土石混填體變形力學(xué)特性大型三軸試驗(yàn)研究

曹文貴　黃文健　王江營(yíng)　翟友成

摘 要：為了進(jìn)一步研究土石混填體的變形力學(xué)特性，全面考慮含水量、含石量、巖性及土性等因素的影響作用，采用YS30-3型應(yīng)力路徑三軸剪切試驗(yàn)機(jī)，基于正交試驗(yàn)方法進(jìn)行了一系列土石混填體大型三軸壓縮研究.試驗(yàn)結(jié)果表明，在三軸受力條件下，土石混填體在低圍壓下的應(yīng)變軟化特征不明顯，試樣的粘聚力普遍較低而內(nèi)摩擦角則比較高，且內(nèi)摩擦角更容易受其他因素的影響而發(fā)生顯著變化.含石量對(duì)土石混填體的抗剪強(qiáng)度影響程度最大，隨試樣中的含石量從25%增加到70%，其內(nèi)摩擦角從34.54°近似線性增長(zhǎng)至46.39°.含石量和圍壓分別是影響土石混填體體變特性最主要的內(nèi)因和外因，即在含水率、巖性、土性相同的情況下，含石量越低試樣高壓剪縮性越明顯，含石量越高其低壓剪脹性越明顯.

關(guān)鍵詞：土石混填體；正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)；大型三軸試驗(yàn)；含石量；剪切強(qiáng)度；體變特性

中圖分類號(hào)：TU411.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-2974（2016）03-0142-07

山區(qū)進(jìn)行大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)時(shí)，出于保護(hù)環(huán)境和節(jié)約投資的需要，土石混填體被廣泛應(yīng)用于地基和路基填筑[1-2].然而，土石混填體由于顆粒粒徑變化較大且難以控制，致使其變形力學(xué)性質(zhì)較為復(fù)雜，從而造成施工困難、施工質(zhì)量難以保證，甚至可能引發(fā)工程事故.因此，更加系統(tǒng)深入地研究土石混填體變形力學(xué)特性已成為了中國(guó)西南山區(qū)基礎(chǔ)建設(shè)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一，具有重要的理論與工程實(shí)際意義.

目前，對(duì)于土石混填體比較常用的試驗(yàn)方法有大型直剪試驗(yàn).油新華等[3]、Li等[4]、Xu等[5]通過(guò)開(kāi)展一系列原位水平推剪對(duì)土石混填體的強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究，初步掌握了土石混填體的承載機(jī)理與破壞模式，但是原位試驗(yàn)具有工作量大、操作復(fù)雜、精度有限、現(xiàn)場(chǎng)條件不易控制等缺點(diǎn)，致使有關(guān)成果無(wú)法進(jìn)一步推廣應(yīng)用.為此，董云[6]、王江營(yíng)等[7]先后在室內(nèi)采用大型直剪儀對(duì)土石混填體進(jìn)行了更為全面深入的試驗(yàn)研究，有關(guān)研究結(jié)果揭示了含石量、含水量以及干密度等因素對(duì)土石混填體抗剪強(qiáng)度、直剪變形特性等方面的影響，王江營(yíng)等[7]還得到了土石混填體在不同水作用條件下完整的剪切變形特征曲線，這些試驗(yàn)成果可更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐以及有關(guān)理論研究.

然而，在大型直剪試驗(yàn)中土石混填體的受力不均勻現(xiàn)象比較嚴(yán)重，試樣的破壞面被人為限定在了上下剪切盒之間，且無(wú)法掌握試樣的體變特征.相比之下，通過(guò)開(kāi)展大型三軸剪切試驗(yàn)可更加合理、全面地對(duì)土石混填體的變形力學(xué)特性進(jìn)行研究.因此，武明[8]、柴賀軍等[9]、周勇等[10]、高春玉[11]采用大型三軸儀對(duì)土石混填體進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了在三軸條件下含石量、干密度、巖性等因素對(duì)土石混填體的抗剪強(qiáng)度及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的影響.但是，已有的土石混填體大型三軸試驗(yàn)多數(shù)只考慮某一兩個(gè)因素的影響，試驗(yàn)不夠全面，所得到的結(jié)果可能存在一定片面性；此外，在上述試驗(yàn)中均未重點(diǎn)對(duì)土石混填體的體變特性進(jìn)行研究，這對(duì)其工程應(yīng)用、理論計(jì)算及本構(gòu)模型研究均會(huì)造成影響.

