碎石對土石混合體無側限力學特性影響研究

胡 偉，閔 弘，陳 健，盛 謙

(中國科學院a.武漢巖土力學研究所；b.巖土力學與工程國家重點實驗室,武漢 430071)

碎石對土石混合體無側限力學特性影響研究

胡 偉a，b，閔 弘a，b，陳 健a，b，盛 謙a，b

(中國科學院a.武漢巖土力學研究所；b.巖土力學與工程國家重點實驗室,武漢 430071)

土石混合體通常是構成庫區(qū)邊坡、滑坡及壩基的主要巖土體材料,其物理力學性質要較一般的土體或巖體更復雜,是目前巖土力學及地質工程界共同面臨的難題。通過制備一定含石量的土石混合體試樣進行無側限條件下單軸壓縮試驗,研究了碎石對土石混合體單軸壓縮強度及變形破壞模式的影響；結合數(shù)值模擬方法,進一步分析碎石分布對土石混合體整體強度的影響機制。研究成果表明:土石混合體的單軸抗壓強度及變形破壞特征受含石量及碎石分布的控制,隨著含石量的增加,單軸抗壓強度降低,破壞模式由單裂紋開裂變?yōu)槎嗔鸭y開裂破壞,同時裂紋貫通時間有所增加。

土石混合體；碎石含量；碎石分布；破壞模式；單軸抗壓強度

2015,32(11):55-61

1 研究背景

第四紀堆積體在我國廣泛分布。與一般的巖土體不同,構成這類地質體的主要物質為土與塊石的混合物,其中塊石的粒徑較大,從幾厘米到數(shù)米不等,有的甚至超過數(shù)10 m。油新華[1]將這種“由作為骨料的礫石或塊石與作為充填料的黏土和砂組成的地質體”稱為“土石混合體”。Goodman[2]刻意忽略地質學上的分類定義,將有工程重要性的塊體鑲嵌在細粒土體(或膠結的混和物基質)中所構成的巖土介質稱為Bimrocks。

土石混合體不但作為一種常見的地質體存在于自然界中,而且由于其獨特的物理力學性質常被作為一種巖土工程材料廣泛應用于多種工程建設,特別是在公路路基及土石壩工程中得到廣泛應用。

土石混合體的強度主要是由細粒土和粗粒石料的強度以及土石之間的摩擦強度3部分組成,而這3種強度組成因素對土石混合料整體強度影響的大小又隨土石比、細粒土的性質、粗粒碎石的性質不同而不同[3]。在土石混合體變形特性及強度特性研究的基礎上,一些學者對土石混合體的結構特征進行了更加細致的分類,徐文杰等[4]指出土石混合體含石量在25%～75%之間時,其整體強度由土石共同作用；當含石量＜25%時,塊石的存在幾乎不會影響其宏觀變形破壞特征,此時整體強度基本取決于土體；當含石量＞75%時,塊石與塊石緊密接觸構成整個巖土體的骨架,土體部分充填于塊石構成的骨架間隙中,此時的宏觀力學強度主要取決于塊石之間產生的咬合力及摩擦力。董云[5]在對土石混合體擊實試驗的分析基礎上,將含石量＜30%的土石混合體定義為多土類土石混合體；將含石量＞70%的土石混合體定義為多石類土石混合體；將含石量在30%～70%之間的土石混合體定義為適中類土石混合體。

由于大部分土石混合體結構松散,含石量較高的原狀試樣難以獲取,目前關于含石量對土石混合體強度及變形特性影響的研究中,多使用重塑樣或擾動樣在有側限或有圍壓條件下開展。對于無側限條件下進行的強度、變形試驗所使用的土石混合體試樣多為含石量較低或使用具有一定膠結強度細?；|制成的試樣。

