高速铁路线路工程中，填料强度和刚度是影响路基承载力和线路平顺性的关键因素。红层是西南地区广泛分布的地质特征，既有铁路线路如达成线、遂渝线和在建的川藏线部分区段均穿越了红层地质。蒋关鲁等[1]提出将红层泥岩作为路基填料以解决西南地区优质A、B组填料运输困难且成本高的限制。现场试验结果表明[2-3]，红层泥岩在最优含水率下压实后的力学性能满足路基基床下部填料各项要求，可以作为基床下部填料。红层泥岩具有较高的环境敏感性，强度和模量均随含水率变化而变化。西南地区旱雨季分明，红层泥岩路基的强度和刚度均会受到路基含水率状态的影响。目前关于红层泥岩填料的研究多集中在最优含水率[4]和饱和状态[4-5]。研究含水率对红层泥岩填料强度和刚度的影响，对不同环境下红层泥岩路基变形和稳定性分析非常必要。对高速铁路而言，现场试验测定路基承载力结果直观可靠，但时间和经济成本较高，且与铁路运营要求相冲突。开展室内试验建立填料强度-模量相关关系，根据现场原位波速测试结果反算路基承载力成为一种可行的间接计算方式[6-8]。土体模量具有应变水平相关性[9]。大量研究资料显示，现场原位波速测定引起的土体应变通常位于0.001%左右，属于小应变范围[10]。室内常用的试验仪器如GDS三轴仪精度有限，只能测定应变水平大于0.01%时土体的力学特性。弯曲元由于操作简单，能快速测定土体小应变刚度，且易安装于三轴仪上实现指定应力路径加载等特点得到广泛应用。国内外学者如LE等[11-16]采用弯曲元和三轴仪结合的方式测量土体刚度，结果表明该方法能够较准确地测定不同应力状态下土体小应变刚度特性。既有关于路基填料强度和小应变刚度的测试技术手段较为成熟，也取得了丰富的研究成果。实际工程中，直接测定路基承载力或强度费时费力，且与运营要求相冲突。而建立填料强度-小应变刚度相关关系可为路基服役性能初步评估提供参考依据。目前，关于红层泥岩填料强度-小应变刚度相关关系的研究尚不多见，不利于评价红层泥岩路基服役状态。鉴于此，通过开展不同含水率和不同围压下红层泥岩填料的三轴不排水剪切试验，讨论不同含水率下填料的强度发展规律，结合弯曲元测试系统研究了含水率和应力水平对红层泥岩填料刚度的影响，建立红层泥岩填料强度和刚度的相关关系，并与其他典型岩土材料进行对比分析，研究成果可为红层泥岩路基承载力及变形分析提供参考。
1 试验设备、材料与方案
1.1 试验设备
试验在GDS三轴测试系统上进行，围压量程为0～2 000 kPa，精度为1 kPa，轴向力传感器量程0～10 kN，精度为0.001 kN。为测定试样的小应变刚度，在三轴仪的顶帽和底座上安装了一对弯曲元元件，一端作为信号波的激发端，另一端作为接受端。信号激发后，经土体传播到达接收端，通过测定相应波速和试样密度计算小应变刚度[17]：
式中：
图1为弯曲元设备安装图。由于弯曲元的激发和接收芯片需嵌入试样进行测试。实际试验中，为确保弯曲元芯片能够完全嵌入土体，在土体上下端面所开槽孔宽度略大于芯片直径(约12 mm)。若直接将芯片嵌入槽孔，在安装至三轴仪上时容易引起芯片和试样间的相对移动。为此，在芯片填入前，预先在槽孔内填入适量红层泥岩散体以保证芯片能够与试样紧密接触。设置5 kPa预接触力，使芯片与试样紧密接触。随后加载至指定围压并测量相应波速。
1.2 试验材料
试验所用红层泥岩取自成都天府新区，取样深度为0～5 m。工程上红层泥岩作路基填料时常采取预崩解和预碾压措施以防止红层泥岩遇水产生较大的崩解变形，文献[4]也指出小粒径红层泥岩用作路基填料具有更好的水稳性。在红层泥岩取回后，将岩块破碎烘干并过1 mm筛，所得颗粒即为试验材料。物理力学试验结果表明，填料矿物成分，击实特性和强度均与达成线现场所用填料强度相近。因此，本文所得结果对于西南地区红层泥岩填料使用具有一定参考价值。
图2为试验红层泥岩的XRD图，根据XRD试验结果可知，所用红层泥岩主要矿物成分为石英，占比80%以上，并含有少量膨胀矿物(蒙脱石)，占比为2%～3%左右，其他为非膨胀矿物。
填料粒径曲线如图3所示，不难看出，试验所用红层泥岩填料以粉粒为主(0.002～0.075 mm)，占比约为92%，黏粒(<0.002 mm)含量占比约为3.60%。填料的液限含水率为32.5%，塑性含水率为18.2%，自由膨胀率为34%，其他基本物理指标见表1。
