土石混合填料大型三軸剪切試驗(yàn)研究

景宏君，張延青，顧行文，凌 華

（1.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安710054；2.南京水利科學(xué)研究院巖土工程研究所，江蘇南京210024）

0 引 言

在山區(qū)修筑道路，由于缺乏優(yōu)良的路基填料，常選用隧道爆破或路塹開挖產(chǎn)生的棄渣。若單純使用棄渣作為填料，則路基難以壓實(shí)且穩(wěn)定性差，因此往往利用棄渣與細(xì)粒土混合形成的土石混合體作為路基填料。土石混合體通常是指由具有一定工程尺度、強(qiáng)度較高的塊石、細(xì)粒土及孔隙構(gòu)成且具有一定含石量的極端不均勻松散巖土介質(zhì)系統(tǒng)［1］。國內(nèi)眾多學(xué)者對土石混合體工程力學(xué)特性進(jìn)行研究，并取得了一定成果。曹文貴等考慮含水量、含石量、巖性及土性等因素的影響，進(jìn)行了一系列土石混填體大型三軸試驗(yàn)，研究土石混填體的變形力學(xué)特性［2］。丁自偉等利用改進(jìn)的原位直剪試驗(yàn)裝置，開展礦區(qū)典型巖土體力學(xué)特性研究［3］。寧金成等采用大型三軸試驗(yàn)研究了土石混合體的強(qiáng)度特性［4］。劉麗萍等為研究擊實(shí)功、擊實(shí)方法及等效處理法對土石混合料擊實(shí)結(jié)果的影響，開展了一系列擊實(shí)試驗(yàn)［5］。趙川等采用直剪試驗(yàn)對碎石土的抗剪強(qiáng)度與含石量、含水量等的關(guān)系進(jìn)行了研究［6-8］。孫文君等采用大三軸試驗(yàn)研究了黃土與碎石混合體的力學(xué)性質(zhì)［9］。王江營等開展一系列大型三軸剪切試驗(yàn)，研究了不同應(yīng)力路徑下土石混填體的變形力學(xué)特性［10］。金磊等為揭示塊石含量和塊石形狀對膠結(jié)土石混合體力學(xué)特性的影響，開展了一系列室內(nèi)大三軸試驗(yàn)研究［11］。閆云明等為研究粗粒含量對土石混合料抗剪強(qiáng)度的影響，對不同粗粒含量的土石混合料試樣進(jìn)行飽和固結(jié)排水三軸壓縮試驗(yàn)［12］。舒志樂等采用大型三軸試驗(yàn)，研究了不同粒度分維不同圍壓下土石混合體的應(yīng)力-應(yīng)變特性、強(qiáng)度參數(shù)特征及峰值強(qiáng)度特征［13］。楊忠平等、詹永祥等基于大型直剪試驗(yàn)和離散元程序，研究了含石量變化對土石混合體抗剪強(qiáng)度的影響［14-15］。夏加國等進(jìn)行大型三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，研究了土石混合體在含超徑顆粒情況下的力學(xué)響應(yīng)［16］。王強(qiáng)等開展室內(nèi)大型擊實(shí)試驗(yàn)與數(shù)值模擬，研究不同塊石質(zhì)量分?jǐn)?shù)及不同塊石形狀的軟巖土石混合體的擊實(shí)特性及其細(xì)觀機(jī)理［17］。國外學(xué)者也對土石混合料的變形和強(qiáng)度特性做了較多研究，Zhang等開展三軸試驗(yàn)，研究了具有相同含石量但不同粒度分布的3種土石混合體的力學(xué)行為［18］。Shan等基于數(shù)字圖像，提出了一種提出了一種土石混合體微觀結(jié)構(gòu)PFC2D模型的自動生成方法［19］。Li等、Xu等進(jìn)行了一系列原位水平推剪試驗(yàn)，研究了土石混合體的強(qiáng)度特性［20］。

目前，通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬手段對土石混合料的強(qiáng)度和變形等力學(xué)性狀進(jìn)行了許多研究。但由于土石混合料顆粒粒徑變化較大，變形力學(xué)特性較為復(fù)雜，在用作路堤填料時(shí)，易出現(xiàn)施工困難、穩(wěn)定性差等問題。因此，深入研究土石混合體變形力學(xué)特性，具有重要的理論與工程實(shí)際意義。文中以國道316旬陽至安康二級公路改建工程中的填石高路堤工程為依托，進(jìn)行大型三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，研究土石混合填料力學(xué)特性，為本項(xiàng)目工程及其他類似工程的穩(wěn)定性分析提供參考。

1 試 驗(yàn)

1. 1 試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)材料

本次三軸剪切試驗(yàn)是在南京水利科學(xué)研究院的大型靜力三軸儀（圖1）上進(jìn)行的，試樣尺寸為φ300 mm×700 mm，最大限制粒徑為60 mm.