已有研究表明,土石混合體在有側限或有圍壓條件下的強度和變形特性與無側限條件下的強度和變形特性相差極大。具體表現(xiàn)為:在有側限條件下土石混合體的壓縮變形量會隨著含石量的增加大大降低,含石量較高的土石混合體在有圍壓條件下所進行的壓縮試驗獲得的強度值也高于不含碎石試樣的強度；而在無側限條件或無圍壓條件下,會出現(xiàn)土石混合體的壓縮強度低于均質土樣的現(xiàn)象。廖秋林等[6]使用巖石伺服壓力機對使用重型擊實儀制備的密實土石混合體試樣進行了單軸壓縮試驗,得到的結果與有圍壓條件下相反,指出在無側限條件下塊石與土體無膠結,導致了試樣實際承載面積減小,使其抗壓強度與彈模反而低于土體。H.Sonmez等[7]以石膏為基質制備不同含石量的Bimrock試樣并進行單軸壓縮試驗,擬合得到了含石量與壓縮強度之間的關系,表明單軸壓縮強度隨含石量的增加而減小,其式為

式中:UCSBimrock為土石混合體單軸壓縮強度；VBP為含石量體積分數(shù)；UCSmatrix為土石混合體基質單軸壓縮強度。

M.Afifipour等[8]在對不同尺寸高含石量的Bimrock單軸壓縮試驗研究中,同樣擬合得到了相應的強度及變形模量與含石量之間的關系,表現(xiàn)為隨著含石量的增加,強度及變形模量均降低。

以上試驗研究揭示了土石混合體強度參數(shù)與含石量之間的關系,本文在參考已有研究的基礎上,制備體積含石量在5%～40%之間的低含石量土石混合體重塑樣,開展單軸壓縮試驗和相應數(shù)值模擬計算,分析碎石在無側限條件下對土石混合體力學特性的影響機理。

2 單軸壓縮試驗及分析

2.1 試驗方法

土石混合體單軸壓縮試驗可在標準的土壤三軸壓縮儀上進行。試驗所使用的試樣為重塑樣,通過圓柱鋼筒制備成高120 mm、直徑60 mm的圓柱試樣。試驗操作如下:

試驗開始時,轉動升降手輪讓底座緩慢上升,使試件與加壓板剛好接觸,此時調整位移表和測力計,使其置0；并設置好軸向應變速率(1 min應變?yōu)?%～3%),打開電源開關進行試驗。由于本文試驗加載速率較快,且所使用的試驗機無法自動完成數(shù)據(jù)記錄,因此采用數(shù)碼相機,對位移百分表及測力計百分表同時拍照,相機由無線快門控制,通過此方法可以在試驗完成之后再讀取照片中所記錄的數(shù)據(jù)。當試件完全破裂或測力計百分表指針變化較小時,即可停止加載。軸向應變及應力分別按式(2)、式(3)計算。式中:εa為試樣的軸向應變；h0為試件初始高度值；Δh為試件的當前壓縮位移值；σ為軸向應力(kPa)；k為測力環(huán)率定系數(shù)(kN/mm)；R為測力計讀數(shù)(精度0.01 mm)。

2.2 試樣制備

制備試驗所用粒徑2 mm以下細粒土的基本物理性質如表1所示。所使用碎石粒徑5～10 mm,對其進行形狀指標統(tǒng)計,如圖1所示,碎石針度(軸徑比)分布呈正態(tài)分布,均值為0.697。

為了保證試樣能夠較好成型,所使用細粒土為濕土,含水量為7%,低于其塑限,試樣制備完成后放置陰涼處,靜置24 h使其具有一定的強度,不至于在裝樣過程中破碎。

試驗采用體積含石量作為控制指標。首先制備含石量為0%的試樣作為參考試樣,獲得土的密度,然后用碎石等體積置換參考試樣中的細粒土,制備出不同體積含石量試樣,如表2所示。由于所使用的細粒土黏結力較弱,難以制備高含石量的試樣,所制備試樣最大體積含石量為40%。

表1 材料屬性Table 1 Properties of materials

圖1 碎石軸徑比統(tǒng)計Fig.1 Statistics of gravel's length-diameter ratio

表2 試樣基本參數(shù)Table 2 Parameters of the samples

2.3 試驗結果

壓縮試驗過程中使用相機對試樣進行拍照,記錄相應測力環(huán)百分表及位移百分表的讀數(shù),按式(2)和式(3)計算繪制相應的應力-應變曲線。同時將試樣不同壓縮變形階段的照片與相應數(shù)據(jù)點對應,所得到的壓縮曲線及試樣變形破壞形態(tài)照片如圖2所示。對于含石量較高的試樣,試樣表面會有部分碎石出露,圖中用藍色線條標記試樣表面碎石與細粒土之間的接觸縫隙,稱之為原生裂紋,白色線條所標記的是在壓縮過程中新產生的裂紋。

