对提高红层泥岩土质量有积极作用。

关键字：室内试验；改良土特性；红层泥岩引言：红层泥岩经过长时间的风化脱落下来的颗粒，因为风化对泥岩本身的影响不大，产生化学反应不明显，所以颗粒当中的成分没有明显变动，包括颗粒当中的蒙脱石等矿物质成分都不会出现明显的变动，但是在风化以后的岩屑成土效果就比较差，因为颗粒体积等因素的影响泥岩本身的黏土性质受到影响，使得他们集中在一起，进而产生遇水易于膨胀的蒙脱石聚团，所以这类土质有着较高的崩解性，并且膨胀性较强。

假如选择这一材质铺路，其路面很容易产生鼓包，进而出现承载力下降、路基与翻浆冒泥沉降不均匀等问题。

但因为没有足够的路基填料，控制工程造价等原因，通常选择就近取材填筑路基。

所以进行泥岩改良的分析研究意义重大。

现就红层泥岩改良土特性室内试验进行分析探讨，希望对改善泥岩土质量有积极作用，有效提高工程建设质量。

1.试验方法与成果1.1击实试验这一过程就是利用机械设备将固体土粒按一定的功击打至密集状态，以提高土的干密度。

这一操作与土的固结不一样，土的固结是土受到静压力的影响排出其中滞留的水分。

而击实则是排出土中残留的气体，但不失水分。

但通过击实并不能彻底排出其中的气体，只能是尽可能多的排出气体。

提前备好不同水分比例的样品，通过击实以后，其湿度上升，土的干密度也随之上升，直到其中水分达到某一要求之后，获得最大干密度，此时进一步提高水分比例，对应的干密度就会逐步下降。

通过多次试验绘制出水分比例与干密度之间对应的曲线图。

曲线的最大值对应的最大干密度数值，与此相对应的含水率为最优含水量[1]。

红层泥岩在不同浸水条件下填料强度特性试验研究白志鹏;马天驰;尹红亮;文良东;吴国庆;靖振帅【期刊名称】《中国煤炭地质》【年(卷),期】2022(34)5【摘要】西南地区红层泥岩分布广泛,常用于工程填筑施工,其遇水易崩解特性常对工程填筑体的稳定性产生不良影响,因此,研究红层泥岩不同浸水条件下单轴抗压强度和浸水-风干循环崩解的变化规律具有重要的工程意义。

利用红层泥岩中常见的粉砂质泥岩开展了单轴抗压试验和浸水循环实验,对不同浸水条件的红层软泥岩样品的吸水量、吸水率、单轴抗压强度、弹性模量和峰值应变进行测试;对样品浸水-风干崩解过程进行观测记录,并讨论了干湿环境交替对泥岩单轴抗压强度性能和崩解规律的影响。

研究结论如下:①随着样品单次浸水过程的进行,样品的含水率与单轴抗压强度、弹性模量、峰值应变呈负相关;②样品在单次浸水过程中软化度明显增大,静置后样品外部先产生垂直层理方向裂隙,后垂直层理方向裂隙和平行层理方向裂隙逐渐闭合,使样品软化度小幅度变小,说明泥岩强度损伤主要发生在每次干湿环境交替过程的浸水过程中;③样品在多次浸水过程中,崩解过程不断进行,其转折点在第六次和第八次浸水循环,样品崩解频率加剧,在第12次浸水循环后,崩解物颗粒级配趋于稳定。

【总页数】6页(P37-42)【作者】白志鹏;马天驰;尹红亮;文良东;吴国庆;靖振帅【作者单位】西安科技大学地质与环境学院;西安科技大学煤炭绿色开采地质研究院;中交基础设施养护集团有限公司【正文语种】中文【中图分类】P642.13【相关文献】1.红层泥岩改良土填料物理力学特性的试验研究2.浸水时间对砂泥岩填料压缩特性影响试验研究3.红层泥岩填料物理力学特性的试验研究4.高速铁路路基红层泥岩填料力学特性试验研究5.甘肃红层泥岩填料物理力学特性的试验研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

５ ４ ３ ２
Ｏ
尽
１４ １６ ． ． ． １８
轴向应变， ％
含 水 量 ％
图 ４ 割 线 弹 性模 量 与 轴 向 应 变 关 系 曲线 图
教 稚
图 １ 红 层 泥 岩 压 实 曲线 图 Ｂ 娴 ｄ
３ ３ 膨 胀率 试验 ．
加
３ ２ 三轴压 缩试 验 ． ∞ 的 ∞ ∞ 加 Ｏ 参照规程进行 固结排水三轴试验。在最优含水
表 ３ 试样的膨胀率值与 Ｃ Ｒ值表 Ｂ
利用公 式法计算 浸水 前后 的强度指标 ，见图 ∞ ∞ ８ 、图 ９ 。从 图求 得 浸 水 前 ｃ ：３ ． Ｐ ， ＝ ８４ ｋ ａ ３．。 ０７ ，浸 水后 Ｃ ＝３． Ｐ ， ＝１． 。 ４５ｋ ａ ６８ 。
∞ 如 ∞
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全国中文核心期 刊
路 基工程
２０ ０６年第 ５ （ 期 总第 １８期 ） ２
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３ ２ ２ １
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验结果的变异系数大于 １ ，去掉一个偏大的值 ， ２％ 取其他两个结果的平均值。由相关规定可知红层泥 岩的 Ｃ Ｒ值基本符合高速铁路及 高速公路基床下 Ｂ 路堤强度的要求。
３ 试 验 结果及 分析
３ １ 击实试 验 ．
地基及路堤均 出现隆起 ，同时伴有路堤 向外滑移 ； 在 ０ ３ 时 ，上述 现象 表现更 明显 。 ．３ｇ ４ ２ ４ 液化 地基 沉 降特性 ．． 试验结束通过开挖路堤 ，量测得到三个断面的 地基 表 面沉降如 图 ５ ，从 图 ５可 知 ：路 堤 中一地 基 ｔ Ｌ ，
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路基 工程
２０ ０６年第 ５期 （ 总第 １８期 ） ２

