顆粒級配對邊坡填筑料力學參數(shù)的影響研究

彭遠新

【摘要】普通現(xiàn)有填筑料提供的邊坡填筑體的力學強度，難以滿足高邊坡工程的需求。本文探討顆粒級配對邊坡填筑料的影響，并利用三軸試驗確定其力學參數(shù)。結果表明：顆粒級配會影響填筑料的力學參數(shù)；利用縮尺的方法可以確定顆粒級配，最終確定的煤矸石室內(nèi)試驗控制密度為1.87 g/cm3；同時三軸試驗結果得出煤矸石填料本身的強度值。

【關鍵詞】顆粒級配；邊坡；縮尺

【Abstract】The mechanical strength of slope filling existing body of common filling material provided， it is difficult to meet the demand for high-Slope. This paper discusses the influence of particle size matching the slope of the filling material， and the use of triaxial tests to determine the mechanical parameters. The results show that： the particle size distribution can affect the mechanical parameters of filling materials； reduced scale use of methods to determine particle size distribution， definitive laboratory test control gangue density of 1.87 g / cm3； simultaneous triaxial test results obtained gangue filler itself intensity values.

【Key words】Particle size distribution；Slope；Reduced scale

1. 引言

（1）擋墻實際施工中填筑料主要有三種，即：煤矸石、灰?guī)r和風化土。而煤矸石用量最大，是主要填土，屬于粗粒土范疇。煤矸石層分布廣泛，儲量較大，巖層破碎嚴重，巖石強度低，軟化系數(shù)較小，遇水和在碾壓過程中極易破碎，用挖掘機即可進行料場開挖。

（2）但對于粗粒土填筑材料而言，顆粒的級配組成對其填筑密度、強度與變形特性有較大的影響，是進行試驗的基本參數(shù)，必須首先選擇[1～5]。同時粗粒土三軸試驗中，試樣的直徑為300 mm，而施工中粗粒土最大粒徑一般超過了300 mm，因此需要探索級配等效縮減的方法。本文以具體工程需要的填筑料力學參數(shù)為研究內(nèi)容，探討級配等因素的影響。

2. 原始級配的影響

（1）實際填筑過程中填料級配檢測曲線見圖1所示，將該族曲線的平均線作為填筑料試樣的原始級配曲線，見圖2。相應的顆粒分布見表1所示。

（2）從表1中可以看出，煤矸石的原始級配最大粒徑為300 mm，小于4.75 mm的顆粒粒徑為14.55%。而三軸試驗儀器直徑為300 mm，一般允許土料的最大粒徑應該小于試樣直徑的1/5～1/6，也就是說，試驗級配最大粒徑不能大于60 mm，因此需要按照規(guī)范的要求對原始級配進行縮尺得到試驗級配。

3. 縮尺方法和試驗級配的確定

（1）縮尺的方法一般根據(jù)粒徑的組成按照剔除法、等重量代替法和相似級配法進行。剔除法一般適用于超粒徑含量小于5%的情況，等重量代替法一般適用于超徑含量小于30%的情況，而相似級配法一般適用于細粒含量較小，縮尺后不會造成細粒含量增大較大的情況。煤矸石填筑料的原始級配的超徑（大于60mm）含量小于40%，依據(jù)規(guī)范用等重量代替法較為合適。因此，采用等重量代替法進行試驗級配縮尺。縮尺后的試驗試樣顆粒組成見表2，其試驗級配曲線見圖3。

（2）同時填筑干密度也是進行強度試驗的重要基本參數(shù)，其值對土體強度影響較大，需要慎重確定。

4. 試驗密度的確定

4.1粗粒土與細粒土不同，其顆粒組成變化較大。顆粒組成不同，其性能差別甚大。在我國，一般又將粒徑為5 mm（也可以是4.75 mm）作為分界粒徑，將小于5 mm的顆粒成為細料，大于5 mm的顆粒成為粗料，其含量用P5表示。也就是將粗粒土分為細料和粗料兩部分。大量研究表明：粗料形成骨架，細料充填孔隙，充填的越好，土體密度越大，強度愈高。石頭河水庫等幾種典型的粗粒土填料的粗粒含量（即：大于5 mm顆粒含量占總重量的百分比，用P5表示）與干密度實測資料如圖4所示：

4.2圖中P5表示了粗料含量的大小，其值越大說明粗料含量越大，細料含量越?。黄渲翟叫≌f明粗料含量越小，而細料含量越大。

4.3從圖中可以看出，在粗粒含量小于30%時，細料占絕大多數(shù)，粗粒顆粒被細料包圍不起控制作用，粗料含量增大對土體干密度影響較??；在粗料含量在30%～70%時，土體的干密度隨著粗料含量的增大而增大，其原因是：粗粒顆粒粒徑大，個數(shù)少，用之代替同重量的個數(shù)多、比表面積大很多的細粒土，勢必造成單位體積的土體重量增加；當粗料含量等于70%時，土體的干密度達到最大，其原因是粗粒形成的骨架被細粒土完全充填致使土體干密度達到最大；當粗料含量達到70%以后，土體的干密度隨著粗料含量的增大而減小，其原因是粗粒形成的骨架不能再被細粒土充滿，致使土體干密度減小。以上分析表明：粗粒含量30%和70%是兩個重要的界限，是衡量粗粒土性質的重要界限指標。