圖2 壓縮試驗曲線Fig.2 Curves of compression test

2.3.1 壓縮曲線特征

總結圖2所示8個試樣的壓縮曲線特征,可以看出土石混合體試樣的壓縮曲線與巖石單軸壓縮應力-應變全曲線類似,結合不同壓縮階段試樣的變形開裂特征,將整個壓縮曲線劃分為5個階段(如圖3所示),其特征描述如下。

圖3 典型壓縮試驗曲線Fig.3 Typical curve of compression test

(1)OA階段:該階段曲線稍向上凹曲。只有小部分試樣中出現(xiàn)此階段,如圖2(f)和2(g)所示試樣,而其它試樣壓縮曲線施壓初始階段并無向上凹曲。

(2)AB階段:該階段接近于直線,此時試樣表面尚未出現(xiàn)明顯的裂縫。

(3)BC階段:該階段應力-應變曲線出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。出現(xiàn)峰值,但試樣表面仍未出現(xiàn)明顯裂紋,當達到峰值后繼續(xù)施壓,應力開始下降,試樣表面開始出現(xiàn)明顯的裂縫,但未貫通。

(4)CD階段:該階段接近于直線,此時試樣表面的裂隙開始迅速擴展直到主要裂隙貫通。

(5)DE階段:該階段試樣主要裂縫已經(jīng)貫通。2.3.2 試樣壓縮變形破壞特征

8個試樣的壓縮曲線形態(tài)基本一致,但試樣的破壞形態(tài)卻有所不同,其試樣壓縮變形破壞形式主要表現(xiàn)為如下2種:

(1)單裂紋開裂破壞。含石量較低(≤10%)的試樣表現(xiàn)為一條主裂紋的貫通破壞,如圖2(a)至圖2(c)所示。

(2)多裂紋碎裂破壞。含石量較高的試樣,在壓縮過程中,表面的裂紋會沿著碎石周圍的原生裂紋展開,最后破壞時,呈多重裂紋碎裂破壞,沒有一個主要的貫通裂紋,如圖2(d)至圖2(h)所示。含石量越高,試樣破裂時裂縫越多且越雜亂。

2.3.3 試樣表面裂紋貫通時間

壓縮曲線CD階段為試樣表面新生裂紋出現(xiàn)到表面主要裂紋貫通的階段,該階段應力基本上呈直線下降。對于不同含石量的試樣,壓縮曲線CD階段歷時長短不一。其中含石量0%和5%的試樣主裂紋貫通時間分別為3 s和2 s；含石量10%,15%,20%試樣完成CD階段分別歷時24,47,48 s；含石量25%, 30%,40%試樣完成CD階段分別歷時24,30,22 s。

2.3.4 試樣壓縮強度特征

壓縮試驗曲線中,取軸向應力的峰值作為試樣的單軸壓縮強度。不同含石量試樣的單軸壓縮強度值總結見表3。

由圖4可以看出,隨著含石量的增加,試樣整體的單軸壓縮強度逐漸降低,特別是含石量達到25%之后,其強度值下降幅度較含石量較低時更大。

表3 單軸壓縮強度值Table 3 Values of uniaxial compressive strength

圖4 含石量與峰值強度值關系曲線Fig.4 Curve of volumetric block portion vs.peak strength

2.4 結果分析

所制備的低含石量土石混合體試樣單軸壓縮試驗應力-應變曲線均表現(xiàn)為應變軟化型,且其應力-應變曲線形態(tài)相似。但不同含石量試樣其變形破壞特征、試樣表面裂紋貫通時間以及試樣壓縮強度參數(shù)隨含石量的改變有所變化。

對于不含碎石的均質試樣,其整體結構完整均勻,壓縮破壞模式為單一裂紋的貫通開裂破壞。當試樣中加入碎石,相較均質試樣而言,碎石的存在破壞了試樣的整體結構性。碎石與細粒土之間的接觸面膠結力較弱,且碎石與細粒土的力學性質懸殊,在受壓狀態(tài)下兩者的響應并不協(xié)調,容易導致碎石與細土分離。當含石量較低時,其影響尚不明顯,但隨著含石量的增加,碎石與細粒土之間的接觸面愈來愈多,在試樣受壓時,裂紋首先會沿著土石接觸面擴展開,表現(xiàn)為多裂紋的碎裂破壞。

