粗顆?；靥盍系钠扑樾再|試驗研究

田春雨

(包頭鐵道職業(yè)技術學院，內蒙古 包頭 014060)

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粗顆?；靥盍系钠扑樾再|試驗研究

田春雨

(包頭鐵道職業(yè)技術學院，內蒙古 包頭 014060)

通過大型三軸剪切試驗儀對配制的9組試樣進行剪切試驗。配制試樣時，考慮了不同的物料組成、相對密度、級配狀態(tài)，試驗圍壓與現(xiàn)場基本一致的受力狀態(tài)。試驗研究發(fā)現(xiàn)了不同粗顆?；靥盍系钠扑樾再|規(guī)律。統(tǒng)計顆粒破碎率與土體峰值內摩擦角的結果，擬合出二者關系曲線圖，并用指數(shù)函數(shù)表達式表示。

粗顆粒土；回填料；破碎性質；試驗研究

某高填方邊坡選用近直立擋土墻結構形式，墻后采用現(xiàn)場的土石混合粗顆?；靥盍?，局部夾雜大量的塊石。該類填料具有壓實性能好、透水性強、抗剪強度高、填筑密度大、沉陷變形小和承載力高等特點[1]。填料的物理力學性質的確定對工程至關重要。原巖巖性變化較大，主要為泥巖、煤矸石與砂巖。填料的粒徑不均勻，最大顆粒粒徑在200 mm以上。原巖破碎又會引起土體級配的改變，從而使其物理力學性質發(fā)生變化[2]。擬對不同條件的填料破碎性質進行試驗研究，從而得到粗顆?；靥盍系念w粒破碎性質規(guī)律，以及與土體抗剪強度的關系。

1 試驗方法

由于無法根據(jù)所測現(xiàn)場原級配進行室內試驗，超徑的顆粒采用等量替代法[3]進行縮尺模擬。本次9組試驗材料設定三個參數(shù)：泥、砂巖比例，相對密度，原始級配。泥、砂巖比例設定3∶7、5∶5、7∶3三個比例；相對密度設定0.55、0.65、0.80三個密度；原始級配設不良、一般、良好三個等級。用YSZ-200大型三軸剪切試驗儀進行三軸剪切試驗，試驗圍壓選擇與現(xiàn)場基本一致的受力狀態(tài)(100～400 kPa，每100 kPa為一級，共四級)。試樣在試驗后晾干并重新篩分。根據(jù)Marsal提出的顆粒破碎率Bg[4]，進行統(tǒng)計分析，得出物料組分、相對密度、原始級配三個因素對填料破碎性質的影響。

2 試驗結果分析

2.1 物料組分對顆粒破碎的影響

不同泥、砂巖比例的試料在試驗圍壓(100～400 kPa)時的顆粒破碎率，統(tǒng)計結果見表1。由表1分析可知：隨著泥巖含量的增加，試料破碎率有減小的趨勢。由于砂巖的強度大于泥巖的強度，泥巖顆粒會先發(fā)生破碎。在泥巖含量較低的時候，顆粒破碎率隨著泥巖含量的增加而增大，但是當泥巖含量增大到一定程度時，泥巖由于顆粒破碎產(chǎn)生的黏土顆粒包圍在粒徑較大的顆粒周圍，減小了顆粒之間的作用力，顆粒破碎效應減弱。

2.2 相對密度對顆粒破碎的影響

不同相對密度的試料在試驗圍壓(100～400 kPa)時的顆粒破碎率，統(tǒng)計結果見表2。由表2分析可知：隨著試料相對密度增大，土體的顆粒破碎率的變化較為復雜。當土體相對密度較低時，土體顆粒間的接觸點較少，土體不容易發(fā)生破碎，從另一個角度講，單位土體所受到的接觸應力較大時，土體顆粒之間容易產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，土體易發(fā)生破碎；當土體的相對密度較大時，土體顆粒之間接觸變得緊密，土體顆粒之間的接觸點變多，土體顆粒發(fā)生破碎的概率增大。綜合土體在較低相對密度和較高相對密度下的顆粒情況，兩者相互抵消，所以相對密度對土體顆粒破碎影響較為復雜，規(guī)律性差。

表1 不同泥、砂巖比例試料的顆粒破碎率(%)Tab.1 The particle breakage rate in different proportion of mudstone and sandstone(%)

表2 不同相對密度試料的顆粒破碎率(%)Tab.2 The particle breakage rate in different relative density of the sample (%)