第４６卷㊀第１期２０２４年１月地㊀震㊀工㊀程㊀学㊀报C H I N A E A R T H Q U A K EE N G I N E E R I N GJ O U R N A LV o l ．４６㊀N o ．１J a n u a r y,２０２４㊀㊀收稿日期:２０２２Ｇ０４Ｇ１８㊀㊀基金项目:甘肃省科技计划资助(２１Y F ５G A ０５０);甘肃省教育厅产业支撑计划项目资助(２０２１C Y Z C Ｇ２８);甘肃省交通运输厅科技研发项目资助(２０２１Ｇ１２);甘肃省基础研究创新群体项目(２１J R ７R A ３４７)㊀㊀第一作者简介:余云燕(１９６８－),女,浙江江山人,博士,教授,博士生导师,主要从事岩土与地下工程㊁土Ｇ结构耦合动力学方面的研究.E Ｇm a i l :y u y u n y a n ＠m a i l ．l z jt u ．c n .余云燕,崔文豪,罗崇亮,等．红层泥岩填料的力学特性及本构模型研究[J ]．地震工程学报,２０２４,４６(１):１Ｇ９．D O I :１０．２００００/j．１０００Ｇ０８４４．２０２２０４１８００３Y U Y u n y a n ,C U IW e n h a o ,L U OC h o n g l i a n g ,e t a l ．M e c h a n i c a l p r o pe r t i e s a n d c o n s t i t u t i v em o d e l of t h e r e dm u d s t o n e f i l lm a t e r i Ｇa l [J ]．C h i n aE a r t h q u a k eE ng i n e e r i n g J o u r n a l ,２０２４,４６(１):１Ｇ９．D O I :１０．２００００/j．１０００Ｇ０８４４．２０２２０４１８００３红层泥岩填料的力学特性及本构模型研究余云燕,崔文豪,罗崇亮,杜乾中,李㊀盛(兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州７３００７０)摘要:在红层泥岩地区进行道路工程施工时,考虑到材料短缺和成本问题,常常采用就地取材的方式作为路基填料.为了研究红层泥岩填料的适用性,选取甘肃省永登县某工点的风化红层泥岩填料为研究对象,在室内开展一系列三轴C U 剪切试验,探究含水率㊁围压和压实度对应力Ｇ应变曲线㊁峰值(残余)强度㊁抗剪强度指标的影响,并对不同类型的应力Ｇ应变曲线,分别采用相应的模型进行拟合.研究结果表明:含水率㊁围压和压实度对其物理力学特性具有显著影响;对符合应变软化型规律的曲线,采用沈珠江的双曲线模型拟合的规律一般;对符合应变硬化型规律的曲线,采用D u n c a n ＧC h a n g 模型拟合的规律较好.研究结果可以为甘肃省红层泥岩路基的病害处治与维修提供参考依据.关键词:道路工程;红层泥岩填料;三轴C U 剪切试验;沈珠江推广双曲线模型;D u n c a n ＧC h a n g 模型中图分类号:T U ４１１㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:１０００Ｇ０８４４(２０２４)０１－０００１－０９D O I :１０．２００００/j．１０００Ｇ０８４４．２０２２０４１８００３M e c h a n i c a l p r o pe r t i e s a n d c o n s t i t u t i v em o d e l of t h e r e dm u d s t o n e f i l lm a t e r i a lY U Y u n y a n ,C U IW e n h a o ,L U O C h o n g l i a n g ,D U Q i a n z h o n g ,L I S h e n g(S c h o o l o f C i v i lE n g i n e e r i n g ,L a n z h o uJ i a o t o n g U n i v e r s i t y ,L a n z h o u７３００７０,G a n s u ,C h i n a )A b s t r a c t :T o c o n s t r u c t r o a d e n g i n e e r i n g i n r e dm u d s t o n e r e gi o n s ,l o c a lm a t e r i a l s a r e o f t e n u s e d a s s u b g r a d e f i l l e r s b e c a u s e o f t h e s h o r t a g e o fm a t e r i a l s a n d c o s t p r o b l e m s ．T o s t u d y t h e a p p l i c a b i l i t yo f r e d m u d s t o n ef i l l m a t e r i a l ,w e a t h e r e dr e d m u d s t o n ef i l l m a t e r i a l f r o m as i t ei n Y o n g d e n gC o u n t y ,G a n s uP r o v i n c e ,w a s s e l e c t e d a s t h e r e s e a r c ho b je c t ．As e r i e s of c o n s o l i d a t e du n d r a i n e d (C U )t r i a x i a l s h e a r l a b o r a t o r y t e s t sw a s c o n d u c t e d t o e x pl o r e t h e e f f e c t s o fw a t e r c o n t e n t ,c o n f i Ｇn i n gp r e s s u r e ,a n d c o m p a c t i o nd e g r e e o n s t r e s s Ｇs t r a i n c u r v e ,p e a k (r e s i d u a l )s t r e n g t h ,a n d s h e a r s t r e n g t h i n d e x ．F u r t h e r m o r e ,d i f f e r e n t t y p e so f s t r e s s Ｇs t r a i nc u r v e sw e r e f i t t e d w i t ht h ec o r r e Ｇs p o n d i n g m o d e l s ．T h er e s u l t ss h o wt h a tw a t e rc o n t e n t ,c o n f i n i n gp r e s s u r e ,c o m p a c t i o nd e g r e e a f f e c t t h e p h y s i c a l a n dm e c h a n i c a l p r o pe r t i e s of t h e r e dm u d s t o n e f i l lm a t e r i a l ．F o r c u r v e s c o n f o r Ｇm i n g t os t r a i ns o f t e n i n g l a w,t h ef i t t i n g e f f e c to ft h e g e n e r a l i z e d h y p e r b o l i c m o d e lo fS h e n Z h u j i a n g i sn o t g o o d．F o rc u r v e sc o n f o r m i n g t os t r a i nh a r d e n i n g l a w,t h ef i t t i n g e f f e c to f t h e D u n c a nＧC h a n g m o d e l i s g o o d．T h e r e s e a r c h r e s u l t s p r o v i d e a r e f e r e n c e f o r t h e t r e a t m e n t a n dm aＧi n t e n a n c e o f r e dm u d s t o n e s u b g r a d e s i nG a n s uP r o v i n c e．K e y w o r d s:r o a d e n g i n e e r i n g;r e dm u d s t o n e f i l lm a t e r i a l;C Ut r i a x i a l s h e a r t e s t;g e n e r a l i z e dS h e n Z h u j i a n g h y p e r b o l i cm o d e l;D u n c a nＧC h a n g m o d e l０㊀引言红层泥岩广泛分布于我国中南㊁西南和西北等地区.甘肃省是西北红层泥岩的主要分布地区,除河西地区外,其余各地均有大量红层散布,分布总面积约７９６００k m２,约占甘肃省总面积的１９．２％[１].红层泥岩具有水稳定性差㊁易风化㊁崩解㊁含水率高时强度迅速降低等特点,使红层泥岩地区出现了大量的崩塌㊁滑坡㊁泥石流等地质灾害.在红层泥岩地区进行道路工程施工时,考虑到材料短缺和成本问题,常常就地取材采用其作为路基填料,但是工程完工后经常会引发路基翻浆冒泥和沉降等严重病害[２Ｇ３].如G６京藏高速兰州至海石湾段的路基出现大面积沉降,某些区段路基下沉近２m.针对红层泥岩的这种特性,许多学者对此进行了大量研究和改良处理.但是由于红层泥岩受古地理㊁古气候㊁沉积环境等因素影响,表现出明显的区域性.甘肃地处西北,红层泥岩的形成环境与其他地区截然不同,其力学特性与矿物成分存在显著差异[４].目前对于甘肃地区红层泥岩的填料也仅仅局限于常规力学试验和三轴U U剪切试验,因此有必要对甘肃省的风化红层泥岩填料的力学特性和本构模型进行深入研究,为甘肃省的公路设计㊁病害处治与维修提供理论依据.针对西南㊁中南等地区红层泥岩填料及红黏土的力学特性和本构模型研究,已取得部分研究成果.王智猛等[５]以不同围压的四川红层泥岩填料为研究对象,发现随着围压的增加,土体特性将从剪胀特性转化为剪缩特性,通过D u n c a nＧC h a n g模型对试验结果进行了参数研究,发现D u n c a nＧC h a n g模型能较好地拟合四川红层泥岩填料的应力Ｇ应变曲线;刘凯[６]以长沙地区红层填料为研究对象,进行了三轴固结排水试验,研究发现随着粒径的增大,内摩擦角突然增大,通过改进的D u n c a nＧC h a n g模型和EＧB 模型进行拟合分析,发现该模型也能够较好地描述应力Ｇ应变曲线.但D u n c a nＧC h a n g模型仅适用于应变硬化型曲线,对应变软化型曲线并不适用.对于应变软化型的本构模型,国内外学者也进行了很多研究[７Ｇ１０],其中沈珠江提出了应变软化双曲线模型具有很好的适用性[１１].