由上述可知，已有的研究尚存在一定的不足，因此，需要開(kāi)展更為全面的大型三軸試驗(yàn)，綜合考慮含水量、含石量、巖性和土性等因素對(duì)土石混填體抗剪強(qiáng)度、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系以及體變特征的影響，以充分掌握其變形力學(xué)特性，為相關(guān)的理論研究和工程實(shí)踐提供一定參考和依據(jù)，而這便正是本文試驗(yàn)研究的出發(fā)點(diǎn)與核心內(nèi)容.

1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

1.1 主要試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備：搖篩機(jī)、臺(tái)秤、噴壺、對(duì)開(kāi)制樣筒、乳膠膜和YS30-3型應(yīng)力路徑大型三軸剪切試驗(yàn)儀，其中試樣直徑300 mm，高600 mm.

1.2 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

由土石混填體定義及已有的研究成果可知，含水量、含石量、巖性、土性等因素均會(huì)對(duì)土石混填體的變形力學(xué)特性產(chǎn)生影響，因此，本文在試驗(yàn)中將綜合考慮這4個(gè)因素，各個(gè)因素的水平設(shè)定具體如下.

1）巖性與土性.由于實(shí)際工程中土石混填體在受外荷載作用下巖石不可能發(fā)生破壞，故本文不從母巖強(qiáng)度方面來(lái)考慮巖性，而從巖石的顆粒形狀來(lái)考慮巖性.土性則參照土力學(xué)教材中土的分類，即粘性土和無(wú)粘性土.為了達(dá)到參照和對(duì)比的目的，本文采用與文獻(xiàn)[7]中相同的巖性和土性，即土料分別為無(wú)黏性砂土（土性Ⅰ）和南方地區(qū)比較常見(jiàn)的紅粘土（土性Ⅱ）；石料分別為磨圓度較好的圓礫（巖性Ⅰ，飽和單軸抗壓強(qiáng)度Rc=34.1 MPa）和由山體破碎而成的角礫（巖性Ⅱ，飽和單軸抗壓強(qiáng)度Rc=47.5 MPa）.

2）含水量.根據(jù)文獻(xiàn)[7]中重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果可知，土石混填體的最優(yōu)含水量wop大致為4%～7%，為了反映水對(duì)土石混填體變形力學(xué)特性的影響，本文在試驗(yàn)中同樣考慮4種不同的含水量：0（不含水），4%，7%，飽和.

3）含石量及相應(yīng)的級(jí)配組成.已有的土石混填體工程實(shí)踐和理論研究中，大多是取5 mm作為土石分界粒徑，因此，本文在試驗(yàn)中亦采用該標(biāo)準(zhǔn)，共設(shè)定了4種含石量：25%，40%，55%和70%.考慮到試樣直徑D可達(dá)300 mm，試驗(yàn)中通常要求D/dmax≥5，所以石料的最大粒徑dmax可取60 mm.圖1為不同含石量土石混填體顆粒級(jí)配曲線.

2 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)過(guò)程

2.1 正交試驗(yàn)方案的建立

由1.2節(jié)可知，本文擬對(duì)含水量和含石量各取4個(gè)水平，對(duì)土性和巖性各取2個(gè)水平，如果在試驗(yàn)中同時(shí)考慮這些因素進(jìn)行全面試驗(yàn)的話，則共有42×22=64種組合（試樣），每種試樣分別在4級(jí)不同圍壓下進(jìn)行剪切，即應(yīng)制作256個(gè)試樣進(jìn)行試驗(yàn).對(duì)于大型三軸試驗(yàn)而言，這不僅需要投入大量的時(shí)間、人力及物力，而且效率非常低下.因此，亟需一種科學(xué)合理的方法來(lái)建立出更為高效的試驗(yàn)方案，而正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)[12]便是用于多因素、多水平的一種方法，它是按照一定數(shù)學(xué)規(guī)律從全面試驗(yàn)中選取部分有代表性的方案進(jìn)行試驗(yàn)，這些點(diǎn)具有“均勻分散”與“整齊可靠”的特性，有著很高的效率，同時(shí)也非常便于對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析.

