含石量對(duì)土石混合料剪切特性的影響

蔣 鵬

(合肥市市政設(shè)計(jì)院有限公司,安徽 合肥 230041)

含石量對(duì)土石混合料剪切特性的影響

蔣 鵬

(合肥市市政設(shè)計(jì)院有限公司,安徽 合肥 230041)

土石混合料作為路基填料的重要組成部分，其力學(xué)特性直接關(guān)系道路能否安全使用。為此，采用離散元方法對(duì)土石混合料的剪切特性進(jìn)行研究，分析在不同含石量不同圍壓情況下，土石混合料的抗剪強(qiáng)度及剪脹性。結(jié)果表明：隨著含石量的增加，土石混合料的抗剪強(qiáng)度在增加，剪脹性增強(qiáng)。

含石量；土石混合料；離散元；抗剪強(qiáng)度

土石混合料是由粒徑較小的土和塊徑相對(duì)較大的石組成，它們是在路基挖方或巖體爆破過(guò)程中產(chǎn)生的一種混合料[1-2]。作為就地取材的一種路基填料，它的力學(xué)特性直接關(guān)系著道路的安全性能，故有很多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行研究和探討，如賈學(xué)明、柴賀軍等通過(guò)室內(nèi)三軸試驗(yàn)和相關(guān)數(shù)值模擬對(duì)土石混合料的抗剪強(qiáng)度和路用性能進(jìn)行研究和評(píng)價(jià)[3-4]；董云、徐文杰等通過(guò)工程實(shí)踐和室外大型試驗(yàn)對(duì)土石混合料的力學(xué)性能進(jìn)行探討，并得出許多有益結(jié)論[5-7]。

土石混合料中的石塊作為土石混合料的“骨架”，其含量直接關(guān)系著土石混合料的抗剪強(qiáng)度的大小，影響路基的穩(wěn)定性能。為此，本文采用基于離散元的PFC軟件建立雙軸試驗(yàn)對(duì)土石混合料中含石量對(duì)土石混合料力學(xué)性能的影響進(jìn)行探討和分析，希望對(duì)土石混合料在路基中的應(yīng)用提供一些有益結(jié)論。

1 模型介紹

1.1 土石混合料選取

現(xiàn)實(shí)中大部分的土石混合料均為不規(guī)則的形狀，在本試驗(yàn)的過(guò)程中為了進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算和考慮到計(jì)算機(jī)的性能，參考賈學(xué)明、趙金鳳等[8-9]人的研究思路，本文將土體和石塊體均簡(jiǎn)化成不同粒徑的圓球。本次土石混合料式樣取自某一級(jí)公路工地，根據(jù)武明等[10]人的研究思路，把顆粒直徑10 mm作為土、石粒料的分界線，通過(guò)篩選分別得土和石(其級(jí)配情況見(jiàn)表1)，土、石各自的微觀參數(shù)(見(jiàn)表2)，通過(guò)室內(nèi)土工試驗(yàn)和與之相對(duì)應(yīng)的PFC細(xì)觀試驗(yàn)的標(biāo)定進(jìn)行確定，采用不同含石量的土石混合料來(lái)進(jìn)行PFC雙軸剪切試驗(yàn)。

表1 土石混合料不同粒徑質(zhì)量百分比

表2 土石混合料參數(shù)

1.2 土石混合料的離散元雙軸

由于現(xiàn)實(shí)條件下的雙軸剪切試驗(yàn)的操作比較復(fù)雜，對(duì)儀器設(shè)備要求較高，且受外界因素影響顯著，故本文選用基于離散元的雙軸試驗(yàn)?zāi)M手段，它克服了傳統(tǒng)物理試驗(yàn)的繁瑣操作和較高的不成功率，同時(shí)相對(duì)于其他模擬軟件，它可以更真實(shí)地還原土石混合料本來(lái)的物理性質(zhì)。本文采用的離散元軟件為PFC2d，本文選取的土石混合料為砂性材料，探討試件在10 kPa、15 kPa、20 kPa圍壓下，不同含石量的土石混合料的雙軸試驗(yàn)，其模型見(jiàn)圖1。