刘先锋等[１２]对四川全风化泥岩进行了低围压下不同干密度和含水率的三轴U U试验,研究发现红层泥岩填料在低围压状态下,应力达到峰值强度后会显著衰减,表现出明显的强软化型曲线,随着含水率的降低和压实度的增大,峰值强度也逐渐增大,并根据刚度衰减特性建立了红层泥岩填料的刚度衰减双曲线模型,虽然该模型能适用于软化型曲线,但仅适用于浅层填料即低围压状态;李怀鑫等[１３]在沈珠江应变软化模型的基础上通过改进应力Ｇ应变软化模型对长治地区的重塑红黏土进行了拟合分析,拟合结果良好;赵蕊等[１４]以不同含水量和围压下的贵州红黏土为研究对象,开展一系列的固结不排水试验,对其进行了软化机理分析,并根据沈珠江㊁张尔齐等人的软化模型对贵阳红黏土进行拟合,拟合曲线与试验曲线基本一致,说明沈珠江提出的双曲线软化模型对于应变软化型曲线具有很好的适用性.上述研究成果为甘肃省红层泥岩填料在不同状态下力学特性及本构模型的研究提供很好的参考依据.针对甘肃地区红层泥岩填料力学特性的研究,余云燕等[１５Ｇ１６]对G６京藏高速兰州 海石湾段的红层泥岩填料进行了大量的三轴U U剪切试验,研究发现围压和含水率对红层泥岩填料的力学特性有很大的影响,随着含水率和围压逐渐升高,应力Ｇ应变曲线由应变软化型逐渐趋向于应变硬化型,抗剪强度指标与含水率密切相关,采用D u n c a nＧC h a n g模型对其有很好的适用性.目前,对于甘肃省红层泥岩填料的物理力学特性研究,仅限于三轴U U剪切试验,对本构模型的研究也仅限于应变硬化曲线.由于三轴C U剪切试验更加接近于工程实际中土体的受力状态,且红层泥岩填料在固结不排水条件时的力学特性㊁应变软化特性和应变软化模型等方面仍有待进一步深入研究.因此,本文以甘肃省永登县树屏镇杏花村缪家湾某工点的风化红层泥岩填料为研究对象,开展三轴C U剪切试验研究,分析含水率㊁围压和压实度对２㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀地㊀震㊀工㊀程㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２４年应力Ｇ应变曲线㊁峰值(残余)强度㊁抗剪强度指标等力学特性的影响,对不同类型的应力Ｇ应变曲线建立相应的本构模型,并确定其相关参数.１㊀填料基本物理性质试验土样取自甘肃省永登县树屏镇杏花村缪家湾某工点,为风化红层泥岩填料.按照«公路土工试验规程(J T G３４３０ ２０２０)»[１７],对该红层泥岩填料进行土粒比重㊁液塑限㊁击实等试验,得到基本物理指标如表１所列,其中最大干密度和最优含水率由轻型IＧ１击实试验确定,通过光电式液塑限联合测定仪测定液塑限,根据塑性图确定土的类别为低液限黏土.与文献[１５Ｇ１６]中的G６京藏高速公路兰州 海石湾维修工程的红层泥岩填料相比,本试验土样的最大干密度和塑性指数大,最优含水率㊁液限和塑限小.表１㊀红层泥岩填料的基本物理指标T a b l e１㊀P h y s i c a l p r o p e r t i e s o f r e dm u d s t o n e f i l lm a t e r i a l土粒比重G s最大干密度ρd m a x/(g/c m３)最优含水率ωo p t/％塑限ωP/％液限ωL/％塑性指数I P土的定名２．６８１．８９１５．９１４．８２３４．７８１９．９低液限黏土２㊀试验方案２．１㊀试验设备本次试验设备为S Y L DＧ３０型应力应变控制式三轴剪切渗透仪,可以进行不同方式的三轴剪切试验,采用拉压力传感器对应力进行自动读取,并采用智能软件系统处理.S Y L DＧ３０三轴仪和试验试样如图１所示.图１㊀测试仪器和样品F i g．１㊀T e s t i n s t r u m e n t s a n d t h e s p e c i m e n ２．２㊀试验方案根据«公路土工试验规程(J T G３４３０ ２０２０)»[１７]的规定开展试验.首先对红层泥岩填料进行碾碎处理,过２mm土工筛,并以最优含水率为基准,分别配置不同压实度㊁不同含水率的土样,试样方案如表２所列;将配置好的土样密封静置２４h 后,在制样器中制备直径６１．８mm㊁高度１２５mm的试样,分六层击实,每层刮毛以保证层间紧密接触;最后将制备好的不同含水率的试样密封８h后,用橡皮膜包裹装入压力室中,分别施加不同的围压进行固结,待固结完成后进行三轴剪切试验,剪切过程采用应变控制,剪切速率为０．５mm/m i n.按照«公路土工试验规程(J T G３４３０ ２０２０)»[１７]确定试验的破坏标准,选择(σ１－σ３)Ｇε１曲线上的峰值强度作为破坏强度,若曲线没有峰值强度,则取轴向应变为１５％时对应的主应力差为破坏强度,σ１㊁σ３分别为最大主应力和最小主应力,σ１－σ３为主应力差,ε１为轴向主应变.表２㊀三轴C U剪切试验方案T a b l e２㊀S c h e m e o f t r i a x i a l C Us h e a r t e s t 压实度K/％目标含水率ωo p t/％围压σ３/k P a饱和度S r/％９４９６１３．９４０㊁８０㊁１２０㊁１６０７３．３３１５．９４０㊁８０㊁１２０㊁１６０８３．８８１７．９４０㊁８０㊁１２０㊁１６０９４．４３１９．９４０㊁８０㊁１２０㊁１６０饱和１５．９４０㊁８０㊁１２０㊁１６０８９．３３１７．９４０㊁８０㊁１２０㊁１６０饱和１９．９４０㊁８０㊁１２０㊁１６０饱和３㊀三轴C U剪切试验结果及分析３．１㊀不同围压㊁含水率和压实度下的(σ１－σ３)Ｇε１关系曲线当压实度为９４％和９６％,含水率分别为１３．９％㊁１５．９％㊁１７．９％㊁１９．９％,围压分别为４０k P a㊁８０k P a㊁１２０k P a㊁１６０k P a时,红层泥岩填料的(σ１－σ３)Ｇε１关系曲线如图２所示.由图２可知,当含水率小于最优含水率和处于最优含水率且围压较低时,(σ１－σ３)Ｇε１关系曲线表现为应变软化型,随着围压的增加,由应变强软化型逐渐转化为应变弱软化型;当含水率大于最优含水率和处于最优含水率且围压较高时,(σ１－σ３)Ｇε１关系曲线表现为应变稳定型和应变硬化型.由上述分析可知,含水率㊁围压和压实度对应力Ｇ应变关系曲线具有显著影响.红层泥岩填料的三轴C U剪切试验结果与三轴U U剪切试验结果显３第４６卷第１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀余云燕,等:红层泥岩填料的力学特性及本构模型研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀图２㊀不同压实度㊁围压和含水率下的(σ１－σ３)Ｇε１关系曲线F i g．２㊀(σ１－σ３)Ｇε１c u r v e su n d e r d i f f e r e n t c o m p a c t i o nd e g r e e s,c o n f i n i n gp r e s s u r e s,a n dm o i s t u r e c o n t e n t s著不同,说明试验条件对应力Ｇ应变关系曲线影响很大.与三轴U U剪切试验相比,三轴C U剪切试验得到的峰值强度和抗剪强度指标更大,且出现了应变软化现象,这是由于在三轴C U剪切试验中,试样发生固结,超静孔压逐渐消散,随着孔隙水的排出,试样逐渐被压实,试样内部结构产生了变化.在实际工程中,路基在长期交通荷载作用下将处于固结不排水和固结排水之间,考虑到车辆经过的时间很短,路基将承受短期荷载作用,采用三轴C U剪切试验更加接近于工程实际.红层泥岩填料在低含水率状态下,颗粒之间的水膜较薄㊁土颗粒间的摩擦力较大,且在低围压作用时试样侧向约束较小,更容易达到密实状态,易产生剪切破坏,发生峰值应变较小的明显软化现象;在高围压作用时,试样侧向约束较大,变得更加密实,抵抗破坏的能力增强,表现出应力随应变逐渐增加的硬化现象.随着压实度的增加,颗粒之间更加紧密,孔隙越来越小,土样越来越密实,因此土体抵抗剪切破坏的能力增强,表现出较大的抗剪强度.３．２㊀试样破坏形式通过三轴C U剪切试验发现,(σ１－σ３)Ｇε１关系曲线为应变软化型时试样的破坏形式为剪切破坏(脆性破坏),如图３(a)所示,试样出现贯通的剪切图３㊀试样的破坏形式F i g．３㊀D e s t r u c t i o no f t h e s p e c i m e n４㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀地㊀震㊀工㊀程㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２４年破坏带,中上部有竖向裂缝;(σ１－σ３)Ｇε１关系曲线为应变稳定型和应变硬化型时试样的破坏形式为鼓状破坏,如图３(b )所示,试样径向膨胀鼓出,发生塑性破坏.３．３㊀抗剪强度指标分析土是碎散的三相材料,其抗剪强度由土颗粒间的黏聚力和摩擦力组成,由大小主应力表示的M o Ｇh r ＧC o u l o m b 破坏准则如式(１)所示.σ１－σ３２＝σ１＋σ３２s i n φ＋c c o s φ㊀(１)式中:c ㊁φ分别为土体的黏聚力和内摩擦角.为了便于计算,陈祖煜[１８]对式(１)中的参数进行了简单处理,通过p Ｇq 关系曲线的截距和斜率可以得到相应的c ㊁φ.则式(１)进一步可表示为:q ＝p s i n φ＋c c o s φ㊀(２)式中:p ＝(σ１＋σ３)/２,q ＝(σ１－σ３)/２.根据图２中的(σ１－σ３)Ｇε１关系曲线,线性拟合如图４所示.由图４可知,p Ｇq 关系曲线具有很好的线性关系,并根据每条直线的截距和斜率,算出不同含水率下红层泥岩填料的黏聚力c 和内摩擦角φ,如表３所列.图４㊀不同压实度和含水率的p Ｇq 关系曲线F i g ．４㊀p Ｇq cu r v e su n d e r d i f f e r e n tm o i s t u r e c o n t e n t s a n d c o m p a c t i o nd e g r e e s 表３㊀不同压实度和含水率的抗剪强度指标T a b l e ３㊀S h e a r s t r e n gt h i n d e x e s u n d e r d i f f e r e n tm o i s t u r e c o n t e n t s a n d c o m p a c t i o nd e gr e e s 压实度K /％含水率ω/％黏聚力c /k P a 内摩擦角φ/(ʎ)９４９６１３．９９８．１３３５．０３１５．９１０３．９２７．２９１７．９１００．１８２２．４７１９．９９３．９９１３．３８１５．９１１６．６２７．３１１７．９１１０．１６２１．４８１９．９９９．９９１３．８６由表３可知,以压实度９４％为例,随着含水率的增加,内摩擦角逐渐减小.含水率从１３．９％增加到１９．９％时(即含水率增加６％),红层泥岩填料的内摩擦角从３５．０３ʎ减小到１３．３８ʎ,减幅达６１．８％;随着含水率的增加,红层泥岩填料的黏聚力变化不大,在一定范围内波动,说明红层泥岩填料的内摩擦角对含水率更为敏感;当含水率一定时,随着压实度的增加,红层泥岩填料的黏聚力略有增加㊁内摩擦角基本不变.因此,含水率对抗剪强度指标的影响程度大于压实度,尤其对内摩擦角的影响最为显著,这是由于随着含水率的增加,颗粒之间的水膜厚度逐渐增大,摩擦阻力减小,从而导致内摩擦角降低.本次三轴C U 剪切试验得到的红层泥岩填料抗剪强度指标大于文献[１６]中三轴U U 剪切试验得到的结果,但含水率对抗剪强度指标的影响规律基本一致.４㊀红层泥岩填料的本构模型研究４．１㊀强度与围压的关系通过不同含水率㊁围压和压实度下的三轴C U剪切试验,可以得到相应的峰值强度㊁残余强度和峰值应变.对上述强度值建立相应的强度Ｇ围压曲线,如图５所示;并进行线性拟合处理,拟合结果如表４所列.由图５可知,对于应变软化型曲线,当含水率不变时,随着围压的增大,峰值强度和残余强度也逐渐增大;在相同围压下,随着含水率的增加,峰值强度和残余强度逐渐减小.