土石混合體試樣的應力-應變曲線與典型巖石單軸壓縮全過程類似,表現(xiàn)為應變軟化型。壓縮過程經(jīng)歷5個階段,其中OA段為初始壓密階段,試樣中具有張開性的裂紋受壓閉合,形成早期的非線性變形,應力-應變曲線呈上凹型。對于含石量較高的試樣,土石接觸面之間裂紋縫隙更多,其壓縮曲線OA段更加明顯,文中含石量＞25%的試樣其壓縮曲線OA段明顯上凹。

應力-應變曲線AB段為彈性變形階段,該階段呈近似直線關系；BC段試樣內部開始出現(xiàn)破裂,特別是土石接觸面等薄弱位置裂紋發(fā)展迅速。當應力達到峰值時,試樣仍能保持整體狀,內部裂紋尚未擴展至試樣表面。當達到C點時,表面裂紋開始出現(xiàn),至D點時表面裂紋快速發(fā)展形成宏觀的斷裂面。對于均質試樣及含石量較小的試樣(含石量＜5%),其表面出現(xiàn)裂紋到裂紋完全貫通歷時較短,類似完整巖石試樣壓縮發(fā)生的脆性破壞；而含石量較高的試樣(含石量＞5%),其CD段歷時明顯增加。對于含石量較高的試樣,其內部土石接觸弱面較多,在試樣受壓的過程中,土石接觸面的破壞及碎石的翻滾摩擦不斷消耗能量,因而其峰后應力跌落緩慢；而對于含石量較少的試樣,在壓縮過程中內部產生的裂紋相對較少,集聚的能量在突然釋放從而使應力在峰值之后迅速跌落。

在土石混合體的含石量對其宏觀力學性質的影響研究中,不同的試樣及試驗條件得到的結論不盡相同。李興瑞[9]在有圍壓條件下進行不同含石量土石混合體壓縮試驗中得出主應力差隨著含石量增高得到提升的結論；徐文杰等[10]使用數(shù)值方法對含石量在30%～60%之間的土石混合體進行單軸和雙軸壓縮試驗模擬時得出隨著含石量的增加試樣彈性模量及單軸抗壓強度呈上升趨勢的結論。而廖秋林等[6]在土石混合體單軸抗壓強度試驗中得出土石混合體的單軸抗壓強度均明顯低于土體的結論。本文所進行不同含石量土石混合體單軸壓縮試驗中,得出的結論是:隨著碎石含量的增加,土石混合體單軸抗壓強度降低。參考已有文獻對土石混合體含石量對其力學特性影響的相關分析,對本文所得含石量的增加使得土石混合體單軸壓縮強度降低的機理可做如下分析:

隨著含石量的增加,土石混合體的結構特征發(fā)生改變,當含石量增加到一定程度時,試樣中的碎石會出現(xiàn)局部的相互接觸,在沒有側限約束及圍壓的條件下,由于土體與碎石之間的膠結很弱,在外力作用下無膠結的碎石之間很容易發(fā)生相對滑動,從而帶動其附近的土體變形、破壞,導致試樣整體破壞,使得土石混合體的單軸壓縮強度反而低于均質土體,含石量的增加使得土石混合體變得結構松散,從而單軸壓縮強度隨著含石量的增加而降低。對于有圍壓及側限的條件下,碎石之間可以形成穩(wěn)定碎石骨架,從而大大提升土石混合體的抗壓強度。

3 單軸壓縮試驗數(shù)值模擬

在單軸壓縮試驗過程中,可以觀察試樣表面裂紋的發(fā)展狀態(tài)和最終的破壞形態(tài)以及碎石表面露頭之間的關系,但是無法觀察試樣內部裂紋貫通過程以及裂紋發(fā)展與碎石分布之間的關系。而利用數(shù)值模擬分析可以進一步研究土石混合體單軸壓縮試驗過程中內部破壞特征。