鑒于此，本文采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的思想來(lái)建立土石混填體大型三軸試驗(yàn)方案，表2為本文所考慮的試驗(yàn)因素及相應(yīng)的水平.

由表2可知，根據(jù)正交表選擇方法，應(yīng)采用L16（42×29），于是便建立了具體的試驗(yàn)方案，如表3所示，共有16種組合，為全面試驗(yàn)（64種）的1/4，可顯著減少工作量.

2.2 土石混填體大型三軸試驗(yàn)過(guò)程

1）試樣制作與安裝.根據(jù)表3中的每一種方案組成以及圖1中的級(jí)配曲線，準(zhǔn)備不同粒徑的土石料，將土石料均勻拌和，然后按質(zhì)量分成6等分，分層裝入制樣桶內(nèi)并擊實(shí)，試樣壓實(shí)度控制在92%左右.制樣結(jié)束后，將試樣外層的橡皮膜套在試樣帽上，并用橡皮筋扎緊，將試樣帽上的管道與真空泵連接.打開(kāi)真空機(jī)從試樣頂部抽氣，利用負(fù)壓，拆除制樣桶.將底座清理干凈，安裝壓力室.

2）試樣飽和與固結(jié).對(duì)于需要進(jìn)行飽和的試樣，采用“水頭壓力+抽真空”的方式使其飽和，當(dāng)試樣飽和度≥95%后，把圍壓調(diào)整到預(yù)設(shè)值，打開(kāi)排水閥，試樣開(kāi)始固結(jié)，孔隙水壓力逐漸消散，當(dāng)排水量與時(shí)間的關(guān)系曲線逐漸趨于水平，且孔隙水壓力已經(jīng)消散基本不再變化時(shí)，可認(rèn)為試樣已完成固結(jié).

3）試樣剪切.每組試樣均在剪力分別為200，400，600及800 kPa下進(jìn)行剪切，剪切過(guò)程采用應(yīng)變控制，剪切速率設(shè)為1 mm/min，當(dāng)出現(xiàn)穩(wěn)定的殘余應(yīng)力或豎向應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)，停止試驗(yàn).圖2為土石混填體試樣經(jīng)三軸試驗(yàn)破壞后典型的照片，從中可以看出，試樣破壞后中間部位鼓脹比較明顯.

3 試驗(yàn)成果整理與分析

3.1 土石混填體剪切強(qiáng)度指標(biāo)

根據(jù)每種試樣在不同圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線便可求得其到相應(yīng)的剪切強(qiáng)度指標(biāo)，不同方案下土石混填體的粘聚力c與內(nèi)摩擦角φ如表4所示.

由表4可知，土石混填體在三軸試驗(yàn)條件下其內(nèi)摩擦角普遍較高，而粘聚力相對(duì)較低，這種現(xiàn)象與采用相同土石料的文獻(xiàn)[7]中直剪試驗(yàn)的結(jié)果是一致的，即土石混填體的抗剪強(qiáng)度主要源于不同粒徑顆粒之間的相互嵌入、咬合及摩擦等效應(yīng).但是，表4中的c和φ值卻明顯高于文獻(xiàn)[7]中c1和φ1，這可能由以下幾方面原因引起：

1）試樣的最大粒徑不同.大型三軸試驗(yàn)中試樣的最大粒徑dmax=60 mm，而在文獻(xiàn)[7]中由于剪切盒的限制dmax=40 mm，柴賀軍等[9]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，顆粒最大粒徑對(duì)土石混填體的抗剪強(qiáng)度特性及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系均存在一定的影響；

2）試驗(yàn)條件不同.大型三軸試驗(yàn)由于配有專門(mén)的制樣筒，試樣壓實(shí)度達(dá)到了約92%，且圍壓σ3在200～800 kPa之間；直剪試驗(yàn)中試樣的壓實(shí)度約為90%，而且由于儀器限制其最大法向應(yīng)力σn只有300 kPa；

3）試驗(yàn)方法不同.三軸試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)的原理是不一樣的，這在一定程度上也會(huì)造成所求得的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)不盡相同.