对于应变稳定型和应变硬化型关系曲线,当含水率不变时,随着围压和压实度的增大,峰值强度逐渐增大;围压不变,随着含水率的５第４６卷第１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀余云燕,等:红层泥岩填料的力学特性及本构模型研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀图５㊀强度与围压的关系F i g．５㊀R e l a t i o n s h i p b e t w e e n s t r e n g t ha n d c o n f i n i n gp r e s s u r e表４㊀不同含水率、压实度下的强度Ｇ围压关系T a b l e４㊀R e l a t i o n s h i p b e t w e e n s t r e n g t ha n d c o n f i n i n gp r e s s u r e u n d e r d i f f e r e n tm o i s t u r e c o n t e n t sa n d c o m p a c t i o nd e g r e e s强度压实度K/％含水率ω/％斜率截距R２峰值强度残余强度９４９６９４９６１３．９２．６８６６３７８．１３０．９９４１５．９１．６９１７３４１．２２０．９９８１７．９１．２１７４３０１．６３０．９５９１９．９０．５９２５２３８．９００．９３３１５．９１．６６４１３８６．０６０．９６０１７．９１．１５５１３２３．４８０．９９９１９．９０．６１７６２５６．５９０．９２１１３．９３．５１７６２１８．３４０．９９７１５．９２．４７４８２２７．４４０．９９９１５．９２．９０００１８４．７１０．９９９增大,峰值强度降低,相邻围压间的峰值强度差值逐渐减小;在一定含水率下,随着压实度的增大,峰值强度也逐渐增大.因此,可以通过增大压实度和降低含水率等措施来提高路基填料的强度,并在路基两侧应增加防排水措施,减小降雨对路基填料强度的影响.由表３可知:峰值(残余)强度与围压正相关,拟合度很高,相关系数R２均大于０．９,每条直线的截距与倾角随着含水率的减小而逐渐增大.当含水率保持不变,随着围压的增大峰值(残余)强度线性增长;围压保持不变,随着含水率的增加峰值(残余)强度逐渐降低,说明峰值(残余)强度对含水率非常敏感.４．２㊀应变软化模型研究经过许多学者的大量研究发现,沈珠江推广双曲线模型广泛适用于应变软化型曲线.其表达式为:ε１f＝a b－２c(σ１－σ３)f＝１４(b－c)(σ１－σ３)r＝c b２σ１－σ３＝(a＋cε１)ε１(a＋bε１)２㊀(３)式中:(σ１－σ３)f为峰值强度;(σ１－σ３)r为残余强度;ε１f轴向峰值应变;a㊁b㊁c为沈珠江推广双曲线模型参数.将应力Ｇ应变曲线为应变软化型的峰值强度㊁残余强度和轴向峰值应变代入式(３)中,得到沈珠江推广双曲线模型的参数a㊁b㊁c,如表５所列.表５㊀沈珠江模型的拟合参数T a b l e５㊀F i t t i n gp a r a m e t e r s o f S h e nZ h u j i a n g m o d e l压实度K/％含水率ω/％围压σ３/k P a a/k P a－１b/k P a－１c/k P a－１９４９６１３．９１５．９１５．９４００．０００７３７０．０００６９１０．０００１７０８００．０００６０５０．０００５９７０．０００１７７１２００．０００５５２０．０００５４４０．０００１９４１６００．０００９３７０．０００５２９０．０００２１６４００．００１３３８０．０００８５６０．０００２３９８００．００１８５００．０００７７８０．０００２５７４００．００１２００．０００６９９０．０００１４７８００．００１６６０．０００６９５０．０００２０３４．３㊀应变硬化模型研究K o n d n e r等依据大量的三轴试验研究发现,双曲线模型可以很好地表示应力Ｇ应变曲线.本文采用D u n c a nＧC h a n g模型对应变硬化型曲线进行拟合分析,双曲线公式为:ε１σ１－σ３＝d＋eε１㊀(４)６㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀地㊀震㊀工㊀程㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２４年式中:d ㊁e 均为D u n c a n ＧC h a n g 模型参数.将图２中属于应变稳定型和应变硬化型的试验数据根据式(４)进行线性拟合,如图６所示.图６中给出了不同含水率的ε１(σ１－σ３)éëêêùûúúＧε１关系曲线,根据每条直线的斜率和截距得到D u n c a n ＧC h a n g 模型的参数d ㊁e ,如表６所列.４．４㊀本构模型验证为验证沈珠江推广双曲线模型和D u n c a n ＧC h a n g 模型的准确性和适用性,将表５㊁表６中的参数代入到相应模型的表达式中,并与三轴C U 剪切试验结果一同绘制在(σ１－σ３)Ｇε１关系图中,如图７所示.图６㊀不同含水率和压实度的ε１(σ１－σ３)éëêêùûúúＧε１关系曲线F i g ．６㊀ε１(σ１－σ３)[]Ｇε１c u r v e su n d e r d i f f e r e n tm o i s t u r e c o n t e n t s a n d c o m p a c t i o nd e g r e e s 表６㊀D u n c a n ＧC h a n g 模型的拟合参数T a b l e ６㊀F i t t i n gp a r a m e t e r s o fD u n c a n ＧC h a n g mo d e l 压实度K /％含水率ω/％围压σ３/k P a e/k P a －１d/k P a－１压实度K /％含水率ω/％围压σ３/k P a e/k P a －１d/k P a－１９４１５．９１７．９１９．９１２００．００００１７０．００１７１６００．００００２００．００１５４００．００００２３０．００２８８００．００００１８０．００２３１２００．００００３１０．００２０１６００．００００３７０．００１８４００．００００８８０．００３３８００．００００６９０．００３０１２００．００００６１０．００２７１６００．００００６００．００２７９６１５．９１７．９１９．９１２００．００００１９０．００１５１６００．００００２３０．００１４４００．００００２３０．００２５８００．００００２９０．００２２１２００．００００３００．００２０１６００．００００３５０．００１８４００．００００９５０．００３０８００．００００８００．００２６１２００．００００７８０．００２５１６００．００００７００．００２４㊀㊀由图７可知,利用D u n c a n ＧC h a n g 模型描述应变稳定型和应变硬化型的(σ１－σ３)Ｇε１关系曲线,与三轴C U 剪切试验结果基本一致,曲线拟合结果良好,且轴向应变大于２％时的拟合效果最佳.利用沈珠江推广双曲线模型描述应变软化型的(σ１－σ３)Ｇε１关系曲线,其拟合效果一般,尤其针对应变７第４６卷第１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀余云燕,等:红层泥岩填料的力学特性及本构模型研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀图７㊀拟合曲线与试验结果对比F i g．７㊀C o m p a r i s o nb e t w e e n f i t t i n g c u r v e s a n d t e s t r e s u l t s强软化型的(σ１－σ３)Ｇε１关系曲线,拟合误差较大,该模型不能描述出主应力差到达峰值强度后快速降低的过程.５㊀结论(１)三轴C U剪切试验的应力Ｇ应变曲线受含水率㊁围压和压实度影响很大.当含水率小于最优含水率和处于最优含水率较低围压时,应力Ｇ应变曲线为应变软化型,且随着围压的增加,由应变强软化型逐渐转为应变弱软化型;当含水率大于最优含水率和处于最优含水率较低围压时,(σ１－σ３)Ｇε１关系曲线为应变稳定型和应变硬化型.应变软化型时试样的破坏形式为剪切破坏,应变稳定型和应变硬化型时试样的破坏形式为鼓状破坏.(２)随着压实度的增大,红层泥岩填料的内摩擦角和黏聚力也逐渐增大.当压实度一定时,随着含水率的增加,红层泥岩填料的黏聚力逐渐增大,且在含水率１３．９％~１７．９％范围内波动并处于最大.含水率的增减对黏聚力的影响不太大,但内摩擦角随着含水率的增加显著减小,说明内摩擦角对含水率更为敏感.(３)峰值(残余)强度与围压正相关,具有良好的线性关系;随着含水率的增加,峰值(残余)强度急剧减小,说明峰值(残余)强度对含水率非常敏感. (４)对于应变稳定型和硬化型的应力Ｇ应变曲线,D u n c a nＧC h a n g模型具有很好的适用性,且在轴向应变大于２％时的拟合效果最佳.对于应变软化型的应力Ｇ应变曲线,沈珠江推广双曲线模型拟合效果一般,尤其针对应变强软化型,不能描述出主应力差到达峰值强度后快速降低的过程. (５)含水率是影响红层泥岩填料的一个非常重要的因素,随着含水率增加,峰值强度和抗剪强度指标中的内摩擦角和黏聚力均表现出特别明显的劣化现象.８㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀地㊀震㊀工㊀程㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２４年参考文献(R e f e r e n c e s)[１]㊀郭永春,谢强,文江泉．我国红层分布特征及主要工程地质问题[J]．水文地质工程地质,２００７,３４(６):６７Ｇ７１．G U O Y o n g c h u n,X I E Q i a n g,W E NJ i a n g q u a n．R e db e d sd i s t r iＧb u t i o na n d e n g i n e e r i n gg e o l o g ic a l p r o b l e mi nC h i n a[J]．H yd r oＧg e o l o g y&E n g i n e e r i n g G e o l o g y,２００７,３４(６):６７Ｇ７１．[２]㊀柳群义．红层路堑边坡稳定性与防治研究[D]．长沙:中南大学,２０１０．L I U Q u n y i．S t u d y o n t h e s t a b i l i t y o f r o a d s l o p ew i t h r e d b e d d e d r o c km a s s a n d i t s r e i n f o r c e m e n t t e c h n i q u e[D]．C h a n g s h a:C e nＧt r a l S o u t hU n i v e r s i t y,２０１０．[３]㊀Z HA N G C L,J I A N G G L,B U Z Z IO,e ta l．F u l lＧs c a l e m o d e l t e s t i n g o n t h ed y n a m i cb e h a v i o u ro fw e a t h e r e dr e d m u d s t o n e s u b g r a d eu n d e rr a i l w a y c y c l i c l o a d i n g[J]．