試驗(yàn)材料取自國道316旬陽至安康二級公路改建工程中的填石高路堤工程，為黃土和絹云石英片巖的混合體。試驗(yàn)級配曲線如圖2所示。

圖1 大型靜力三軸儀Fig.1 Large static triaxial apparatus

圖2 試驗(yàn)級配曲線Fig.2 Particle size distribution curves

1. 2 試驗(yàn)過程

根據(jù)試驗(yàn)要求，按 0～5，5～10，10～20，20～40，40～60 mm粒徑檔分5等份制備試樣。將透水板置于試樣底部，橡皮膜綁扎在底座上，之后安裝成型筒，將橡皮膜外翻在成型筒上并在成型筒外抽氣，使橡皮膜貼緊成型筒內(nèi)壁。放入第1層試樣并均勻鋪平，根據(jù)試樣要求的干容重采用振動器進(jìn)行振實(shí)，振動器底板靜壓為14 kPa，振動頻率為40 Hz.試樣裝好后，加上透水板和試樣帽，扎緊橡皮膜，去掉成型筒（去掉成膜桶后的三軸試樣如圖3所示），安裝圍壓室，打開圍壓室排氣孔，向內(nèi)注水，當(dāng)有水從排氣孔流出時(shí)，關(guān)閉排氣孔，采用滴水飽和法使試樣飽和。按要求對飽和試樣施加圍壓，進(jìn)行固結(jié)。固結(jié)完成后，進(jìn)行試驗(yàn)。

重復(fù)上述過程分別進(jìn)行圍壓為200，400，600和800 kPa狀態(tài)下的試驗(yàn)研究。在試驗(yàn)過程中，計(jì)算機(jī)自動采集試樣的軸向荷載、軸向變形和排水量，并同步繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線，直到試樣破壞或達(dá)到軸向應(yīng)變的15%.當(dāng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線有峰值時(shí)，將峰值點(diǎn)作為破壞點(diǎn)，其對應(yīng)的主應(yīng)力差（σ1-σ3）作為該試樣的破壞強(qiáng)度，反之則取軸向應(yīng)變的15%所對應(yīng)的點(diǎn)為破壞點(diǎn)，對應(yīng)的主應(yīng)力差（σ1-σ3）為試樣的破壞強(qiáng)度。剪切完成后的試樣如圖4所示。

圖3 制樣完成Fig.3 Finished sample

圖4 剪切試驗(yàn)完成Fig.4 Sample after the test

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2. 1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分析

圖5為不同混合比試樣在不同圍條件下的大型三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線。

從圖5可以看出：當(dāng)土石混合比一定且軸向應(yīng)變相同時(shí)，試樣的偏應(yīng)力隨圍壓的增大而增大。土石混合比為3∶7的試樣，當(dāng)圍壓為200 kPa時(shí)，其偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線為應(yīng)變硬化型，當(dāng)圍壓為400，600和800 kPa時(shí)，其偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線表現(xiàn)為弱應(yīng)變軟化，且軸向應(yīng)變未達(dá)到15%時(shí)，試樣已破壞。土石混合比為3∶2的試樣，在4種圍壓下，其偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線均表現(xiàn)為應(yīng)變硬化。

圖5 不同圍壓下偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.5 Curves of deviatoric stress to axial strain under different confining pressures

土石混合比為3∶7的試樣，其含石量較高，隨著圍壓的增大，石料被壓碎，導(dǎo)致偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線在達(dá)到峰值應(yīng)力后有少許下降。土石混合比為3∶2的試樣，其土料含量較高，顆粒不易被壓碎。

2. 2 體應(yīng)變分析

對于三軸排水剪切試驗(yàn)而言，試樣的體應(yīng)變是通過量測試樣的排水量而得到的，而在不排水剪切條件下，通常認(rèn)為試樣體積不發(fā)生變化。但對于含石量較高的試樣，由于在剪切過程中塊石間存在滑動擠壓、破碎和填充空隙等現(xiàn)象，試樣同樣存在剪脹和剪縮現(xiàn)象。

圖6為不同混合比試樣在不同圍壓條件下的體應(yīng)變-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線。

由圖6可以看出：對于土石混合比為3∶7的情況，試樣在4種圍壓下，體應(yīng)變均表現(xiàn)為隨軸向應(yīng)變先增大后減小，說明試樣先剪縮后剪脹，且圍壓越大，剪縮量越大，然后達(dá)到峰值，隨后表現(xiàn)出剪脹趨勢，且圍壓越大剪脹量越小，隨著軸向荷載的不斷增大，試樣發(fā)生破壞。對于土石混合比為3∶2情況，試樣在4種圍壓條件下，體應(yīng)變均隨軸向應(yīng)變增大而增大，無明顯的峰值強(qiáng)度，表明試樣一直表現(xiàn)為剪縮，且圍壓越大，剪縮量越大。

為了更直觀的表現(xiàn)試樣的變形性狀，引入體變速率 （dεv/dε1）。圖7為體變速率隨軸向應(yīng)變關(guān)系曲線。體變速率為正表示剪縮，體變速率為負(fù)表示剪脹。

圖6 不同圍壓下體應(yīng)變-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.6 Curves of volumetric strain to axial strain under different confining pressures

