壓實度對筑堤用土石混合料力學特性影響研究

廖穎娟

土石混合體是一種以土體和塊石為主的第四紀松散堆積體，是介于土體與破碎巖體之間的特殊地質(zhì)體。含石率較低的土石混合體不僅有較高的強度，而且滲透性也滿足設計要求，因此低含石率土石混合體在堤壩中應用非常廣泛。由于施工質(zhì)量差異，現(xiàn)場土石混合體壓實度存在較大差異，需對不同壓實度的土石混合體力學性能開展專項研究。

一、研究現(xiàn)狀

土石混合體結(jié)構(gòu)特征極為復雜，其物理力學特性與塊石含量、顆粒形狀、空間分布及排列方式等有關(guān)。徐文杰等通過對天然含水條件與浸水條件的土石混合體進行大型原位水平推剪試驗，研究了不同狀態(tài)下土石混合體的應力—應變關(guān)系，并通過三維數(shù)值分析對土石混合體的破壞機理進行了探討。舒志樂等基于100余組粒度分析試驗，引入多重分形理論研究了土石混合體抗剪強度、分維值與含石率三者之間的關(guān)系，結(jié)果表明土石混合體通常具有二重分維值，而級配最優(yōu)的土石混合體只具有一重分維值，抗剪強度、分維值與含石率三者呈拋物線性關(guān)系。金磊等提出了一種可隨機生成不規(guī)則塊石三維離散元建模技術(shù)，基于該技術(shù)對不同含石量土石混合體進行了三維離散元模擬，結(jié)果表明含石率增大，塊石周邊微裂紋所占比例增大，剪切帶分布趨于無規(guī)律，土石混合體強度增大。廖秋林等對土石混合體重塑樣的制備方法與流程進行了研究，初步制定了制備土石混合體重塑樣的基本流程，并對土石混合體無側(cè)限應力—應變?nèi)^程線進行了研究，認為塊石所形成的骨架結(jié)構(gòu)對土石混合體的力學特性具有重要影響。劉新榮等研究了土石混合體填筑路堤非線性沉降特性，基于此建立了考慮材料非線性的蠕變模型，并通過建立的蠕變模型擬合試驗結(jié)果進行參數(shù)反演，效果良好。徐文杰等以梨園電站壩前土石混合體邊坡為研究對象分析了不同水位條件下及庫水位驟降時考慮流—固耦合的邊坡穩(wěn)定性。綜上所述，大量專家學者對土石混合體物理力學特性及細觀機理開展了大量研究，然而對壓實度對土石混合體力學特性影響研究尚不夠充分。本文通過對壓實度為 0.84、0.87、0.90、0.93 和 0.96 的土石混合體進行三軸壓縮和滲透試驗，分析壓實度對土石混合體抗剪強度、變形模量與滲透性的影響。

二、試驗土料與試驗程序

試驗土料取自于某河堤料場，含石率為19.8%，土料最大粒徑為20mm，通過室內(nèi)擊實試驗確定土石混合體最大干密度為1.95g/cm3，最優(yōu)含水率為12.6%，計算壓實度為0.84、0.87、0.90、0.93和 0.96 的土石混合體干密度為 1.64、1.70、1.76、1.81 和 1.87。

三軸壓縮試驗在應變控制式三軸壓縮儀上開展，試樣采用擊實法制備，試樣尺寸直徑×高=101mm×200mm，試驗圍壓為 100kPa、200kPa、300kPa 和 400kPa，試樣采用真空抽氣飽和與水頭飽和聯(lián)合的方式進行飽和，當試樣上排水均勻流出清水時認為試樣飽和完成，試樣飽和后進行固結(jié)，固結(jié)完成標準為上、下排水管讀數(shù)基本保持穩(wěn)定，試樣飽和后進行剪切，試樣剪切速率為1mm/min，試樣應變值達到15%時，試驗結(jié)束。

滲透試驗在常水頭滲透試驗儀上開展，試樣采用擊實法制備，試樣尺寸直徑×高=100mm×50mm，試樣裝填前先用黏土在儀器周邊均勻涂抹一遍，防止水從土石混合體與儀器之間滲出。試樣裝填完成后，用蒸餾水將試樣淹沒浸泡5天后開展?jié)B透試驗，試驗測記5次，取其平均值為試驗結(jié)果。

三、試驗結(jié)果與分析

1.抗剪強度

根據(jù)土工試驗規(guī)程SL237-1999，取土石混合體應變值12%為其抗剪強度值，土石混合體抗剪強度與壓實度關(guān)系曲線如圖1所示，可以看出隨壓實度增大土石混合體抗剪強度逐漸增大，這是由于壓實度越大，土石混合體結(jié)構(gòu)越緊密，孔隙越小，土顆粒間相對滑動越不容易；土石混合體抗剪強度與壓實度呈明顯對數(shù)關(guān)系，可以擬合為：

圖1 土石混合體抗剪強度與壓實度關(guān)系曲線圖

圖2 土石混合體變形模量與壓實度關(guān)系曲線圖

圖3 土石混合體滲透系數(shù)與壓實度關(guān)系曲線圖

式中：qf為土石混合體抗剪強度；A、B為試驗參數(shù)，此次試驗A=3112kPa、B=880kPa，m為土石混合體壓實度，擬合曲線相關(guān)系數(shù)大于0.96，擬合效果良好。

2.變形模量

由圖2可知，隨壓實度增大，土石混合體變形模量逐漸增大，這是由于土石混合體越密實，土體抵抗變形能力越強，在外荷作用下土石混合體越不容易發(fā)生變形；此外土石混合體越密實，土體與塊石間接觸越緊密，剪切過程中，土體與塊石間微裂紋越不容易形成。土石混合體變形模量與壓實度亦呈明顯對數(shù)關(guān)系，可以擬合為：

式中：E為土石混合體變形模量；C、D為試驗參數(shù)，此次試驗C=213.2MPa、D=55.9MPa，m為土石混合體壓實度，擬合曲線相關(guān)系數(shù)大于0.96，擬合效果良好。

3.滲透系數(shù)

由圖3可知隨土石混合體壓實度增大，土石混合體滲透系數(shù)逐漸降低，這是由于土體越密實，土顆粒間空隙越小，土體滲流通道越小，滲流路徑越長，此外土顆粒間距越小，土體分子間作用力越強，土體滲流阻力越明顯。

土石混合體滲透系數(shù)與壓實度呈冪函數(shù)關(guān)系，可以擬合為：

式中：k為土石混合體滲透系數(shù)；P、Q為試驗參數(shù)，此次試驗P=3E-6、Q=-30.6MPa，m為土石混合體壓實度，擬合曲線相關(guān)系數(shù)為0.95。

四、結(jié)論

通過對壓實度為 0.84、0.87、0.90、0.93和0.96的筑堤用土石混合體進行三軸壓縮試驗與滲透試驗，研究了土石混合體抗剪強度、變形模量、滲透性與壓實度的關(guān)系。結(jié)果表明，隨壓實度增大，土石混合體抗剪強度與變形模量增大，而滲透系數(shù)逐漸減小。土石混合體抗剪強度、變形模量與壓實度關(guān)系式可通過對數(shù)函數(shù)進行擬合，滲透系數(shù)與壓實度關(guān)系式可通過冪函數(shù)進行擬合，擬合相關(guān)系數(shù)均大于等于0.95，擬合效果良好，可供土石混合體筑堤設計與驗收參考■