壓實度對中風化泥質頁巖-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。混合料中土的種類不同，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。

施工現場對填方工程質量控制主要以壓實度這一指標來定量，以西南地區粉質黏土為細料，粗集料成分為中風化泥質頁巖經人工拌合而成的混合料為研究對象，先進行室內大型擊實試驗以模擬達到現場不同的壓實度后進行室內大型直剪試驗，以研究壓實度對混合料整體力學特性的影響。

2 試驗方案

本次室內大型擊實儀主要由三大部分：擊實系統、轉動系統、升舉和橫移系統。根據《水電水利工程粗粒土試驗規程》DL/T 5356-2006對原有的普氏擊實儀進行了擴容而成，具體參數見表1，實景圖見圖1。擊實及剪切試驗時采用的細料含水量為最優含水量20%、含石率為50%、粗集料最大粒徑120 mm，級配按各料組均勻配制的原則進行試驗制備。

圖1 土石混合體剪切應力-位移曲線

表1 自行研制的大型擊實儀各參數

通過不同錘擊數激發不同擊實功對應不同壓實度的方法進行擊實度分別為91.8%、94%、97%、100%四個壓實度級別進行擊實后將擊實儀直接平移到剪切儀上，將擊實筒上下部分的連接插銷撥出即可進行大型直剪試驗，見圖2。室內大型直剪試驗采用的法向壓力分別取90 kPa、190 kPa、390 kPa。

3 剪切力學特性

3.1 剪應力-位移分析

圖1顯示了中風化泥質頁巖-粉質黏土混合料中不同壓實度相同法向應力作用下的剪切應力位移曲線，從圖1可見，壓實度越高，相同位移對應的剪切應力越大。但是在剪切后期，壓實度越高，應變軟化越明顯。其原因主要是：密實度越高，大小塊體間填充越密實，塊與塊之間嵌固咬合力和摩擦力越大，在剪切力作用下，剪切帶內顆粒發生移動或滾動，在移動或滾動完成后，嵌固咬合力迅速降低甚至消失，形成了應變軟化現象。相反，密實度較低時，剪切過程呈剪縮規律，密實度越剪越高，剪應力-位移曲線呈現應變硬化，沒有明顯的峰值強度。

3.2 剪切強度分析

根據莫爾庫化強度準則線性擬合到抗剪強度參數見表2，其隨壓實度的變化趨勢見圖2，從圖2中可見壓實度越高，塊石間嵌固力越明顯，所得混合料粘聚力越大。但是壓實度增加，塊石間的嵌固力增加，使得大部分巖塊在剪切過程中均處于翻越的運動狀態，平移和滾動較少，壓實度越高，對應試驗得到的混合料宏觀內摩擦角越小，而宏觀表現出現的嵌固特性(粘聚力越大)。

表2 不同壓實度土石混合體剪切強度

圖2 強度參數與壓實度關系

3.3 粗集料的細觀運動規律與宏觀抗剪強度指標關系探討

土石混合料中的巖塊在剪切過程中無外乎三種運動方式：滑移、滾動、翻越。當然這是在巖塊在剪切過程中不發生剪碎的前提下的幾種方式。基中普遍認為，翻越產生的剪切阻力在宏觀上主要表現為類似于細料粘聚力c，而滑動與滾動產生的剪阻力在宏觀上則表現為內摩擦角φ，隨著剪切過程的進行，粘聚力c和內摩擦角φ勢比發生變化

τ(σn,x)=σntan(φ(x))+c(x)

(1)

式中：τ(σn,x)為剪切位移為x時，法向應力為σn對應的剪切應力，取其峰值作用剪切強度值，kPa；σn為剪切面上的法向應力，kPa；φ(x)為剪切位移為x時的內摩擦角分量，最大值記為φmax；c(x)為剪切位多為x時的粘聚力分量，最大值記為cmax；

由式1可以看出，若能獲得剪切位移為x時的一系列不同法向應力σn對應的剪切應力τ(σn,x)，并對τ(σn,x)-σn進行線性回歸，即可得到對應的φ(x)和c(x)，進而掌握φ(x)和c(x)隨著剪切位移的變化規律。但是本文的剪切試驗是采用應力控制，所以不同法向應力σn的剪切位移互不相同，為此在數據分析之前進行線性插值得到同一剪切位移x時的一系列不同法向應力σn對應的剪切應力τ(σn,x)。

圖3為不同壓實度混合料剪切過程中的內摩擦角發揮情況，壓實度為91.8%和94%的混合料內摩擦角發揮過程基本一致，均呈雙曲線型，在剪切位移達到45 mm時內摩擦角達到峰值，隨后有細微的軟化，當壓實度提升到97%時，剪切位移才21 mm時內摩擦角已達到峰值，隨后內摩擦角基本保證不變至40 mm后發生細微的軟化。而當壓實度為100%時，內摩擦角一開始即急劇增長，隨后發生驟降，發生起伏。未出現前述的雙曲線型發展趨勢。

圖3 不同壓實度對應混合料的內摩擦角發揮情況

圖4為不同壓實度混合料的粘聚力發揮過程，從圖4可見，壓實度越高，前期粘聚力增長越快，而且壓實度越高，剪切后期嵌固力發生了應變軟化現象越明顯，壓實度為91.8%和94%的嵌固力剪切后期基本無變化，而壓實度為97%的混合料嵌固力后期下降9.83%，壓實度為100%，嵌固力后期下降43.44%。

圖4 不同壓實度對應混合料的粘聚力發揮情況

4 結 論

(1)壓實度對土石混合體的宏觀力學性質影響

較大，壓實度越高，相同位移對應的剪切應力越大。但是在剪切后期，壓實度越高，應變軟化越明顯。

(2)壓實度越高，塊石間嵌固力明顯提升，所得混合料粘聚力很大。但是壓實度增加，塊石間的嵌固力增加，使得大部分巖塊在剪切過程中均處于翻越的運動狀態，平移和滾動較少，對應試驗得到的混合料宏觀內摩擦角越小

(3)壓實度不同，混合料剪切過程中的內摩擦角和各有不同，壓實度為91.8%和94%的混合料內摩擦角發揮過程基本一致，均呈雙曲線型，當壓實度提升到97%時，剪切位移才21 mm時內摩擦角已達到峰值，隨后內摩擦角基本保證不變至40 mm后發生細微的軟化。

(4)壓實度越高，前期粘聚力增長越快，而且壓實度越高，剪切后期嵌固力發生了應變軟化現象越明顯。