圖1 不同含石量下土石混合料雙軸模型

2 結(jié)果分析

2.1 不同含石量土石混合料的抗剪強(qiáng)度分析

抗剪強(qiáng)度作為土石混合料力學(xué)性能的重要指標(biāo)，對(duì)應(yīng)用于路基填料具有重要的參考作用。如圖2所示，為不同含石量的土石混合料在不同伺服圍壓下的軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線。

圖2 不同含石量的土石混合料的抗剪強(qiáng)度圖

從圖2可知，在不同的圍壓作用下，土石混合料均表現(xiàn)出：隨著含石量的增加，土石混合料的抗剪強(qiáng)度均呈現(xiàn)增強(qiáng)的趨勢(shì)；同時(shí)，在含石量P>20%時(shí)，土石混合料的抗剪強(qiáng)度增加速率比含石量P<20%的增長(zhǎng)速率要大，高含石量(P>40%)可以更快地達(dá)到抗剪極值。

當(dāng)應(yīng)用于路基填料，可以預(yù)見(jiàn)高含石量的土石混合料可以更快達(dá)到壓實(shí)穩(wěn)定度。

2.2 不同含石量土石混合料的剪脹性分析

剪脹性是土石混合料的另一重要特性，如圖3所示為不同含石量的土石混合料在不同圍壓的剪脹分析圖。

圖3 不同含石量的土石混合料的剪脹圖

從圖3可知，不同含石量的土石混合料均呈現(xiàn)一定程度的剪脹性。

在同一圍壓下，土石混合料的剪脹性隨著含石量的增加而增大。在含石量P<20%時(shí)的土石混合料，先經(jīng)歷較為明顯的剪縮后才開(kāi)始進(jìn)入剪脹階段，在含石量較高時(shí)(P>80%)，土石混合料的剪脹性增長(zhǎng)趨于穩(wěn)定。同時(shí)隨著伺服圍壓的增大，土石混合料的剪脹性在降低。

3 結(jié)束語(yǔ)

(1) 通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，確定不同土石混合料的百分比，然后通過(guò)宏微觀的標(biāo)定，確定不同土石混合料的微觀參數(shù)。

(2) 通過(guò)不同含石量的土石混合料的雙軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著含石量的增加，土石混合料的抗剪強(qiáng)度在增強(qiáng)，且高含石量的土石混合料可以更快地達(dá)到抗剪極值。

(3) 通過(guò)不同含石量的土石混合料的雙軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：不同含石量的土石混合料均有一定程度的剪脹性，且隨著含石量的增大而增大。

[1] 曹光栩,徐 明,宋二祥.土石混合料的力學(xué)特性[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,38(11):32～39.

[2] 王 平.機(jī)場(chǎng)大型土石方壓實(shí)技術(shù)分析與研究[D].重慶：重慶交通大學(xué), 2008.

[3] 賈學(xué)明.無(wú)粘性土石混合料力學(xué)性質(zhì)的細(xì)觀模擬研究[D].北京：中國(guó)科學(xué)院研究生院, 2012.

[4] 柴賀軍,陳謙應(yīng),孔祥臣.土石混填路基修筑技術(shù)研究綜述[J].巖土力學(xué),2004,25(6):1005～1010.

[5] 董 云.土石混合料強(qiáng)度特性的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué), 2007, 28(6):1269～1274.

[6] 徐文杰,胡瑞林,譚儒蛟.虎跳峽龍?bào)从野锻潦旌象w野外試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(6):1270～1277.

[7] 徐文杰,胡瑞林.循環(huán)荷載下土石混合體力學(xué)特性野外試驗(yàn)研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2008,16(1):63～69.

[8] 賈學(xué)明,柴賀軍,鄭穎人.土石混合料大型直剪試驗(yàn)的顆粒離散元細(xì)觀力學(xué)模擬研究[J].巖土力學(xué),2010,31(9):2695～2703.

[9] 趙金鳳,嚴(yán) 穎,季順迎.基于離散元模型的土石混合體直剪試驗(yàn)分析[J].固體力學(xué)學(xué)報(bào),2014(2):124～134.

[10] 武 明.土石混合非均質(zhì)填料力學(xué)特性試驗(yàn)研究[J].公路, 1997(1):40～42.

2016-03-21；修改日期：2016-06-21

蔣 鵬(1983-)，男，安徽臨泉人，碩士，合肥市市政設(shè)計(jì)院有限公司工程師．

U416.11

A

1673-5781(2016)04-0442-03