液限/ % | 塑限/ % | 塑性指 数/% | 比重 | 自由膨 胀率/% | 颗粒粒径组分 | 石英含量/% | 蒙脱石 含量/% | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 砂粒0.075～2 mm | 粉粒0.002～0.075 mm | 黏粒<0.002 mm | |||||||
| 32.5 | 18.2 | 14.3 | 2.69 | 34 | 4.30% | 92.10% | 3.60% | 81 | 2～3 |
1.3 试验方案
首先，开展重型击实试验，确定了填料最大干密度为2.01 g/cm3，最优含水率为8.7%。随后，按照干密度为1.91 g/cm3(压实度K=95%)，含水率为6%、7.5%、8.7%、10.5%、12%、13.5%制样。含水率范围选择为6%～13.5%对应饱和度约为40%～90%，这与红层泥岩路基运营过程中的实际饱和度变化范围大致对应，按照1.5%含水率间隔取值可使饱和度间隔约为10%，方便制样和试验结果分析。制样方法为静压法，分5层压实。试样为标准圆柱样，直径为38 mm，高度为76 mm。制样完成后，将试样装袋密封静置3 d使水分分布均匀。除非饱和试样外，还开展了饱和红层泥岩填料的力学试验，饱和方法是先将试样(初始含水率为8.7%)放入饱和器中进行真空抽气饱和，持续7 d，随后进行反压饱和，B检测结果表明饱和试样的B值均大于0.95。
根据达成线红层泥岩路基的实际工况，基床0～3 m深度的侧向约束一般不超过200 kPa。因此，对每组含水率试样均设置4个围压，分别为25，50，100和200 kPa。围压加载速率为0.5 kPa/min，固结完成标准为试样变形不超过0.01 %/h或孔压消散程度超过95%。固结完成后利用弯曲元设备测定S波波速和P波波速，计算小应变刚度。最后关闭排水阀，开展不排水剪切，剪切速率为2.5 %/h。
2 试验结果与讨论
2.1 强度特性
图4给出了不同含水率下红层泥岩填料的典型应力-应变曲线。从图4可以看出，随围压增加，红层泥岩填料强度显著增加，且应力应变曲线由应变软化逐渐向应变硬化转变。当含水率增加，同一围压下填料强度显著降低，体现了红层泥岩填料显著的强度遇水软化特征。尤其是当含水率由8.7%(最优含水率)增长至15.5%(饱和状态)时，填料强度衰减超过了70%。这说明水分对填料强度的影响非常明显，降雨将使得红层泥岩路基承载力大幅降低，应确保红层泥岩路基具有良好的排水设施。
图5是不同含水率下红层泥岩峰值强度线及强度指标的汇总结果。从图5可以看出，不同含水率下填料强度随围压增长而呈线性增加，可用Mohr-Coulomb强度准则描述。随含水率增加至饱和状态后，填料黏聚力大幅衰减，从230 kPa降低至12 kPa，而内摩擦角降幅则非常有限。结合图2的矿物成分分析可知，由于红层泥岩填料含有部分黏土矿物，当填料在干侧压实后，内部黏粒将形成团聚体抵抗外部荷载，提供较大的黏聚力[18-19]。随水分增加至饱和，团聚体内部膨胀矿物遇水膨胀，黏土层不断松散甚至剥裂，从而导致填料黏聚力显著降低。红层泥岩中石英矿物占比超过80%，团粒摩擦主要由石英矿物提供。而石英矿物受水分影响相对较小，因此内摩擦角随含水率增加略有降低。
2.2 小应变刚度特性
图6是典型的弯曲元S波测试结果。图6中采用广泛应用的时域初达法[15-17]确定传播时间(即波形首次由平变陡，产生偏移的时间)，并计算传播速度。需要说明，在图6中，由于原始数据的微小波动，对原始数据采用了Savitzky-Golay方法进行了滤波平滑处理[20]。
图7是不同含水率下填料Emax随围压的变化规律。从图7可以看出，对于相同围压，含水率越高，填料小应变刚度就越小，这说明水分增加不仅导致填料强度发生软化，同时还会引起填料抗变形能力显著衰减。不同含水率下红层泥岩填料小应变刚度随围压增加而呈指数增加的趋势，但增幅有所不同。当含水率低于最优含水率时(干侧)，填料Emax随围压增加而明显增加。以6%含水率为例，当围压从25 kPa增长至200 kPa时，填料Emax从约400 MPa增长至约700 MPa；当含水率超过最优含水率时(湿侧)，围压对刚度影响小于干侧。尤其是饱和状态下当围压从25 kPa增长至200 kPa时，填料Emax仅增加不到40 MPa。对于红层泥岩填料而言，降低含水率既能够提升相应路基承载力，又能够较好地控制路基变形。考虑到西南地区多雨的气候特征，相较于最优含水率，填筑红层泥岩路基时应控制填料在干侧压实，以避免降雨导致基床刚度降低过大。
参照文献[21]，定义土体在某一应变处的割线模量