本文使用Rocscience公司開發(fā)的Phase2有限元軟件,建立含碎石試樣的數(shù)值分析模型,進行土石混合體單軸壓縮試驗模擬,研究碎石分布與試樣內部裂紋擴展之間的關系及碎石分布對土石混合體單軸壓縮強度的影響。

3.1 數(shù)值計算模型

首先建立含石量為0%的均質試樣模型進行無側限壓縮試驗的模擬,然后對不同含石量試樣進行壓縮試驗模擬,分別分析均質試樣與含石試樣的破壞模式,計算模型如圖5所示。采用摩爾-庫倫彈塑性本構來模擬試樣。與無側限壓縮試驗相同,數(shù)值模擬中,采用位移控制方式對試樣進行軸向加載,通過定義多個分析步,不同分析步位移控制值隨分析步而增加,實現(xiàn)位移加載過程。

圖5 基本數(shù)值模型Fig.5 Numerical model

計算模型所取試樣高度為120 mm,寬度60 mm。在試樣上下分別設置2個高度為10 mm的高彈性模量的材料區(qū),來模擬試驗中加載墊片；墊片材料與試樣之間設置節(jié)理單元,模擬試樣與墊片之間的接觸。

數(shù)值計算中采用的各材料力學參數(shù)見表4。計算結果中,以墊片材料豎向方向的平均應力為軸向應力,結合相應的位移值繪制應力-應變曲線,如圖6所示。

表4 數(shù)值模型參數(shù)Table 4 Parameters of numerical model

數(shù)值模擬均質試樣的單軸壓縮試驗,得到的應力-應變曲線呈脆性破壞模式,其形式與單軸壓縮試驗中含石量0%試樣的壓縮曲線類似,應力達到峰值之后迅速下跌到殘余值,但由于所采用的數(shù)值模型本構的局限,難以完全與實際壓縮曲線完全匹配。通過數(shù)值模型在壓縮過程中塑性區(qū)的擴展,來研究試樣的破壞模式,如圖7所示。圖7(a)對應壓縮曲線中的峰值,圖7(b)對應曲線中峰值的下一計數(shù)點,圖7(c)對應曲線中最后的計數(shù)點,從所列圖中可以知,塑性區(qū)在達到應力峰值之后迅速貫通,其塑性區(qū)呈交叉狀,符合均質體彈塑性解析解結果,應力曲線上表現(xiàn)為應力值的陡跌。所建立的均質試樣數(shù)值模型較好地模擬了單軸壓縮試驗中含石量0%試樣的壓縮破壞形式。

圖6 均質試樣壓縮曲線Fig.6 Compression curve of homogeneous sample

圖7 均質試樣數(shù)值模擬塑性區(qū)擴展Fig.7 Numerical simulation of plastic zone expansion of homogeneous sample

3.2 含碎石試樣數(shù)值試驗分析

通過在均質試樣中定義不同的材料區(qū)來模擬試樣中所包含的碎石,通過Phase2中的節(jié)理模型來模擬土與碎石的接觸面。通過設置碎石在均質試樣模型中的不同空間分布來分析其對數(shù)值試樣整體強度及壓縮試驗中塑性區(qū)擴展的影響,圖8所示建立了3個石塊在均質試樣中的5種不同分布模型。

圖8 含碎石數(shù)值試樣Fig.8 Samples containing gravels with different spatial distribution

采用與均質試樣相同的加載控制,對含碎石的數(shù)值模型進行單軸壓縮試驗模擬,其應力-應變曲線如圖9所示。

與均質數(shù)值模型的應力-應變曲線不同,含碎石的數(shù)值模型的應力-應變曲線表現(xiàn)為應力達到峰值之后并未迅速跌落到殘余值,而是一個緩慢下降到殘余值的過程,由于碎石影響,數(shù)值試樣塑性區(qū)的貫通變?yōu)橐粋€漸進的過程。以碎石在試樣中傾斜分布的試樣1的塑性區(qū)發(fā)展為例,從圖10中可以看出,由于模型中定義的碎石與均質土體石之間的接觸模型強度參數(shù)值較低,首先在碎石周圍出現(xiàn)了局部的屈服,隨著應變的增加,碎石周圍的塑性區(qū)開始擴展至相互連通,最后擴展到邊界達到整體貫通。