S o i l sa n d F o u n d aＧt i o n s,２０１９,５９(２):２９６Ｇ３１５．[４]㊀王骑虎．甘肃红层工程地质特性与边坡稳定性研究[D]．北京:北京工业大学,２０１６．WA N G Q i h u．S t u d y o ne n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n d s l o p e s t ab i l i t y o f r e db e d s i nG a n s uP r o v i nc e[D]．B e i j i n g:B e i j i n g U n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y,２０１６．[５]㊀王智猛,蒋关鲁,魏永幸．红层泥岩土邓肯Ｇ张模型参数试验研究[J]．路基工程,２００９(６):５２Ｇ５４．WA N GZ h i m e n g,J I A N G G u a n l u,W E IY o n g x i n g．E x p e r i m e nＧt a l r e s e a r c ho nD u n c a nＧC h a n g m o d e l p a r a m e t e r so f r e d m u dＧs t o n e s o i l[J]．S u b g r a d eE n g i n e e r i n g,２００９(６):５２Ｇ５４．[６]㊀刘凯．红层软岩填料缩尺效应及其力学性质试验研究[D]．长沙:湖南大学,２０１８．L I U K a i．E x p e r i m e n t a ls t u d y o ns c a l ee f f e c ta n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f r e db e d s s o f t r o c k f i l l i n g m a t e r i a l[D]．C h a n g s h a:H u n a nU n i v e r s i t y,２０１８．[７]㊀张尔齐,常青．关于具有软化性能土的应力Ｇ应变关系的研究[J]．哈尔滨建筑大学学报,２００１(３):４５Ｇ４８．Z H A N GE r q i,C H A N G Q i n g．S t r e s sＧs t r a i nr e l a t i o n s h i p f o r d eＧs c r i p t i o no f s o f t e n i n g b e h a v i o ro fs o i l s[J]．J o u r n a lo f H a r b i n U n i v e r s i t y o fC i v i l E n g i n e e r i n g a n dA r c h i t e c t u r e,２００１(３):４５Ｇ４８．[８]㊀孙海忠,黄茂松．考虑粗粒土应变软化特性和剪胀性的本构模型[J]．同济大学学报(自然科学版),２００９,３７(６):７２７Ｇ７３２．S U N H a i z h o n g,HU A N G M a o s o n g．A c o n s t i t u t i v e m o d e l f o rc o a r s e g r a n u l a rm a t e r i a l i n c o r p o r a t i n g b o t h s t r a i nw o r kＧs o f t e nＧi n g a n d d i l a t a n c y[J]．J o u r n a l o fT o n g j iU n i v e r s i t y(N a t u r a l S c iＧe n c e),２００９,３７(６):７２７Ｇ７３２．[９]㊀WO O DD M,B E L K H E I RK．S t r a i n s o f t e n i n g a n d s t a t e p a r a mＧe t e rf o rs a n d m o d e l l i n g[J]．Géo t e c h n i q u e,１９９４,４４(２):３３５Ｇ３３９．[１０]㊀蔡袁强,陈静,王军．循环荷载下各向异性软黏土应变Ｇ软化模型[J]．浙江大学学报(工学版),２００８,４２(６):１０５８Ｇ１０６４．C A IY u a n q i a n g,C H E NJ i n g,WA N GJ u n．S t r a i nd e g r a d a t i o nm o d e l f o r a n i s o t r o p i c s o f t c l a y u n d e r c y c l i c l o a d i n g[J]．J o u r n a lo f Z h e j i a n g U n i v e r s i t y(E n g i n e e r i n g S c i e n c e),２００８,４２(６):１０５８Ｇ１０６４．[１１]㊀沈珠江．考虑剪胀性的土和石料的非线性应力应变模式[J]．水利水运科学研究,１９８６(４):１Ｇ１４．S H E NZ h u j i a n g．A n o n l i n e a rd i l a t a n ts t r e s sＧs t r a i n m o d e l f o rs o i l s a n dr o c k m a t e r i a l s[J]．H y d r oＧS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g,１９８６(４):１Ｇ１４．[１２]㊀刘先峰,潘申鑫,袁胜洋,等．压实红层泥岩填料强度与刚度软化和衰减特性研究[J]．铁道科学与工程学报,２０２２,１９(９):２６２９Ｇ２６３６．L I U X i a n f e n g,P A N S h e n x i n,Y U A N S h e n g y a n g,e t a l．S t u d yo ns t i f f n e s s s o f t e n i n g a n da t t e n u a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f c o mＧp a c t e d r e dm u d s t o n e[J]．J o u r n a l o f R a i l w a y S c i e n c e a n dE n g iＧn e e r i n g,２０２２,１９(９):２６２９Ｇ２６３６．[１３]㊀李怀鑫,林斌,陈士威,等．不同含水率下红黏土软化模型及强度试验研究[J]．黄金科学技术,２０２０,２８(３):４４２Ｇ４４９．L IH u a i x i n,L I N B i n,C H E N S h i w e i,e ta l．S t u d y o nt h es o fＧt e n i n g m o d e l a n d s t r e n g t ho f r e dc l a y a t d i f f e r e n tw a t e r c o nＧt e n t[J]．G o l dS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,２０２０,２８(３):４４２Ｇ４４９．[１４]㊀赵蕊,左双英,孙志强．贵阳红黏土的应力Ｇ应变软化模型及参数研究[J]．地下空间与工程学报,２０１８,１４(５):１２５８Ｇ１２６５．Z H A O R u i,Z U OS h u a n g y i n g,S U NZ h i q i a n g．R e s e a r c ho f t h es t r e s sＧs t r a i ns o f t e n i n g m o d e la n d p a r a m e t e r so fr e dc l a y i nG u i y a n g[J]．C h i n e s e J o u r n a l o fU n d e r g r o u n dS p a c e a n dE n g iＧn e e r i n g,２０１８,１４(５):１２５８Ｇ１２６５．[１５]㊀余云燕,罗崇亮,包得祥,等．兰州地区红层泥岩物理力学特性试验[J]．兰州交通大学学报,２０１９,３８(５):１Ｇ６．Y U Y u n y a n,L U O C h o n g l i a n g,B A O D e x i a n g,e ta l．E x p e r iＧm e n t a l s t u d y o n p h y s i c a la n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fr e dm u d s t o n e i n L a n z h o ua r e a[J]．J o u r n a lo fL a n z h o uJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,２０１９,３８(５):１Ｇ６．[１６]㊀罗崇亮,余云燕,包得祥,等．基于三轴试验红层泥岩的邓肯Ｇ张模型参数研究[J]．地震工程学报,２０１９,４１(２):４３６Ｇ４４４．L U OC h o n g l i a n g,Y U Y u n y a n,B A O D e x i a n g,e ta l．D u n c a nＧZ h a n g m o d e l p a r a m e t e r so fr e d m u d s t o n eb a s e do nt r i a x i a lt e s t s[J]．C h i n aE a r t h q u a k eE n g i n e e r i n g J o u r n a l,２０１９,４１(２):４３６Ｇ４４４．[１７]㊀中华人民共和国交通运输部．公路土工试验规程:J T G３４３０ ２０２０[S]．北京:人民交通出版社,２０２０．M i n i s t r y o fT r a n s p o r t o f t h eP e o p l e＇sR e p u b l i co fC h i n a．T e s tm e t h o d so fs o i l sf o rh i g h w a y e n g i n e e r i n g:J T G３４３０ ２０２０[S]．B e i j i n g:C h i n aC o mm u n i c a t i o n sP r e s s,２０２０．[１８]㊀陈祖煜．土质边坡稳定分析:原理 方法 程序[M]．北京:中国水利水电出版社,２００３．C H E N Z u y u．S o i ls l o p es t a b i l i t y a n a l y s i s:t h e o r y,m e t h o d s,a n d p r o g r a m s[M]．B e i j i n g:C h i n aW a t e r&P o w e r P r e s s,２００３．(本文编辑:任㊀栋)９第４６卷第１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀余云燕,等:红层泥岩填料的力学特性及本构模型研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀。