文献[6]认为采用Esec-0.01%作为刚度指标能够较好地建立水泥改良海洋软土强度-刚度反算关系。结合图8和图9可知，对于红层泥岩填料而言，Esec-0.01%仅有Emax的55%～70%左右。受仪器精度限制，常规三轴仪能够测定的应变精度大于0.01%，而现场波速测定路基刚度对应的应变水平一般在10-6左右，与弯曲元试验结果相近。从图8和图9来看，当应变水平从10-6增加至10-4，所测定的路基刚度下降约40%。因此，应变水平的不匹配下所建立的强度-刚度关系将高估路基强度。所采用的应变水平越大，高估的程度就越大，使设计偏于危险。这一结论与文献[7]是一致的，因此在建立强度-刚度相关性时，应采用弯曲元测定的Emax作为土体刚度指标。
2.3 强度-刚度相关性
图10是不同含水率红层泥岩填料Emax与qmax关系图。从图10可以看出，随含水率增加，填料强度和刚度从非饱和区逐渐向饱和区转化，刚度强度比值在200～600之间。具体地，在非饱和区，填料强度刚度比值大多在400～600之间，饱和区填料比值则在200～400之间。说明水分对红层泥岩填料刚度的软化程度高于剪切强度。在双对数坐标上，不同含水率填料强度和刚度呈现直线形式，相关关系可表示为：
式中：A、B为拟合参数，对于红层泥岩填料分别取A=1.19，B=2.08。式(4)形式简单，可用于测定现场波速后估算路基承载力，也可以进行室内剪切试验后根据强度估算路基刚度。
为进一步比较红层泥岩填料与其他岩土材料的强度和刚度特性，将8种典型土体[22-29]Emax随qmax变化规律绘制于图11。结合图10与图11可以看出，红层泥岩填料受含水率影响非常显著。在低含水率状态下，填料Emax/qmax值与硬黏土如London黏土和Bari黏土接近，展现出较高的强度和抗变形能力。在高含水率尤其是饱和状态下，填料Emax/qmax值则接近于软黏土如Gault黏土和Bnagkok软土。这一结果更具体地表明了红层泥岩填料遇水软化典型特征。需要注意即使在含水率较低情况下，填料Emax/qmax值仍小于碎石填料(图11中Hime碎石和Chiba碎石)，即在相同强度情况下，红层泥岩填料的抗变形能力仍低于碎石填料。因此在设计红层泥岩路基时，不仅应考虑强度指标，还应注意填料刚度与传统A/B组填料的差异性。
从图11还可以看出，在双对数坐标下，多数岩土材料Emax与qmax相关关系也可用直线形式表示。对于红层泥岩填料而言，相关线位于软土和碎石之间。说明式(4)提供的函数形式可供参考，但参数取值并不具有普适性。因此对于特定岩土工程，应根据岩土材料自身特性进行试验分析并测定相应参数。
3 结论
1) 在25～200 kPa范围内，随围压增加，红层填料强度线性增长，小应变刚度随围压增加呈指数增长。填料黏聚力随含水率增加而迅速衰减，而含水率对内摩擦角的影响有限。含水率还对填料小应变刚度有显著影响，当含水率在干侧时，填料Emax随围压增加而明显增加；当含水率在湿侧时，围压对刚度影响小于干侧。
2) 红层泥岩填料割线模量随应变增加呈非线性衰减的趋势，填料Esec-0.01%仅有Emax的55%～70%左右。进一步地，当应变增长至1%时，割线模量Esec-1%迅速衰减至Emax的20%左右。如以常规三轴测试结果为参照标准，将首先低估填料刚度，并高估刚度随应变的衰减程度，使设计偏于危险。建立强度-刚度相关性时，应采用弯曲元测定的Emax作为土体刚度指标。
3)双对数坐标下，不同含水率红层泥岩填料强度和刚度呈直线形式。低含水率状态下填料Emax/qmax值与典型硬黏土接近，但仍小于传统碎石填料值；饱和状态下填料Emax/qmax值与典型软土接近。多种岩土材料的强度-刚度相关关系也可用双对数直线函数表示，但参数取值不具有普适性。建立相关关系时，应根据材料自身特性开展试验并测定相应参数。
蔺鹏杰,赵丽娜,范文晓.含水率对红层泥岩填料剪切强度与小应变刚度影响研究[J].铁道科学与工程学报,2024,21(12):5071-5079.
LIN Pengjie,ZHAO Lina,FAN Wenxiao.Effect of water content on shear strength and small strain stiffness of red mudstone as subgrade fill material[J].Journal of Railway Science and Engineering,2024,21(12):5071-5079.