3.2 各個(gè)因素對(duì)土石混填體抗剪強(qiáng)度的影響

通過(guò)對(duì)表4中試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c和φ值進(jìn)行分析可知：當(dāng)試樣不含水時(shí)，其粘聚力并不為零，這表明在外界壓力作用下顆粒之間存在一定的咬合粘聚力；隨著試樣含水量或含石量等參數(shù)的改變，其粘聚力亦會(huì)隨之有所變化，但是考慮到粘聚力變化的“絕對(duì)值”很低，且規(guī)律性不明顯.考慮到試樣的抗剪強(qiáng)度主要源于內(nèi)摩擦角，因此，接下來(lái)將各個(gè)因素對(duì)土石混填體的內(nèi)摩擦角有何影響展開(kāi)具體的分析.

根據(jù)表4中的結(jié)果，參照正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理方法，可求得各個(gè)因素在不同水平下的內(nèi)摩擦角平均值（Ⅰ，Ⅱ，…，Ⅳ），以及相應(yīng)的極差R，由于各因素的水平數(shù)不相同，需對(duì)極差R進(jìn)行修正，R′即為修正后的結(jié)果，具體如表5所示.

由表5中修正后的極差R′值大小可知，大型三軸試驗(yàn)中各個(gè)因素對(duì)土石混填體內(nèi)摩擦角影響的主次順序是：含石量→含水量→巖性→土性.同時(shí)，為了更加直觀地了解各個(gè)因素的影響趨勢(shì)，根據(jù)表5畫(huà)出各因素與試樣內(nèi)摩擦角平均值的關(guān)系圖，如圖3所示，于是可知：

1）不同因素對(duì)土石混填體的內(nèi)摩擦角的影響趨勢(shì)存在較大的差別，含石量同樣是最主要的影響因素，隨含石量從25%增加到70%，其內(nèi)摩擦角近似呈線性增長(zhǎng)，內(nèi)摩擦角增量Δφ與含石量P5之間的關(guān)系可大致表示為：

2）隨試樣的飽和度從0變?yōu)?，其內(nèi)摩擦角首先略有升高然后又有較大幅度的降低，而飽和后試樣的內(nèi)摩擦角最大降低約13%.

3）角礫試樣的內(nèi)摩擦角普遍大于圓礫試樣；無(wú)黏性土下試樣的內(nèi)摩擦角雖然略高于黏性土，但這兩個(gè)因素的影響程度均非常有限.

3.3 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線特征分析

通過(guò)對(duì)土石混填體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線進(jìn)行歸納分析后發(fā)現(xiàn)，在三軸試驗(yàn)條件下，即使試樣的組成或試驗(yàn)條件存在較大差別，但它們變形關(guān)系曲線之間的差異性卻沒(méi)有直剪試驗(yàn)條件下那么顯著，圖4為3組具有代表性的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，對(duì)其分析后可知：

1）當(dāng)試樣處于低圍壓（σ3=200 kPa）下時(shí)，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線在峰值之后呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化的趨勢(shì)，強(qiáng)度略有降低，但不是很明顯，這表明土石混填體具有在峰后依然能承受較大荷載作用的強(qiáng)度特性.

2）當(dāng)試樣的圍壓逐漸增加到800 kPa后，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線不再具有應(yīng)變軟化的趨勢(shì)，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變硬化的特征，但是強(qiáng)度同樣增加得非常緩慢.不過(guò)可以預(yù)測(cè)，如果圍壓進(jìn)一步增大（如σ3=2 MPa），那么土石混填體的應(yīng)變硬化特性將會(huì)變得更為顯著.