2.3 顆粒級配對顆粒破碎的影響

不同顆粒級配的試料在試驗圍壓(100～400 kPa)時的顆粒破碎率，統(tǒng)計結果見表3。由表3分析可知：隨著不均勻系數(shù)增大，試料的顆粒破碎率呈減小的趨勢。隨著粗粒含量的增大，試料顆粒破碎率呈先減小后增大的趨勢，當顆粒級配為良好狀態(tài)時，顆粒破碎率最小。顆粒級配為良好狀態(tài)時，顆粒之間的作用點較多，顆粒之間的作用力均勻分布，單個顆粒受到的應力較小，不容易產(chǎn)生破碎。當粗粒含量較多時，顆粒之間接觸方式以粗顆粒棱角間接觸的形式為主，土體顆粒之間極易產(chǎn)生應力集中的現(xiàn)象，這會導致土體顆粒發(fā)生明顯的破碎，使顆粒破碎率增大。

表3 不同顆粒級配試料的顆粒破碎率(%)Tab.3 The particle breakage rate in different particle gradation of the sample (%)

3 顆粒破碎與抗剪強度的關系

粗顆?；靥盍显谕饬ψ饔孟?，土體顆粒會發(fā)生顆粒破碎的現(xiàn)象，顆粒破碎對土體抗剪強度的影響主要從以下兩方面考慮：第一，土體顆粒發(fā)生顆粒破碎使得土體的剪脹性減弱，因此土體的抗剪強度減弱。第二，土體在顆粒破碎時消耗一部分能量，這使土體的抗剪強度增加[5]。因此，土體的抗剪強度發(fā)生變化是這兩方面共同導致的結果。

圖1是土體在各級圍壓下的主應力比與軸向應變的曲線關系圖。隨著圍壓的逐級增大，最大主應力比逐級降低。當圍壓越低時，最大主應力比降低的幅度越大。由此可以推測，土體的最大主應力比的減小與顆粒破碎相關。

圖1 主應力比與軸向應變關系圖Fig.1 The relationship between principal stress ratio and axial strain

統(tǒng)計的顆粒破碎率與土體峰值內摩擦角結果，擬合出顆粒破碎指標Bg與峰值內摩擦角φ的關系曲線如圖2所示。

圖2 φ-Bg關系曲線圖Fig.2 The curve between φ and Bg

圖2表明，φ、Bg兩者之間的關系可以用指數(shù)函數(shù)描述。隨著顆粒破碎指標Bg的增加，粗顆粒回填料的峰值內摩擦角減小。φ與Bg的函數(shù)表達式如下：

φ= 86.806e-0.041Bg

φ隨著Bg的增加而減小，但是Bg存在上限值100%，因此φ也存在下限值。此時土體的顆粒破碎不影響峰值內摩擦角的變化，土體的強度由土體顆粒之間的相互作用力決定。

4 結語

粗顆?；靥盍显诩羟凶饔孟聲l(fā)生顆粒破碎的現(xiàn)象，顆粒破碎效應會顯著影響土體的物理力學性質。當泥巖塊體含量達到一定程度后，隨著泥巖塊體比例的增加，土體的顆粒破碎率呈下降的趨勢；相對密度對顆粒破碎率影響較為復雜，兩者沒有明顯的關系；顆粒級配良好時，土體的顆粒破碎率最小，當級配較差且粗粒含量較大時，土體顆粒破碎率比較大。

粗顆?；靥盍献鳛橐环N典型的散粒材料，土體顆粒間的滑移與相互作用力影響著土體的應力應變。當土體顆粒所受外力大于其抗壓強度，會發(fā)生顆粒破碎的情況，土體顆粒將發(fā)生滑動。土體發(fā)生顆粒破碎的時候，顆粒間摩擦力與顆粒破碎共同影響土體的抗剪強度。粗顆粒回填料強度設計時，應考慮顆粒破碎的影響。

[1] 郭慶國. 粗粒土的工程特性及應用[M]. 鄭州：黃河水利出版社，1999.

[2] 張家銘，汪稔，張陽明，等.土體顆粒破碎研究進展[J]. 巖土力學，200，24(S2)：661-665.

[3] 中華人民共和國水利部、能源部. 土工試驗規(guī)程SD128-87[S]. 北京：水利水電出版社，1988.

[4] Marsal R J. Large scale testing of rockfill materials [J]. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division，1967，93(SM2)：27-43.

[5] 賈革續(xù).粗粒土工程特性的試驗研究[D]. 大連：大連理工大學，2003.

Crushing properties of the coarse grained soil for backfill material

TIAN Chun-yu

(Baotou Railway Vocational & Technical College,Baotou 014060,China)

Nine groups′ specimens are tested with the large-scale triaxial shear tests. The different material composition,relative density and gradation state are taken into account,and the confining pressure is consistent with that of the site. The experiment found the breaking property of different coarse grained soil for backfill material. The relationship between particle breakage rate and peak of internal friction angle is fitted,and it is expressed with exponential function expression.

Coarse grained soil; Backfill material; Breaking property; Experiment

2016-01-16

田春雨(1982-)，男，講師，碩士研究生。

TU448

A

1674-8646(2017)06-0012-03