红层软岩崩解性及其路基动力变形特性研究红层软岩崩解性及其路基动力变形特性研究中文摘要:在我国中西部高速公路建设中存在大量红层软岩路段,该类岩石因其成因特殊而成分复杂且大部分具有崩解性,作为一种特殊路基填料使用往往导致工程建设成本高,施工进度缓慢。

为此本文结合交通部“九五”行业联合重点攻关项目“京珠高速公路湘潭至耒阳段红砂岩地带路基修筑技术研究”,对红层软岩的崩解性、路用性能以及路基在汽车荷载作用下的动力变形特性进行深入研究。

本文首先在大量工程调研的基础上指出红层软岩作为路基填料必须解决的两个关键问题,即其崩解性(崩解机理、崩解程度评价、崩解性消除方法等)和路用性(红层填料的可压实性、强度特性以及荷载作用下的变形特性等)问题。

继而针对红层软岩及其崩解物进行了较全面的室内和现场试验研究。

提出了红层软岩作为高速公路填料的可能性,并在此基础上制定出红层材料作为路基填料应达到的压实度水平。

由于软岩崩解程度目前尚无合适的评价指标,本文引入分形理论对红层软岩的崩解分形机理进行了研究,深入探讨了崩解过程中崩解物粒度分布分数维的变化规律,并根据分形概念建立出红层软岩崩解过程的数学模拟模型,证明了红层软岩崩解是一个分形,在此基础上提出了对红层软岩崩解进度进行描述的新指标—粒度分数维,...英文摘要: There are lots of expressway sections lay in red beds in the Central-Western of China. Soft rock of red beds contain complex ingredients and many kinds of these rock have the property of slaking which need higher budget and longer construction period when used as embankment filling material. So combined with the major joint research project sponsored by the ministry of communications“Research on the embankment construction technique in red beds belt of JIN-ZHU expressway XIANGTAN to LEIYANG section”, t...目录:红砂岩的路基填筑技术红砂岩基础知识一、红砂岩的定义在我26标高速公路沿线，广布着泥岩，泥质砂岩，砂岩，泥质或砂质页岩等沉积类岩石，其中多数因富含铁的氧化物而呈红色、深红色或褐色，开挖后，随着时间的推移，在大气、阳光、特别是雨水的作用下易崩解。

第38卷第2期 娃酸盐通报Vol.38 No.2 2019 年 2 月_______________BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY___________________February,2019甘肃红层泥岩填料物理力学特性的试验研究王鹏1，余云燕U，包得祥M，罗崇亮1(1.兰州交通大学土木工程学院，兰州730070 ;2.兰州交通大学甘肃省轨道交通力学应用工程实验室，兰州730070;3.甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，兰州730030)摘要:红层泥岩作为一种常见的特殊土路基填料，其物理力学性质在不同地域表现出显著的差异性。

本文针对G6京藏高速公路兰海段路基填料红层泥岩土，通过土工试验(击实试验、界限含水率试验、固结试验）、X射线衍射、化学分析和电镜扫描试验、三轴压缩(U U)等试验，研究含水率、压实度等因素对红层泥岩物理力学特性的影响。

研究结果表明:所有工况下的应力-应变曲线均为应变硬化型，当围压为50 k P a且小于最优含水率时的应力-应变曲线趋于平稳;压实度不变，随着含水率的增加，黏聚力和内摩擦角逐渐减小，二者均随含水率的增加呈非线性下降关系，且内摩擦角减小的幅度更大;含水率不变，随着压实度的增加，黏聚力急剧增加，与压实度呈二次多项式关系，而内摩擦角变化不大。

关键词:红层泥岩；含水率；抗剪强度指标；三轴试验中图分类号:TB332 文献标识码:A 文章编号:1001 -1625 (2019) 02-0522-08Experimental Study on Physical and Mechanical Properties ofRed-mudstone Filling in GansuWANG Peng1,YU Yun-yan1,2,BA0 De-xiang1,3,LU0 Chong-liang1(1. School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China；2. Gansu Province Engineering Laboratoryof Rail Transit Mechanics Application,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China；3. Gansu Province Transportation Planning, Survey & Design Institute Co. ,Ltd. ,Lanzhou 730030, China)A b stract：As a common special soil material to fill subgrade, the red-mudstone has obviously differencein physical and mechanical properties regions. In order to study the influence of water content, compaction and other factors on physical and mechanical properties of the red-mudstone soils, a series of tests, such as soils test ( compaction, consolidation, consistency limit) , XRD test, SEM test and U Utriaxial test were performed on the red-mudstone subgrade filling of G6 Beijing-Tibet Highway from Lanzhou to Haishiwan section. The results show that the stress-strain curve is stable when the confining pressure is 50 kPa and the water content is less than the optimal moisture content and it is strain- hardening in all the cases. In the same compactness, with the increase of water content, the cohesion and internal friction angle are gradually decrease, both of which have a nonlinear relationship with the increase of water content, and the internal friction angle decreases more. In the same water content, with the increase of compactness, the cohesion increases sharply and has a quadratic polynomial relationship with it, but the internal friction angle changes little.Key words：red-mudstone ；water content ；shear strength index ；triaxial test1引言随着我国公路建设规模和建设投入的增大，使公路通车里程快速增长，极大地改善了城市交通状况。

基于三轴试验红层泥岩的邓肯-张模型参数研究罗崇亮;余云燕;包得祥;王鹏【摘要】兰州地区红层泥岩形成于干旱、半干旱环境,其物理力学特性与其他地区的红层泥岩不同。

以G6京藏高速兰海养护维修工程的红层泥岩路基填料为研究对象,通过大量的常规三轴试验,研究含水率对其力学特性及邓肯-张模型参数的影响。

结果表明:在不同含水率下兰州地区红层泥岩的应力-应变曲线关系符合双曲线模型。

含水率小于最优含水率时,破坏形式为剪切破坏;含水率大于最优含水率,破坏形式为鼓状破坏;随着含水率的增加,黏聚力和内摩擦角逐渐减小,内摩擦角减小的幅度更大,究其原因是含水率对黏聚力和内摩擦角的影响机理不同而导致。

采用数学模型进行拟合发现:黏聚力、内摩擦角与含水率分别呈二次抛物线与对数曲线关系。

不同含水率下邓肯-张模型参数破坏比Rf在区间(0.869,0.984)内波动,K值随含水率增大而减小呈负线性关系,n值随含水率的增大而增大呈线性关系。

【期刊名称】《地震工程学报》【年(卷),期】2019(041)002【总页数】9页(P436-444)【关键词】红层泥岩;常规三轴试验;含水率;应力-应变关系;邓肯-张模型参数【作者】罗崇亮;余云燕;包得祥;王鹏【作者单位】[1]兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州730070;[1]兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州730070;[2]兰州交通大学甘肃省轨道交通力学应用工程实验室,甘肃兰州730070;[1]兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州730070;[3]甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司,甘肃兰州730030;[1]兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州730070;【正文语种】中文【中图分类】TU4110 引言红层泥岩在我国西南、西北、华东、中南、华北及东北等地区均有广泛分布[1],就西北、西南地区约有46.516×104 km2。

而甘肃是我国西北红层泥岩的主要分布地区,其红层面积约7.956×104 km2,占甘肃省面积的19.23%[2]。

红砂岩路堤填料崩解及强度特性试验Chapter 1 IntroductionRed sandstone is a popular natural material for road embankment filling due to its abundant reserves and favorable geological properties. However, the red sandstone road embankment has gradually revealed the problem of material collapse and deformation under the effects of environmental factors such as rainfall, temperature, and traffic loading. The material collapse of red sandstone filling not only affects the engineering safety and service life of the road, but also causes environmental pollution and economic loss. Therefore, it is necessary to study the material collapse mechanism and strength properties of red sandstone filling, which has important practical significance for optimizing the design of road embankment filling and ensuring its quality and safety.Chapter 2 Literature Review2.1 Red Sandstone CharacteristicsThe red sandstone is a kind of sedimentary rock with a granular structure, mainly composed of quartz, feldspar, mica, iron oxide, clay minerals, and other mineral components. The physical and mechanical properties of red sandstone, such as porosity, water absorption, density, and compressive strength, are highly related to its mineral composition, texture, and origin.2.2 Material Collapse MechanismThe material collapse of red sandstone filling mainly results from the internal instability and erosion of the filling particles, as well as the inadequate compaction and drainage during the construction process. The weathering, water penetration, and freeze-thaw cycles of the filling material also contribute to the material collapse process.2.3 Strength Characteristics of Red Sandstone FillingThe strength of red sandstone filling is affected by many factors, including confining pressure, moisture content, temperature, loading rate, and particle size distribution. The unconfined compressive strength (UCS) test, the triaxial compression test, and the direct shear test are commonly used to measure the strength properties of red sandstone filling.Chapter 3 Experimental Procedure3.1 Sample PreparationThe red sandstone samples were collected from a road embankment in Yulin, Shaanxi province, China. The filling material was crushed into particles with a maximum size of 20 mm, and then divided into four different groups according to the moisture content.3.2 Experimental SetupThe UCS test, triaxial compression test, and direct shear test were performed to measure the strength properties of the red sandstonefilling under different experimental conditions. The test samples were prepared based on the standard procedures, and the loading conditions were controlled by the corresponding test equipment.3.3 Test Results AnalysisThe test data were recorded and analyzed by using the statistical and mathematical methods, and the strength properties of the red sandstone filling were evaluated based on the test results.Chapter 4 Results and Discussion4.1 Moisture Content EffectsThe results showed that the moisture content significantly affected the strength properties of the red sandstone filling. With the increase of moisture content, the UCS and triaxial compression strengths decreased, while the cohesion and friction angle of the filling material increased.4.2 Loading Rate EffectsThe loading rate also had a significant impact on the strength properties of the red sandstone filling. The UCS strength and deformation modulus increased with the increase of loading rate, while the cohesion and friction angle decreased.4.3 Particle Size Distribution EffectsThe particle size distribution had a minor impact on the strengthproperties of the red sandstone filling. The UCS strength and deformation modulus slightly decreased with the increase of particle size, while the cohesion and friction angle remained nearly constant.Chapter 5 Conclusions and Recommendations5.1 ConclusionsThe experiments revealed that the moisture content, loading rate, and particle size distribution significantly affected the strength properties of the red sandstone filling. The material collapse and deformation mechanisms of the filling material were related to the internal instability, compaction, and erosion of the particles under environmental factors. The research results provide important guidance for the optimization of red sandstone filling design and construction.5.2 RecommendationsFurther research is recommended to investigate the microstructural characteristics and mechanical behavior of red sandstone filling under multi-factor coupling, such as the effects of temperature, stress path, and curing time. The numerical simulation and theoretical analysis methods can also be employed to predict and analyze the material collapse and deformation of red sandstone filling in practical engineering applications. Moreover, the practical implementation of effective reinforcement and drainage measures can enhance the stability and durability of road embankment filling.。