圖9 數(shù)值試樣壓縮曲線Fig.9 Compression curves of different samples

圖10 試樣1塑性區(qū)擴展Fig.10 Extension of plastic zone for sample 1

圖11 不同碎石分布試樣最終塑性區(qū)Fig.11 Ultimately plastic zone of samples with different spatial distribution of gravels

不同碎石分布的模型,其塑性區(qū)最終的形態(tài)如圖11所示及得到的壓縮強度值不相同,如表5所示。碎石的加入改變了試件的單軸壓縮強度使其低于均質試件。對于含石量一樣但碎石分布不同的試樣,其單軸壓縮強度又有不同,5個試樣中碎石傾斜分布得到強度最低而碎石豎直分布得到強度最高,對照均質試樣壓縮過程中塑性區(qū)的分布來看,傾斜分布的碎石完全在均質試樣塑性區(qū)的范圍內,減少了塑性區(qū)擴展的范圍從而使其承載力過早喪失。

表5 數(shù)值試樣強度值Table 5 Strength values of different samples

4 結 論

(1)無側限壓縮試驗表明土石混合體表面裂紋的發(fā)展受含石量及碎石分布的影響,在達到峰值強度時,表面不會出現(xiàn)新的裂紋。數(shù)值模擬分析表明塑性區(qū)的發(fā)展受所含碎石分布的影響,不同的碎石分布,最終塑性區(qū)的形態(tài)不同；應力到達峰值時,其內部塑性區(qū)未擴展到試樣表面。

(2)不同含石量的土石混合體的無側限壓縮強度及破壞模式不同,其中均質試驗及低含石量(含石量＜15%)的試樣壓縮破壞模式表現(xiàn)為試樣表面只有1條主要裂紋的貫通破壞。隨著含石量的增加,試樣壓縮破壞模式由1條主要裂紋的貫通破壞變?yōu)樗槭浇脑剂鸭y的擴展,然后顆粒之間的原始裂紋逐漸貫通。

(3)不同含石量的土石混合體無側限壓縮曲線其應力下降的直線段(CD)歷時不同。含石量較小時,裂紋迅速貫通；含石量增加時,原始裂紋之間的漸進貫通過程時試樣破壞類似延性破壞；當含石量較高時,土石原始裂紋之間的貫通距離減小,裂紋貫通的時間開始減小,但其貫通歷時仍較長。

(4)土石混合體的力學特性具有明顯的結構效應。由于碎石與土之間的膠結力較弱,碎石的存在破壞了試樣的整體性,無側限條件下土石混合體壓縮強度較均質土樣低。

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(編輯:姜小蘭)

Study on the Effect of Gravel on Unconfined Mechanical Properties of Soil-rock Mixture

HU Wei1,2,MIN Hong1,2,CHEN Jian1,2,SHENG Qian1,2
(1.Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430071,China；2.State Key Laboratory of Geo-mechanics and Geo-technical Engineering, Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430071,China)

Soil-rock mixture is usually the main material for reservoir slope,landslide and dam foundation.The physical and mechanical properties of soil-rock mixture are more complicated than common soil mass or rock mass, which is a difficult problem for researchers in the fields of rock mechanics,soil mechanics and geological engineering.In order to study the effect of gravel on uniaxial compressive strength and the mode of deformation failure of soil-rock mixture,we carried out unconfined uniaxial compression test by making mixture with certain rock block proportion.Combined with numerical method,the effect of spatial distribution of gravel on mixture's overall strength was analyzed.The results show that,rock block proportion and spatial distribution of gravel have significant impact on uniaxial compressive strength and characteristics of deformation failure in soil-rock mixture.Uniaxial compressive strength declines with the increase of rock block proportion,at the same time,failure mode changes from single-crack failure to multi-crack failure,and time of propagation and coalescence of cracks increases.

soil-rock mixture；gravel content；gravel distribution；failure mode；uniaxial compressive strength

TU443

A

1001-5485(2015)11-0055-07

10.11988/ckyyb.20140465

2014-06-06；

2014-10-30

胡 偉(1987-),男,湖北應城人,博士研究生,主要從事巖土工程試驗測試及理論研究,(電話)15807187905(電子信箱) 827034782@qq.com。