不同礫石含量土石混合料的壓密性質研究

溫石磊 陳筱竹 王琛

文章為了研究不同礫石含量下土石混合料的壓實性質：密度、孔隙比和沉降量的變化，利用改裝后的蠕變儀分別對礫石含量為0～100 %，含量間隔為10 %的土石混合料進行了靜壓試驗。試驗結果表明：土石混合料的孔隙比小于黏土和礫石的孔隙比，其干密度大于黏土和礫石的干密度;礫石含量為70 %左右時，土石混合料壓密前后的干密度均達最大值，孔隙比達最小值，最終沉降量達最小值;在礫石中孔隙完全由黏土體積填充時，礫石-黏土的二元混合物存在理論最小孔隙比，隨著法向壓力的增大，土石混合料的孔隙比趨近于這一最小值;在法向壓力400 kPa下，礫石含量為71 %時達到最小孔隙比，與試驗中礫石含量為70 %時孔隙比最小具有一致性。

土石混合料; 礫石含量; 壓密; 干密度; 孔隙比

TU 521?? A

[定稿日期]2021-08-02

[作者簡介]溫石磊（1996～），男，在讀碩士，研究方向為粗粒土的工程性質。

土石混合料是一種由粗顆粒與細顆粒組成的二元混合物，分布和應用廣泛。不同分布與應用的土石混合料的粗顆粒含量是不同的，其中粗顆粒含量變化范圍可認為是0～100 %。例如：作為高土石壩心墻防滲料的礫石土，大于5 mm的礫石含量不應大于50 %，一般控制在20 %～50 %[1-2];三峽庫區多個滑坡的滑帶土粗顆粒含量從8 %～45 %不等[3];崩積體礫石含量最高可達90 %[4]。

不同礫石含量的土石混合料會呈現出不同的物理力學性質。在土石混合料的密實程度方面，礫石含量對土石混合料最大干密度影響大，在工程建設中需分析礫石含量對土石混合料最大干密度的影響，以保證土石混填路基的質量。

近年來，許多學者開展了關于粗顆粒含量對土石混合料的密度等方面的研究。胡華昌[5]分別采用相似級配法、剔除法與等量替代法對同種土石混合料進行了處理，通過試驗指出采用相似級配法處理的土石混合料的最大干密度和最優含水率高于剔除法與等量替代法處理的級配料，探討了縮尺方法對土石混合料最大干密度的影響。王團結[6]在不考慮含水率時假定粗細顆粒密度相等，通過以孔隙率作為壓實質量的量化評價指標的模擬試驗指出孔隙率隨著顆粒最大粒徑和粗顆粒相對含量增大而減小，同時隨著孔隙率的減小，土石混合料干密度線性減小。曹光栩等[7]指出土石混合填料中石料含量達到70 %～80 %時，填料的密度達最大值，并且表現出較小的壓縮性。廖秋林[8]指出雖然土石混合料壓密主要是土體的壓密，但是塊石等粗顆粒直接影響其壓密效果，在無側限條件下，通過試驗發現塊石等粗顆粒與土體并無膠結，在土石混合料中塊石等粗顆粒形成骨架結構是土石混合料的一個重要的力學性質。Vallejo和Mawby[9]通過試驗證明了孔隙率對粗細顆粒混合料的抗剪強度的影響，指出了孔隙率的大小是由粗細顆粒的相對含量決定的，并在粗顆粒達到76 %左右時趨向于一個理論最小孔隙率。

本文主要研究土石混合料在靜壓條件下的壓密性質，研制壓密容器并改裝蠕變三軸儀作為靜壓加載系統，對0～100 %礫石含量的土石混合料采用砝碼加載的方式進行壓密試驗。分析土石混合料在靜壓過程中礫石含量Pg與干密度ρd、孔隙比e、最終沉降量s間的關系。

1 土石混合料靜壓試驗

1.1 試驗土料

試驗土料為兩河口高心墻堆石壩的心墻防滲料，由黏土與灰色板巖礫石共同組成，礫石粒徑dg>2 mm，黏土粒徑dc<2 mm，板巖相對密度Gg=2.75。參照兩河口心墻料礫平均線擬定試驗礫石級配曲線，原土料最大粒徑Dmax=100 mm，為滿足徑徑比n≤5的要求，試驗土料最大粒徑應為dmax=20 mm，故對原級配曲線進行縮尺處理。首先采用相似級配法，得到處理后的級配曲線如圖1。在對原級配縮尺2.5倍后，最大粒徑由100 mm變為40 mm，此時仍不滿足徑徑比n≤5的要求，故對處理后的級配曲線再進行剔除法處理，得到最終的試驗礫石級配曲線，其中中礫占79.02 %，細礫20.98 %，不均勻系數Cu=3.75，曲率系數Cc=1.1，分類定名為級配不良礫GP，級配曲線如圖1所示。

黏土相對密度GS=2.70，最大粒徑2 mm，其中砂粒占7.4 %，粉粒占67.1 %，黏粒占25.5 %。采用液限塑限聯合測定法得黏土液限wl=44.3 %，塑限wp=26.3 %，塑性指數Ip=18.0，分類定名為低液限黏土CL，級配曲線如圖2所示。試驗共分為11組，礫石含量依次為0～100 %，11組試驗土樣級配見圖3。