圖7 不同圍壓下體變速率-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.7 Curves of the rates of volumetric strain to axial strain under different confining pressures

由圖7可看出：對于土石混合比為3∶7的試樣，在4種圍壓下，其體變速率均隨著軸向應(yīng)變的增大從某一正值先增大后減小為負(fù)值，隨后又有略微增大但仍為負(fù)值，說明試樣是先剪縮后剪脹。其曲線的最小值點(diǎn)基本對應(yīng)于應(yīng)變軟化型曲線的峰值強(qiáng)度點(diǎn)。當(dāng)圍壓一定時(shí)，隨著軸向應(yīng)變的增大，剪縮趨勢逐漸減弱，剪縮量減小為0時(shí)，開始出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象，隨后剪脹趨勢不斷加強(qiáng)。當(dāng)圍壓較低（200 kPa）時(shí)，在軸向應(yīng)變較小（約5%）時(shí)開始出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象，隨著圍壓的增大，出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象時(shí)的軸向應(yīng)變隨之增大。當(dāng)軸向應(yīng)變一定時(shí)，隨著圍壓的增大，剪縮量不斷增大，剪脹量不斷減小。對于土石混合比為3∶2的試樣，加載初期，其體變速率與混合比為3∶7的試樣具有相同的趨勢，即體變速率隨著軸向應(yīng)變的增大從某一正值先增大后減小，但最終并未減小為負(fù)值，說明試樣一直表現(xiàn)為剪縮。應(yīng)力-應(yīng)變曲線為硬化型。當(dāng)圍壓一定時(shí)，隨著軸向應(yīng)變的增大，剪縮量不斷減小。當(dāng)軸向應(yīng)變一定時(shí)，隨著圍壓的增大，剪縮量不斷增大。可以明顯看出，隨著軸向應(yīng)變的增大，土石混合比為3∶7的試樣比土石混合比為3∶2的試樣較早地發(fā)生破壞。

當(dāng)土石混合比為3∶2時(shí)，試樣土料含量較高，塊石之間相互接觸較少，加載初期，在圍壓作用下，細(xì)顆粒迅速調(diào)整位置，試樣內(nèi)部孔隙被壓密，表現(xiàn)為剪縮。圍壓增大，試樣被壓密程度增加，剪縮量增大。隨著試樣不斷被壓密，剪縮量增大量逐漸減小，表現(xiàn)為剪縮趨勢減弱。

當(dāng)土石混合比為3∶7時(shí)，試樣石料含量較高，塊石間互相接觸的機(jī)會增多，在圍壓作用下，塊石快速調(diào)整位置，彼此間相互支撐形成不易破壞的骨架結(jié)構(gòu)。當(dāng)圍壓較低時(shí)，塊石不易被壓碎，骨架結(jié)構(gòu)不會破壞，由于骨架結(jié)構(gòu)的支撐作用，試樣內(nèi)部的孔隙不易被填充，因此，在加載初期細(xì)顆粒只填充部分孔隙，試樣的剪縮量較小。隨著軸向荷載的增大，細(xì)顆粒間出現(xiàn)滾動爬坡現(xiàn)象，試樣開始表現(xiàn)出剪脹趨勢，體應(yīng)變減小。隨著圍壓的增大，剪縮量不斷增大，塊石之間出現(xiàn)互相擠壓現(xiàn)象，部分塊石擠入其他塊石之間，骨架結(jié)構(gòu)破壞，試樣表現(xiàn)出剪脹趨勢。之后，圍壓再增大，塊石間互相接觸的部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，部分塊石被壓碎為細(xì)顆粒，而細(xì)顆粒迅速調(diào)整位置填充孔隙，致使試樣密實(shí)，表現(xiàn)為圍壓增大，剪脹趨勢減弱。

3 結(jié) 論

1）土石混合料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與土和石所占比例及外荷載大小有很大關(guān)系。土石混合料中石料含量較高時(shí)，低圍壓下，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為應(yīng)變硬化，高圍壓下，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為弱應(yīng)變軟化。土石混合料中土料含量較高時(shí)，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線均表現(xiàn)為應(yīng)變硬化；

2）土石混合料中土料和石料比例的變化對其剪脹性影響很大，當(dāng)石料含量較高時(shí)，試樣出現(xiàn)明顯的剪脹現(xiàn)象，且剪脹量較大。相比土料含量較高的試樣，石料含量較高的試樣在軸向荷載較小時(shí)發(fā)生破壞；

3）體變速率能較好地反映體變變化和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。當(dāng)體變速率從正值先增大后減小為負(fù)值，隨后又有所增大但仍為負(fù)值，則體變?yōu)橄燃艨s后剪脹，應(yīng)力-應(yīng)變曲線為軟化型，體變速率為0時(shí)，開始出現(xiàn)剪脹，體變速率達(dá)到最小值時(shí)，試樣剪脹性最大，對應(yīng)于應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值強(qiáng)度。當(dāng)體變速率從正值先增大后減小但仍為正值時(shí)，則體變表現(xiàn)為剪縮，應(yīng)力-應(yīng)變曲線為硬化型。