細料含水量對紅砂巖-粉質黏土混合料力學特性影響試驗研究

龔 輝，郭娜娜，張乙彬

(1.貴州橋梁建設研究院有限公司，貴州 貴陽 550000；2.貴州橋梁建設集團有限責任公司，貴州 貴陽 550000)

1 引 言

土石混合料是由土和巖塊(碎石)組成的復合體?；旌狭现型恋姆N類不同，巖塊的種類及含量不同，相應強度和變形特征亦不同。其強度參數不僅取決于土料和石料本身的強度，還受混合料的空隙壓密、粗顆粒的接觸狀態、細粒的含水量等眾多因素有關，但各因素的影響機制目前并未有統一的結論，所以目前還沒有一種理論系統的闡述土石混合料的力學性質。

為系統研究細料含水量對土石混合料力學特性的影響，以西南地區紅砂巖-粉質黏土混合料為研究對象進行室大型直剪試驗，以研究細料含水量對混合料整體力學特性的影響。

2 試驗方案

本次室內大型直剪儀的剪切盒直徑定為560 mm，剪切盒高度為500 mm。根據試樣尺寸與試樣最大粒徑之間的合理關系：D/dmax=8～12，可試驗的粗粒土最大粒徑為40～80 mm。

考慮細粒含水量對剪切力學特性的影響，其他試驗參數保持不變含石量P5=50%，含石最大粒徑dmax=120 mm，配制采用的細料干ρd=1.52 g/cm3，而細料含水量W細變化為：8%風干樣、20%(最優含水量)、30%(液限)，40%浸水狀態。每一個含水量的土樣做四4個室內大型直剪，法向壓力分別取90 kPa、190 kPa、390 kPa、490 kPa，配置過程中細料直接取自現場風干樣，粗集粒中5～10 mm粒組、10～20 mm粒組、20～40 mm粒組、40～60 mm粒組、60～80 mm粒組、80～100 mm粒組和>100 mm粒組均按細粒干質量的14.29%配制。

3 剪切力學特性

3.1 剪應力-位移分析

不同細料含石量及不同法向應力條件下土石混合體剪應力-剪切位移曲線如圖1所示。為了研究細料含水量的影響，本次進行了同一含石量(50%)的對比性試驗。當含石量較小時，剪切主要發生了細料中，而含石量較高時，水分主要是賦存于細料中，也顯示不出影響規律，所以本課題選取含石量為50%時的混合料進行對比試驗分析。圖1顯示了紅砂巖-粉質粘土混合料中粉質粘土含水量對混合料剪切應力發揮的影響規律，從圖上可看出，含水量的影響極其明顯，含水量越高，相同位移對應的剪切應力越小。當細料作為粗集料間的填充物時，細料含水量增加，會“潤滑”粗集料間的接觸界面，而當粗集料作為懸浮物夾雜在細料中時，細料含水量增加在減少細料強度的同時，也削減了細料對粗集料的“包裹力”使得剪切帶中和附近的粗集料易于發生滑動、滾動。

圖1 土石混合體剪切應力-位移曲線

3.2 剪切強度分析

表1 不同含水量土石混合體剪切強度

根據莫爾庫化強度準則線性擬合到抗剪強度參數(表1)，并將其隨細料含水量的變化趨勢繪于圖2，可見摩擦角及粘聚力都隨細料含水量的增高而被不同程度的削弱，但規律略有不同，內摩擦角在含水量從8%～22%區間內削弱相對較慢，而22%～40%加劇削弱；而粘聚力則在細料狀態由風干狀態增濕到液限狀態這一區間內急劇線性削弱，而當含水量達到液限后粘聚力隨含水量的衰減已可忽略。

圖2 強度參數與含水量關系

3.3 剪切破壞面分析

四種細料含水量對應的剪切后的剪切破壞面，當細料為風干樣(含水量8%)剪切過程剪切面均發生了“繞石”現象，并未發生“切石”的情況，整個剪切面凹凸不平。當細料含水量為最優含水量時，剪切過程剪切面發生了“切石”現象，并且剪碎位置不限于靠近剪切環的位置，在試樣中間也發生大面積的剪碎。當細料含水量為液限時，紅砂巖在法向加壓過程中“吸食”了土體中部分的水分，紅砂巖顆粒間的泥質膠結力因水分的進入發生“軟化”，在剪切面附近的紅砂巖呈土塊狀崩解。

4 結 論

(1)細料含水量對紅砂巖-粉質黏土混合體的宏觀力學性質影響較大，含水量越高，相同位移對應的剪切應力越小。

(2)摩擦角及粘聚力都隨細料含水量的增高而被不同程度的削弱，但規律略有不同，內摩擦角在含水量從8%～22%區間內削弱相對較慢，而22%～40%加劇削弱；而粘聚力則在細料狀態由風干狀態增濕到液限狀態這一區間內急劇線性削弱，而當含水量達到液限后粘聚力隨含水量的衰減已可忽略。

(3)不同細料含水量對應的剪切面破壞面形成機理大有不同，當細料為風干樣時，剪切面發生繞石效應，當細料含水量為最優含水量時，剪切面發生切石效應，當細料含水量為液限時，混合料中的紅砂巖由于吸水在剪切力作用下發生類土塊狀崩解。