3）在其他因素相同時(shí)，相同圍壓下，試樣的含石量越高其變形模量便會(huì)越大，且隨軸向應(yīng)變e1的發(fā)展，亦會(huì)較快地由線彈性變形階段進(jìn)入到彈塑性變形階段.可見(jiàn)，含石量不僅對(duì)土石混填體的強(qiáng)度特性存在較大影響，同樣還會(huì)影響其變形特性.

2）隨著試樣中的含石量由25%（試樣a）增加到70%（試樣c），當(dāng)σ3=200 kPa時(shí)，試樣雖然都表現(xiàn)出剪脹性，但試樣a的體變約為1.5%，而試樣c的體變則接近3%，且體變速率高于試樣a；當(dāng) σ3=400～600 kPa時(shí)，試樣c在ε1超過(guò)5%之后體變均出現(xiàn)了明顯的負(fù)增長(zhǎng)，而試樣a僅在σ3=400 kPa時(shí)才有這種現(xiàn)象，且負(fù)增長(zhǎng)的速率略低于試樣c；當(dāng)σ3=800 kPa時(shí)，試樣雖然都表現(xiàn)出剪縮性，但試樣c的剪縮量及體變速率均小于試樣a.

可知，試樣含石量越高，其低壓剪脹性越明顯；而含石量越低，則高壓剪縮性更為顯著.

土石混填體在圍壓和含石量影響下，之所以會(huì)表現(xiàn)出上述特性，是因?yàn)樵谠囼?yàn)初始階段試樣內(nèi)部的石料仍未完全接觸，在圍壓作用下試樣體積減小使石料逐漸充分接觸，其強(qiáng)度特性亦隨之發(fā)揮出來(lái)；而隨著剪切繼續(xù)進(jìn)行，粗顆粒需要相互跨越、翻轉(zhuǎn)，于是便會(huì)造成試樣體積膨脹，當(dāng)圍壓較低時(shí)難以有效約束這種膨脹性，故表現(xiàn)為低壓剪脹高壓剪縮.

當(dāng)試樣中含石量增加后，會(huì)顯著提高粗顆粒之間相互接觸的概率，更利于土石混填體結(jié)構(gòu)性的發(fā)揮，其低壓剪脹性也因此而更加顯著；如果含石比較低，那么在剪切過(guò)程中粗顆粒相互跨越或翻轉(zhuǎn)的情況將會(huì)減少，隨細(xì)顆粒發(fā)生整體移動(dòng)的情況會(huì)有所增加，故其剪脹性會(huì)被削弱，剪縮性則變得更為明顯.相比之下，含水量、巖性與土性等因素對(duì)試樣的體變特性影響大不.

4 結(jié) 論

本文通過(guò)進(jìn)行土石混填體大型三軸試驗(yàn)，綜合考慮了含水量、含石量、巖性與土性等因素對(duì)其變形力學(xué)特性的影響，得到如下結(jié)論：

1）此次試驗(yàn)中試樣存在一定的咬合粘聚力，但是其粘聚力普遍較低，在其他因素影響下變化幅度不大且規(guī)律性不明顯；而試樣的內(nèi)摩擦角則相對(duì)比較高，且含水量和含石量對(duì)其有較大影響.即土石混填體的強(qiáng)度特性與其所處環(huán)境、級(jí)配組成等因素密切相關(guān).

2）不同因素對(duì)土石混填體的抗剪強(qiáng)度有著不同的影響：含石量是影響程度最大的一個(gè)因素，試樣的內(nèi)摩擦角和變形模量均會(huì)隨含石量的增加而顯著增加；隨試樣的飽和度由0增加到1，其內(nèi)摩擦角會(huì)先略有增加然后又明顯降低；而巖性和土性對(duì)土石混填體的強(qiáng)度特性影響不大.

3）根據(jù)試樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線可知，其應(yīng)變軟化特性不明顯，這表明土石混填體在峰值之后依然能承受較大的荷載作用.

4）土石混填體具有低壓剪脹性和高壓剪縮性，含石量和圍壓是影響其體變特性的主要因素；試樣中含石量越高，其低壓剪脹性越明顯，而含石量越低，則高壓剪縮性更為顯著.

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