1.2 試驗儀器

試驗儀器由蠕變三軸儀改裝而成，分為加載系統、壓力容器系統和測量系統3個部分。加載系統采用杠桿施加砝碼來實現長期的軸向穩壓加載，其中杠桿動力臂比阻力臂為12。壓力容器系統為內徑200 mm、內部高度110 mm、厚度10 mm的鋼桶與一個可拆卸提手的的蓋板組成，蓋板厚度為10 mm，以蓋板中心為圓心，半徑50 mm與100 mm處開有兩圈小孔，內圈4個，外圈8個，開孔用于試樣飽和與排水。位移測量采用百分表，總荷載為蓋板上覆荷載與砝碼施加荷載的12倍之和。

利用改裝后的蠕變儀和固結容器分別對不同礫石含量的土石混合料進行了靜壓試驗。采用分級加載方式分4級加載，依次為100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa。試驗共分為11組，礫石含量為0～100 %，以10 %礫石含量為間隔制樣。

對于礫石含量Pg在60 %～100 %的試驗組，在鋼桶內緩慢放入試驗土料并加水飽和;對于礫石含量Pg在0～40 %的試驗組，采用真空飽和法進行飽和，兩種方法進行試樣飽和后，在試樣表面罩上一層土工布，再加上蓋板即可進行加載。根據每級加載試驗前后百分表讀數差值得出試樣每級的沉降量，計算孔隙比變化值與加載后的試樣干密度。

2 試驗結果及其分析

2.1 干密度

根據表1所示試驗結果結合圖4、圖5可知：（1）Pg=80 %時最終沉降量s最小，Pg=70 %時壓密前干密度ρ1與壓密后干密度ρ2最大，同時土石混合料的孔隙比e達到最小值;（2）土石混合料的孔隙比e小于純黏土或純礫石的孔隙比，土石混合料的干密度大于純黏土或純礫石的干密度。

2.2 理論最小孔隙比

Vallejo和Mawby[9]通過純黏土與純砂的二元混合物的壓實試驗指出隨著壓實度的增加，黏-砂土混合物將趨向于理論最小孔隙比emin，該理論最小孔隙比在砂中孔隙剛好完全由黏土體積填充時達到。結合上述理論與本次試驗結果，由圖6可知，隨著法相壓力的增大，孔隙比e在逐漸減小，11組試樣在礫石含量70 %附近時達到最小孔隙比，并隨著法向壓力的增大趨近于一個理論最小孔隙比emin，此時，混合物處于礫石間空隙完全由黏土填充的狀態。該狀態下理論最小孔隙比可由純黏土的孔隙比與純礫石的孔隙比計算得出：

emin=VvcVc+Vg=eg·eceg+ec+1（1）

式中：Vvc為孔隙體積，Vg為礫石體積，Vc為黏土體積，eg為純礫石孔隙比，ec為純黏土孔隙比。

當混合物達到最小孔隙比時，礫石與黏土的相對含量為：

MgMc=VgρgVcρg=ec+1ρgegρC（2）

式中：Mg為礫石質量，Mc為黏土質量，ρg為礫石密度，ρc為黏土密度。

當法向壓力為400 kPa時，將純礫石的孔隙比eg=0.70與純黏土的孔隙比ec=0.68代入式（1）、式（2）得到當礫石含量wg=71 %時，土石混合料能達到的理論最小孔隙比為emin=0.20，而試驗所得的最小孔隙比為0.3，分析誤差原因為：①人為因素造成土石混合料混合不夠均勻;②由圖6可知，要達到混合物的理論最小孔隙比要求粗顆粒間孔隙剛好完全由細顆粒填充，而在實際試驗中，由于礫石粒徑大小形態不同，當礫石含量逐漸增大形成骨架后會在混合物中生成許多大小形狀各異的封閉孔隙，故試驗中，很難達到在同一時刻黏土顆粒剛好完全填充所有礫石間孔隙的狀態;③試驗中沒有單獨考慮顆粒破碎造成的孔隙比大小的改變;④試驗中沒有單獨考慮顆粒破碎造成的孔隙比大小的改變。

3 結論

采用靜壓方法對以10 %礫石含量為間隔的礫石含量為0～100 %的土石混合料進行了試驗，分析了土石混合料在靜壓過程中礫石含量Pg與干密度ρd、孔隙比e、最終沉降量s間的關系，并基于二元混合物填充理論進行了探討。主要結論如下：

（1）土石混合料的孔隙比小于黏土和礫石的孔隙比，土石混合料的干密度大于黏土和礫石的干密度。

（2）礫石含量為70 %左右時，土石混合料壓密前干密度與壓密后干密度均達最大值，孔隙比達最小值，最終沉降量達最小值。

（3）在礫石中孔隙完全由黏土體積填充時，礫石-黏土的二元混合物存在理論最小孔隙比，隨著法向壓力的增大，土石混合料的孔隙比趨近于這一最小值;在法向壓力400 kPa下，礫石含量為71 %時達到最小孔隙比，與試驗中礫石含量為70 %時孔隙比最小具有一致性。

參考文獻

[1] 胡金山， 凡亞， 閔勇章， 等. 超高礫石土石心墻壩防滲土料勘察與確定方法——以長河壩水電站為例[C]// 高壩建設與運行管理的技術進展——中國大壩協會學術年會. 2014.

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[3] 易慶林， 趙能浩， 孟召平， 等. 三峽庫區某滑坡滑帶土剪切變形特性及控滑機理[J]. 土木建筑與環境工程， 2014， 36（5）： 125-130.

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