对于单轴压缩试验： 风干状态组试样有 ６ 个试件， 饱和状态组 ３ 个试件， 除风干状态有 ３ 个试件采用轴向位 移速 度 为 ００ —．５ ｍｉ ．１００ｍｍ／ ｎ的控制方式 直到试 样破坏外 ， 余试样在 试验前期 都采用 轴向应 力控制方 式，到轴 向 其
收稿 日期 ：２ ０ ．９０ ０ ８０ ．４
２２试 样条 件 ．
试验所用岩石取 自四川乐山某水库工程， 为白垩系弱风化泥质细砂岩， 颜色为紫红色， 《 按 水利水电工程岩 石试验规程 》 要求制样， 试件尺寸为 和状态下的单轴和三轴压缩共 四组．
２３试验 方法 ．
５ｍ ０ ｍ． ０ ｍｘ ｍ 根据试件含水状态和加载方式将岩石试样分为风干 、 １ ０ 饱
１ 引 言
红层主要是指侏罗系、 白垩系及少量三叠系及早第三系组成的， 已经成岩的， 主色调为红色的泥岩、 粉砂岩 、 砂岩等岩性的一套陆相及浅水湖相沉积物【 中国红层主要分布于西南 、 １ 】 ． 西北和中南地区，四川盆地红层广泛分 布于四川省和重庆市的四川盆地及盆地边缘地区，以侏罗系和 白垩系为主， 有少量的第三系地层． 盆地的白垩 系地层很发育， 多为砖红 、 紫红或紫色的砂岩、 砾岩、 粉砂岩及泥质岩． 四川盆地红层的盆中区是最具代表性的 近水平红层分布区， 几乎全部沉积为近水平的红色砂泥岩， 厚度达 ３０ｍ以上【 近年来， ００ ２ 】 ． 随着西部大开发和四 川省经济建设的发展，以红层为地基、路堤、水库坝址的情况比较常见， 许多建筑物坐落在弱风化层上【 Ｊ但 ３， 针对其力学性质的研究却较少【¨ 如魏安辉【 ８ｌ ．， ３ 其主要针对红层颗粒做填料并多从物理化学特性方面着手， 】 等， 吉随旺【 ４ 等人的研究也仅进行了单轴实验， 而三轴试验更接近岩石的实际受力情况． 本文针对红层弱风化泥质 砂岩进行了包括饱和试样三轴试验在内的系列力学试验， 其成果对盆地区工程建设具有一定实际参考意义．

