礫石量對(duì)礫質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度參數(shù)影響規(guī)律的試驗(yàn)研究

李 黎，顏 琳，黃 晶

(1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川成都610065;2.國(guó)電云南阿墨江發(fā)電有限公司，云南普洱665000;3.貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州貴陽(yáng)550000)

黏土和礫石混合制備的礫質(zhì)黏土廣泛應(yīng)用于工程中，如心墻堆石壩的心墻防滲料、路基填料等[1]。而自然界中礫質(zhì)黏土也分布廣泛，各類工程建設(shè)中邊坡、地基、隧道圍巖穩(wěn)定性與工程區(qū)分布的礫質(zhì)黏土力學(xué)性質(zhì)關(guān)聯(lián)密切[2]。因此礫質(zhì)黏土強(qiáng)度特性的研究成為國(guó)內(nèi)外眾多研究者關(guān)注的熱門課題。

油新華[3]對(duì)三峽庫(kù)區(qū)廣泛分布的礫質(zhì)土抗剪強(qiáng)度特征進(jìn)行了研究;趙川[4]對(duì)三峽庫(kù)區(qū)奉節(jié)、萬(wàn)州地區(qū)土樣與礫石的混合體進(jìn)行直剪試驗(yàn)，探討不同礫石含量對(duì)土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響規(guī)律;Lindquist[5]對(duì)含有碎石的混雜巖土體抗剪強(qiáng)度與碎石含量關(guān)系進(jìn)行了三軸試驗(yàn)研究;王光進(jìn)[6]通過(guò)直剪試驗(yàn)研究了粗粒含量與強(qiáng)度包線、內(nèi)摩擦角的關(guān)系。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)五種礫石量的礫質(zhì)黏土進(jìn)行了不同圍壓下的三軸試驗(yàn)，探討礫石量對(duì)礫質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)土料為板巖礫石和黏土混合料。黏土土粒比重為2.72，最大粒徑5 mm，礫粒占8%、砂粒占47.6%、粉粒占21%、粘粒占23.4%;液限26.2%、塑限14.2%，塑性指數(shù)12.0，分類定名為低液限黏土CL。板巖礫顆粒比重2.75，最大粒徑20 mm，礫粒占97%，砂粒占3%。

對(duì)礫石量為0%、30%、40%、50%和70%的礫質(zhì)黏土，分別進(jìn)行不同圍壓下的三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，其中σ3分別為50 kPa、100 kPa、200 kPa和 300 kPa。圓柱形試樣直徑101 mm、高200 mm，為保證試樣均勻性分5層擊實(shí)成樣。試樣采用真空與水頭聯(lián)合法飽和，固結(jié)24 h后進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)水溫25℃ ～27℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)獲得了五組不同礫石量礫質(zhì)黏土試樣在不同圍壓下的三軸壓縮結(jié)果，繪制了偏差應(yīng)力(σ1－σ3)與軸向應(yīng)變?chǔ)?的關(guān)系曲線。這里給出了50%礫石量試樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，如圖1所示。礫質(zhì)黏土呈現(xiàn)出硬化型應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，符合雙曲線關(guān)系。

圖1 礫石量50%應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系

圖2 礫石量50%強(qiáng)度包線圖

國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果表:Mohr-Coulomb準(zhǔn)則能較準(zhǔn)確描述土的力學(xué)性質(zhì)，而且摩爾－庫(kù)倫準(zhǔn)則表達(dá)形式簡(jiǎn)單，因而在學(xué)術(shù)界和工程界獲得廣泛認(rèn)可。按照該準(zhǔn)則，圖2給出了礫石量50%試樣的強(qiáng)度包絡(luò)線圖。包絡(luò)線為與各莫爾圓近似相切的直線，斜率為該組礫石量下礫質(zhì)黏土內(nèi)摩擦角的正切值tan ，直線與τ軸相交的截距為黏聚力c。按此規(guī)則，可求得各組礫質(zhì)黏土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c、內(nèi)摩擦角 。不同礫石量試樣的c、 值見表1。