4.4對于本工程而言，煤矸石填筑料其粗粒含量均在85%以上，其細粒土無法填充粗粒形成的骨架，其干密度將隨著粗粒含量的增加而減小。在用等重量替代法由原始級配確定試驗級配的過程中，雖然粗粒含量不會改變，但是相當于將顆粒較大、個數(shù)較少的料用顆粒較小、個數(shù)較多的較細的料進行代替，勢必增加土體顆粒的比表面積，也就是增大了土體的體積。又對于煤矸石料而言，其本身的強度較小，在碾壓的過程中極易破碎，因此，試驗干密度選擇時不能簡單按照實測干密度確定，而應該進行論證分析，綜合確定試樣的干密度。

4.5根據(jù)現(xiàn)場密度檢測結果：“煤矸石最大密度在2.15～2.36 g/cm3之間，2.15 g/cm3左右偏多，強風化和中風化土石最大干密度在1.95～1.98 g/cm3之間”。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，初步確定煤矸石的制樣密度為2.15 g/cm3。在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，煤矸石按此密度無法達到，采用極大的擊實功能均不能達到制樣密度，最后在試樣制樣破碎極大的情況下才勉強達到制樣密度。

4.6鑒于以上原因，我們采用比重試驗、最大密度試驗等多種試驗隊現(xiàn)場實測密度進行了驗證如下：

4.6.1顆粒視比重試驗。

（1）土的顆粒視比重是土在105～110℃下烘至恒值時的質量與土粒同體積4℃純水質量的比值。

（2）試驗中灰?guī)r和煤矸石用虹吸筒法進行，強風化和中風化土石對于5.0 mm以上用虹吸筒法，小于5.0 mm的顆粒用比重瓶法進行，按加權平均計算其顆粒比重。經(jīng)試驗，煤矸石樣品的顆粒比重為2.61。

（3）按此比重值，根據(jù)提供的密度計算其孔隙率分別為煤矸石：9.6～17.6（對應的干密度為2.36 ～ 2.15 g/cm3）。

（4）從以上的孔隙率結果看，煤矸石的孔隙率明顯偏小，該孔隙率對現(xiàn)場原型級配碾壓可能容易達到，但對于級配縮尺后的試樣，由于級配縮尺使顆粒組成均勻化，要達到該密度比較困難，因此室內(nèi)對煤矸石在進行了如下試驗。

4.6.2最大干密度試驗。

（1）本次試驗選擇的試樣筒直徑為30 cm，高度為40 cm；加重物的總壓力為18 KPa，振動臺頻率為40～60 Hz，振幅為0～2 mm，滿足規(guī)程JTG E40-2007要求。

（2）試驗中試樣分三層添加，三次振動，每次振動8min，經(jīng)試驗不同最大粒徑下土樣的最大干密度見表3：

（3）因而煤矸石級配模擬后干密度要達到2.00 g/cm3比較困難，要達到2.10 g/cm3更加困難，所以初期確定的2.15 g/cm3的試驗密度是不合理的，即使室內(nèi)試樣的密度達到該值，其顆粒組成變化太大，試樣破碎率太大，做出的力學結果偏差也大。而實際填料的設計要求為：“每施工層填筑高度40cm，32KJ碾壓≥8遍，壓實度≥95%，固體體積率≥83%”。按照這個要求并參照相關資料，考慮到現(xiàn)場干密度實測資料有偏大的可能，并從偏于安全的角度考慮，確定煤矸石的室內(nèi)試驗控制干密度按室內(nèi)試驗結果最大干密度的95%控制，即1.97×0.95=1.87g/cm3。

（4）最終確定的室內(nèi)試驗控制密度為：煤矸石1.87 g/cm3，這樣控制得到的強度指標偏于安全，對工程安全有利。

5. 三軸試驗結果

（1）三軸壓縮試驗是測定土的抗剪強度的一種常用方法，通常用幾個圓柱形試樣，分別在不同的恒定周圍壓力下，施加軸向壓力，進行壓縮直至破壞；然后材料強度分別按摩爾·庫侖強度公式求得抗剪強度參數(shù)和材料本構模型參數(shù)，為應力、應變計算提供依據(jù)。

（2）根據(jù)工程的實際情況，確定本次三軸壓縮采用飽和固結排水剪，周圍壓力分級按0.1 MPa、0.2 MPa、0.4 MPa、0.8 MPa。試驗采用大型三軸壓縮儀進行，試樣直徑為300 mm，試樣高度為600 mm。具體試驗結果如圖5、6與表4。

6. 結論

通過文中分析可以看出，顆粒級配會影響填筑料的力學參數(shù)；文中利用縮尺的方法確定顆粒級配，最終確定的煤矸石室內(nèi)試驗控制密度為1.87 g/cm3；同時三軸試驗結果得出煤矸石填料本身的強度值為c=165.0 KPa，φ=37.8o。

參考文獻

[1]艾長發(fā)，彭浩，胡超，等. 機制砂級配對混凝土性能的影響規(guī)律與作用效應[J]. 混凝土，2013，01：73～76.

[2]趙婷婷，周偉，常曉林，等. 堆石料縮尺方法的分形特性及縮尺效應研究[J]. 巖土力學，2015，04：1093～1101.

[3]彭家惠，張建新，彭志輝，等. 磷石膏顆粒級配、結構與性能研究[J]. 武漢理工大學學報，2001，01：6～11.

[4]高成雷，嚴戰(zhàn)友，李建軍，等. 顆粒級配對無粘性土壓實性的影響分析[J]. 武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2016，02：227～232.

[5]侯再恩，張可村. 堆積顆粒系統(tǒng)中顆粒級配的優(yōu)化[J]. 高校應用數(shù)學學報A輯（中文版），2005，04：409～416.