兰州地区红层泥岩物理力学特性试验余云燕; 罗崇亮; 包得祥; 王鹏【期刊名称】《《兰州交通大学学报》》【年(卷),期】2019(038)005【总页数】6页(P1-6)【关键词】物理力学特性; UU三轴试验; 红层泥岩【作者】余云燕; 罗崇亮; 包得祥; 王鹏【作者单位】兰州交通大学土木工程学院兰州 730070【正文语种】中文【中图分类】TU411红层泥岩是指外观主色调为红色的碎屑和黏土沉积岩，主要形成于白垩系、侏罗系、三叠系及第三系的陆相沉积.我国红层泥岩广泛分布于华东、华北、西南、西北、东北及中南等地区[1].甘肃境内的红层泥岩分布面积约7.956万km2，约占全省总面积的五分之一[2].由于甘肃境内红层泥岩的工程特性很差[3-5]，使红层地区的公路出现路基沉降、翻浆冒泥等病害[6-8].因此高速公路建设中如何使用红层泥岩就成为工程技术人员普遍关注的问题.我国南方地区红层泥岩和红黏土的研究成果颇多.刘俊新[9]对西南地区的红层泥岩进行了大量试验研究，发现其主要矿物成分为：蒙脱石、石英及伊利石.最优含水率为12.81%，最大干密度为1.855 g/m3.赵蕊等[10]对贵阳地区的重塑红黏土进行三轴试验，研究发现，随着含水率的增加，贵阳重塑红黏土的破坏形式由剪切破坏逐渐过渡为鼓状破坏.胡文静等[11]对重庆地区红层泥岩进行侧限压缩试验，结果表明竖向荷载对红层泥岩的侧限膨胀变形具有阻碍作用，而含水率则起主导作用.龙万学等[12]对贵阳非饱和原状红黏土和压实红黏土进行常规三轴试验，研究发现，随着围压增大，原状红黏土应力-应变关系由软化型转化为硬化型，低含水率下压实红黏土呈脆性破坏，高含水率下呈塑性破坏.上官力等[13]对四川攀西地区红层泥岩研究发现随着泥岩天然含水率增大，其黏聚力和内摩擦角均呈幂指数减小.杨庆等[14]对大连的红黏土进行三轴快剪试验，研究表明非饱和红黏土的抗剪强度指标强烈依赖于含水率，内摩擦角、黏聚力分别与含水率呈对数和二次抛物线关系.孔祥辉等[15]对遂渝线试验段的红层泥岩进行动三轴试验，将红层泥岩的累积变形分为稳定型和破坏型，并提出临界动应力水平.毕庆涛等[16]对贵州红黏土进行室内直剪试验，发现含水率与抗剪强度具有非线性相关性，随着含水率的增加黏聚力减小，而内摩擦角在某一区间波动.上述研究成果针对西南、中南、东南地区的红层泥岩及红黏土，而甘肃境内的红层泥岩，仅限于成因、分布状况[2,17]及工程中遇到的地质损害等问题的研究，因甘肃属于干旱、半干旱地区，其境内的红层泥岩形成环境与其它地区不同，从而红层泥岩的物理力学特性和矿物成分也与其它地区不同，因此对其深入研究很有意义.以G6京藏高速兰海段的红层泥岩为研究对象，通过X射线衍射试验、常规土工试验、UU三轴试验来探究兰州地区红层泥岩的矿物成分、物理力学特性和强度变化等规律，为兰州地区红层泥岩拟建和在建公路设计、病害整治、工程维修与安全检测提供可靠的理论依据.1 矿物成分及物理力学指标以《公路土工试验规程》[18]为依据，对兰州地区红层泥岩进行液塑限、击实、渗透等试验，得到该红层泥岩的基本物理指标如表1所列.表1 试样物理指标Tab.1 Physical specifications of soil samples土粒比重最大干密度/(g/cm3)最优含水率/%液限/%塑限/%渗透系数/(cm/s)2.721.76917.430.915.722.134×10-71.1 液塑限试验兰州地区红层泥岩的液塑限试验结果如图1所示.由图1可知，塑限为15.72%，液限为37.9%，属于低液限粘土(CL).图1 圆锥下沉深度与含水率的关系曲线Fig.1 Relationship between depth of conical sink andmoisture content1.2 击实试验对兰州地区红层泥岩进行击实试验，如图2所示.由图2可知，最大干密度为1.769 g/cm3，最优含水率为17.4%.发现兰州地区红层泥岩的最优含水率明显大于西南地区.1.3 X衍射试验兰州地区红层泥岩处在干旱、半干旱环境中经过长期风化形成，物质成分中含有Fe2O3，其颜色偏红.红层泥岩土的X射线物相分析如图3所示，由图3可知，衍射强度最高的是石英石，其次是石灰石和多水高岭石，因此主要矿物成分为：石英石、多水高岭石和石灰石.这与西南地区红层泥岩的主要矿物成分有所不同.图2 红层泥岩的击实曲线Fig.2 Compaction curve of red mudstone图3 X射线物相图Fig.3 X-ray phase analysis2 三轴试验方案本试验在意大利WF三轴仪上进行不固结不排水三轴剪切试验(即UU三轴试验)，试验过程严格遵守《公路土工试验规程》[18].3 UU三轴试验结果及分析压实度K=0.98保持不变，含水率为16%(小于最优含水率17.4%)时，UU三轴试验后试样的破坏形式如图4(a)所示，由图4(a)可知，试样出现剪切破坏面，属于剪切破坏.当试样的含水率大于最优含水率17.4%，UU三轴试验后试样的破坏形式如图4(b)所示，由图4(b)可以看出，试样中部外凸，破坏形式呈“鼓”状.这与贵阳地区红层泥岩的破坏形式有点类似.不同围压和不同含水率下，兰州地区红层泥岩的应力-应变曲线如图5所示.由图5可知，当围压大于50 kPa，所有应力-应变曲线均为硬化型，只有围压为50 kPa，含水率在最优含水率附近，(即含水率为16%、18%)，其曲线为稳定型.应力-应变曲线的发展趋势以1%的轴向应变为分界点，小于1%，呈线性增长趋势，大于1%，呈非线性增长趋势.此试验结果与其它地区红层泥岩的应力-应变曲线形式不同，应变类型也不同.图4 试样的破坏形式Fig.4 Destruction mode of the specimen图5 压实度不变(K=0.98)，不同围压和不同含水率下的应力-应变曲线Fig.5 Stress-strain curve at different confining pressuresand different water contents with constantcompaction (K=0.98)3.1 含水率对主应力差的影响压实度K=0.98，不同含水率与不同围压下的主应力差峰值如表2所列.由表2可知，同一围压下，随着含水率的增加，主应力差峰值逐渐减小、p值逐渐增大.当围压为200 kPa，含水率分别为16%和24%时，主应力差减小了88.08%.将表2中的数据绘制在主应力差(σ1-σ3)与围压σ3的坐标轴上，如图6所示.由图6可知，同一含水率下，主应力差峰值与围压呈线性关系，其相关系数在(0.927～0.998)之间，随着含水率的增大，直线的斜率与截距逐渐减小.当含水率为24%时，试样处于饱和状态，拟合直线几乎处于水平，这与饱和黏土在不固结不排水(UU)三轴试验得到的内摩擦角为零相吻合.3.2 含水率对抗剪强度指标的影响压实度K=0.98保持不变，不同含水率下红层泥岩的抗剪强度指标如表3所列.由表3可知，含水率由16%提高到24%，内摩擦角减小了87.5%，黏聚力减小了59.55%，内摩擦角随含水率减小的幅度比黏聚力大，说明内摩擦角对含水率更敏感.表2 不同含水率与不同围压下的主应力差峰值(K=0.98)Tab.2 Peak of main stress difference under different water content and different confining pressure(K=0.98)含水率/%(σ1-σ3)/kPaσ3=50 kPap/%σ3=100 kPap/%σ3=150 kPa p/%σ3=200 kPa p/%16 409 515 676 755 18 268 34.47 337 34.56 392 42.01 458 39.3420 201 50.86 231 55.15 263 61.09 301 60.1322 121 70.42 138 73.20 146 78.40 151 80.0024 76 81.42 81 84.27 88 86.98 90 88.08备注：1) 同一围压下，其中：Δσω=16%为含水率ω=16%时的主应力差，Δσω=其它为含水率ω分别为18%、20%、22%、24%时的主应力差.2) 表2为轴向应变15%时的主应力差峰值.以含水率为横坐标，纵坐标分别为黏聚力和内摩擦角，将表3中的数据绘制到黏聚力与含水率、内摩擦角与含水率的关系图中，并对数据进行拟合，分别得到黏聚力、内摩擦角与含水率的拟合曲线，如图7～8所示，得到如下关系式：c=-0.346 6ω2+8.059 8ω+38.916.(1)φ=-71.61ln ω+229.77.(2)图6 不同含水率与不同围压下的主应力差峰值 (K=0.98)Fig.6 Peak of mainstress difference under differentwater content and different confining pressure(K=0.98)表3 不同含水率下红层泥岩的抗剪强度指标(K=0.98)Tab.3 Shear strength index of soil samples at differentmoisture contents(K=0.98) 含水率/%内摩擦角/(°)pφ/%黏聚力/kPapc/%163280.50182328.1367.7615.83201456.2565.1119.1222778.1347. 5540.9324487.5032.5659.55备注：1) 同一围压下，其中：φω=16%为含水率ω=16%时的内摩擦角，φω=其它为含水率ω分别为18%、20%、22%、24%时的内摩擦角.2) 同一围压下，其中：cω=16%为含水率ω=16%时的黏聚力，cω=其它为含水率ω分别为18%、20%、22%、24%时的黏聚力.由式(1)～(2)可知，兰州地区红层泥岩的黏聚力、内摩擦角分别与含水率成二次函数和对数函数关系，相关系数都很高，分别为0.98和0.99.将式(1)～(2)代入到Mohr-Couloumb抗剪强度公式τ=c+σ·tan φ中，可得抗剪强度与含水率之间的关系为：τ=-0.346 6ω2+8.059 8ω+38.916+σ·tan(-71.61 ln ω+229.77).(3)如式(1)～(3)所示，兰州地区红层泥岩的黏聚力、内摩擦角以及抗剪强度与含水率的函数关系与其它地区不同，这是由于其特殊的地理环境和气候条件，使得兰州地区红层泥岩的矿物成分、物理力学特性与其它地区不同.图7 黏聚力与含水率的拟合曲线(K=0.98)Fig.7 Fitting curve of cohesion and water content(K=0.98)图8 内摩擦角与含水率的拟合曲线(K=0.98)Fig.8 Fitting curve of internal friction angle and watercontent(K=0.98)3.3 红层泥岩的抗剪强度指标随含水率变化的机理分析黏聚力取决于红层泥岩土颗粒间的各种物理化学作用力，包括原始黏聚力和固化黏聚力.原始黏聚力来源于土颗粒间的库仑力(静电力)和范德华力，随着含水率的增大，土颗粒间的距离增大，原始黏聚力逐渐减小直至完全丧失；固化黏聚力取决于土颗粒之间胶结物质的胶结作用力，随着含水率的增大，胶结物质的相对含量逐渐减小，胶结作用减弱.原始黏聚力和固化黏聚力的减小使得红层泥岩的黏聚力随着含水量的增大而减小.重塑红层泥岩在制样过程中经历了烘干(晒干)→碾压→过2 mm筛子→加水搅拌，属于细粒土，其颗粒细微，颗粒表面存在吸附水膜，颗粒间直接接触或者通过结合水膜间接接触，所以其内摩擦力比粗粒土复杂得多，除了滑动摩擦和咬合摩擦外，还有土颗粒间的库仑力和范德华力.当含水率增加，吸附在土颗粒周围的水膜加厚，润滑作用逐渐增强，从而导致红层泥岩的内摩擦力降低，内摩擦角减小.4 结论以G6京藏高速兰海段的红层泥岩为研究对象，对该红层泥岩进行常规土工试验、X射线衍射试验，并在WF非饱和土三轴仪上进行UU三轴试验，得到如下结论：1) 兰州地区红层泥岩的最优含水率明显大于西南地区，属于低液限黏土(CL)，西南地区红层泥岩属于高液限粘土(CH)，两者有本质区别.兰州地区红层泥岩的主要矿物成分以石英石、多水高岭石及石灰石为主，与西南红层泥岩主要矿物成分有所不同.2) 围压和含水率对兰州地区红层泥岩的影响很大.围压大于50 kPa时，应力-应变曲线均为硬化型，只有围压为50 kPa且含水率在最优含水率附近时，曲线为稳定型.应力-应变曲线的发展趋势以1%的轴向应变为分界点，小于1%，呈线性增长趋势，大于1%，呈非线性增长趋势.3) 兰州地区红层泥岩的粘聚力、内摩擦角与含水率分别成二次函数和对数函数关系，即：c=Aω2+Bω+C,(4)φ=D ln ω+E,(5)将式(4)～(5)代入Mohr-Couloumb抗剪强度公式得到改进后的Mohr-Couloumb抗剪强度公式：τ=Aω2+Bω+C+σ·tan(D ln ω+E).(6)式中：A,B,C,D,E为试验参数.4) 随着含水率的增加，黏聚力和内摩擦角逐渐减小，内摩擦角减小的幅度更大，说明内摩擦角对含水率更敏感，究其原因是黏聚力与内摩擦角随含水率变化的机理不同而导致.【相关文献】[1] 郭永春,谢强,文江泉.我国红层分布特征及主要工程地质问题[J].水文地质工程地质,2007,34(6):67-71.[2] 王骑虎.甘肃红层工程地质特性与边坡稳定性研究[D].北京:北京工业大学,2016.[3] 简文星,殷坤龙,马昌前,等.万州侏罗纪红层软弱夹层特征[J].岩土力学,2005,26(6):901-905.[4] 程强,周德培,封志军.典型红层软岩软弱夹层剪切蠕变性质研究[J].岩石力学与工程学报,2009,28(增刊1):3176-3180.[5] 吴国雄,张斌,杨应信,等.西部红层软岩地质特性及其对路基结构稳定性的影响[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2004,23(6):53-58.[6] 张可能,周斌,彭环云,等.湘西高速公路红砂岩工程特性及边坡稳定分析[J].南华大学学报(自然科学版),2009,23(3):5-9.[7] 程强,寇小兵,黄绍槟,等.中国红层的分布及地质环境特征[J].工程地质学报,2004,12(1):34-40.[8] 柳群义.红层路堑边坡稳定性与防治研究[D].长沙:中南大学,2010.[9] 刘俊新.非饱和渗流条件下红层路堤稳定性研究[D].成都:西南交通大学,2007.[10] 赵蕊,左双英,王嵩,等.不同含水量贵阳重塑红黏土三轴抗剪强度试验研究[J].水文地质工程地质,2015,42(5):90-95.[11] 胡文静,丁瑜,夏振尧,等.重庆地区红层泥岩侧限膨胀性能试验研究[J].防灾减灾工程学报,2015,35(5):607-611.[12] 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