表1 礫質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度參數(shù)

3 礫石量對(duì)強(qiáng)度參數(shù)的影響規(guī)律

試驗(yàn)結(jié)果表明，礫石含量對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力、內(nèi)摩擦角有很大影響，并有一定規(guī)律可循。圖3、圖4顯示了黏聚力、內(nèi)摩擦角隨礫石含量變化的關(guān)系曲線。

圖3 礫石量～黏聚力關(guān)系

圖4 礫石量～內(nèi)摩擦角關(guān)系

由圖3可知，隨礫石量增加，黏聚力呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。按土力學(xué)基本理論，密實(shí)度越大，黏聚力越大，黏性土量越小，黏聚力越小。對(duì)于本次試驗(yàn)礫質(zhì)黏土，壓實(shí)度隨著礫石量的增加而增加，黏性土量隨著礫石量增加而減少。礫石量小于40%時(shí)，黏性土含量較多，密度增加帶來(lái)的黏聚力增加效應(yīng)高于黏性土減少導(dǎo)致的黏聚力減小效應(yīng)，因而黏聚力隨礫石量增加有略微增加的趨勢(shì)。礫石量大于40%后，黏聚力急劇減小，礫石逐漸占主體，黏性土減少引起的黏聚力降低遠(yuǎn)大于密度增加帶來(lái)的黏聚力上升。礫石量大于50%之后，黏聚力下降趨勢(shì)減緩。

由圖4可知，隨礫石量增加，內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。內(nèi)摩擦角受試樣中礫石量的控制，礫石越多，顆粒之間咬合作用越強(qiáng)，因而內(nèi)摩擦角增大。礫石量小于30%時(shí)，較多的黏性土在礫石間的潤(rùn)滑效應(yīng)很明顯，內(nèi)摩擦角增長(zhǎng)緩慢。礫石量在30%～50%之間時(shí)，礫石間黏性土減少，礫石突破黏性土“封鎖”而相互直接接觸、咬合，內(nèi)摩擦角迅速增長(zhǎng)。礫石量大于50%后，逐漸開始形成礫石骨架，礫石占據(jù)主體地位，礫石量增加引起的內(nèi)摩擦角增長(zhǎng)效應(yīng)減小。

4 結(jié)論

(1)礫質(zhì)黏土黏聚力隨礫石含量增加呈現(xiàn)先升高后降低的規(guī)律。礫石量小于40%時(shí)，黏聚力隨礫石量增加有略微增加的趨勢(shì);礫石量大于40%后，黏聚力隨礫石量增加而急劇下降;礫石量大于50%之后，黏聚力下降趨勢(shì)減緩。

(2)礫質(zhì)黏土內(nèi)摩擦角隨礫石量增加呈現(xiàn)逐漸升高的規(guī)律。礫石量小于30%時(shí)，內(nèi)摩擦角增長(zhǎng)緩慢;礫石量在30%～50%之間時(shí)，內(nèi)摩擦角迅速增長(zhǎng);礫石量大于50%后，內(nèi)摩擦角增長(zhǎng)減緩。

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[2]徐文杰，胡瑞林，岳中琦，等.基于數(shù)字圖像分析及大型直剪試驗(yàn)的土石混合體塊石含量與抗剪強(qiáng)度關(guān)系研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(5):996－1005

[3]油新華，湯勁松.土石混合體野外水平推剪試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(10):1537－1540

[4]趙川.三峽庫(kù)區(qū)土石比對(duì)土體強(qiáng)度參數(shù)影響規(guī)律的試驗(yàn)研究[J]. 公路，2006(11):32－35

[5]ESLINDQUIST.The strength and deformation properties of melange[Ph.D.Thesis][D].Berkeley，CA:University of California at Berkeley，1994

[6]王光進(jìn)，楊春和，張超，等.粗粒含量對(duì)散體巖土顆粒破碎及強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué)，2009，30(12):3649－3654