砂巖顆粒填料壓縮與回彈特性試驗研究

王世儒，雷偉麗

(重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,重慶402160)

砂巖顆粒填料壓縮與回彈特性試驗研究

王世儒，雷偉麗

(重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,重慶402160)

通過設(shè)定不同的干密度和含水率,進(jìn)行了16組壓縮與回彈試驗,探究了灰白砂巖填料壓縮與回彈過程中應(yīng)變與孔隙比隨應(yīng)力的變化趨勢,分析了卸荷過程填料回彈率與卸荷比的關(guān)系,得到了填料最大回彈率與干密度、含水率的數(shù)學(xué)經(jīng)驗公式,總結(jié)了壓縮模量與回彈模量的變化規(guī)律。

壓縮-回彈試驗；干密度; 含水率; 回彈率; 壓縮模量；回彈模量；砂巖填料

在山區(qū)興建公路、鐵路、港口等基礎(chǔ)設(shè)施時,受復(fù)雜地形限制,施工線路將存在大量工程挖方,其中灰白砂巖顆粒因具有分布廣泛、強(qiáng)度高等優(yōu)點而常被用作回填區(qū)域填料,如重慶果園寸灘港口、廣(州)樂(昌)高速部分路段[1]。填料壓縮性影響路基分層施工階段壓實控制及工后沉降限制,工程因局部損壞需修補(bǔ)開挖、道路及碼頭不同來往荷載循環(huán)作用等因素造成填料處于加卸荷狀態(tài)；因此,填料壓縮及回彈規(guī)律常作為工程基礎(chǔ)施工過程壓實質(zhì)量控制及運(yùn)營階段基礎(chǔ)沉降控制的重要參考依據(jù),黃少雄等[2]指出可采用施工中路基壓實沉降差作為檢測路基施工質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。確定最優(yōu)級配后,干密度與含水率成為影響工程填料壓縮與回彈的重要因素[3]。鑒于填料工程應(yīng)用廣泛,有必要探究不同干密度及含水率時其壓縮特性及卸荷-回彈規(guī)律,為工程合理使用灰白砂巖填料提供參考。

與細(xì)粒土相比,灰白砂巖填料屬于粗粒土料,具有顆粒類材料的特殊性：不同應(yīng)力作用下填料存在因顆粒棱角擠碎、消磨,甚至顆粒破碎而使土粒擠密,從而進(jìn)一步誘發(fā)變形；卸荷過程中填料因顆粒壓縮回彈而出現(xiàn)卸荷回彈變形,這與填料應(yīng)力歷史相關(guān)[4]。因顆粒填料特殊性,諸多學(xué)者從不同角度、利用不同方法進(jìn)行相關(guān)研究。壓縮特性方面,張兵等[5]基于側(cè)限壓縮試驗探究了填筑料壓縮特性,得到填料所受應(yīng)力超過某一值時其壓縮曲線出現(xiàn)較大程度下降,并指出這現(xiàn)象與粗集料破碎應(yīng)力相關(guān)；劉麗萍等[6]認(rèn)為可通過孔隙率變化來控制不同含水狀態(tài)、極不均勻顆粒組成的山區(qū)填料壓實度質(zhì)量,這仍需要測定填料壓縮及回彈規(guī)律?；貜椧?guī)律方面,肖軍華[7]從荷載作用形式上探究了行車動荷載作用粉土路基時其回彈模量變化規(guī)律,得到循環(huán)荷載作用下粉土路基回彈模量存在臨界回彈模量；朱俊高等[8]基于三軸剪切-回彈試驗探究了粗粒料回彈模量與圍壓及應(yīng)力水平變化規(guī)律,并指出粗粒土回彈特性與黏土不同,但并未指出其與壓縮特性差異。先期應(yīng)力歷史方面,陳生水等[4]分析了先期荷載作用后堆石料應(yīng)力變形規(guī)律,認(rèn)為此顆粒材料經(jīng)歷先期荷載作用后其抵抗變形能力增大。理論計算方面,李德寧等[9]認(rèn)為基于卸荷應(yīng)力,結(jié)合常規(guī)壓縮試驗結(jié)果可估算填料回彈模量,進(jìn)而計算填料回彈變形。

由此可知,當(dāng)前研究更多是將填料壓縮過程與卸荷回彈過程分開,尚未對填料壓縮特性與回彈特性進(jìn)行對比研究。故本文采用三聯(lián)(高壓)杠桿壓縮儀進(jìn)行不同干密度及含水率條件下灰白砂巖填料單向壓縮及卸荷-回彈規(guī)律試驗,通過對比分析壓縮-回彈曲線、壓縮-回彈指標(biāo)及彈性塑性應(yīng)變比例等方式探究粗粒填料壓縮及回彈特性差異性,為工程實際評價其壓縮與回彈性質(zhì)作參考。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料

試驗所用灰白砂巖顆粒填料的母巖為取自重慶某港口挖方岸坡所開挖新鮮石料,屬三疊系上統(tǒng)須家河組；其天然含水率為2.54%,天然密度為2.61 g/cm3。砂巖按其礦物組成不同,可以分為硅質(zhì)及鈣質(zhì)細(xì)砂巖、鈣質(zhì)及泥質(zhì)粉砂巖等,其力學(xué)性質(zhì)存在差異,因而需按規(guī)程[10]進(jìn)行母巖物理力學(xué)參數(shù)測定,結(jié)果見表1。將母巖破碎后顆粒進(jìn)行人工初次篩分、恒溫烘干、振動二次篩分處理,按粒徑組進(jìn)行密封、貼簽,并儲存于干燥通風(fēng)環(huán)境以備后續(xù)試驗取用。

表1 砂巖物理力學(xué)指標(biāo)

粗粒料壓縮及回彈特性很大程度上受其級配影響,工程填料一般根據(jù)土料不均勻系數(shù)Cu與曲率系數(shù)Cv取值確定其級配曲線；受試驗條件限制,采用相似級配法對原填料級配進(jìn)行縮尺處理,盡可能減小重塑試樣與原填料的差異性[11]。填料試驗級配經(jīng)過上述方法處理后Cu=9.68、Cv=1.72,仍為級配均勻且良好土料,其級配曲線如圖1所示。

圖1 砂巖填料原級配與試驗級配曲線

1.2 試驗儀器及方案

采用三聯(lián)(高壓)杠桿壓縮儀進(jìn)行試驗,可同時進(jìn)行3組平行試驗；儀器軸向荷載范圍0～1.60 MPa,軸向位移采用精度為0.001 mm的百分表測定。為節(jié)省時間成本,根據(jù)規(guī)程[12],采用快速固結(jié)試驗方法進(jìn)行壓縮固結(jié)與回彈變形試驗,并據(jù)此規(guī)程所述方法進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)處理；軸向各級荷載按0 、0.05、0.10、0.20、0.40、0.80、1.60 MPa依次加載,并按“后加先卸”原則在施加最大荷載穩(wěn)定后進(jìn)行試樣卸荷-回彈變形試驗；加載與卸載最后一級荷載作用下,試樣軸向變形速率小于0.001 mm/h時表示其變形趨于穩(wěn)定。受儀器限制,試樣呈圓柱體,直徑為79.80 mm、高20 mm、體積為100 cm3。

同一級配下,填料的初始干密度不同時,單位體積內(nèi)構(gòu)成填料骨架顆粒將不同；含水率不同時,顆粒表面粘滯水量不同,顆粒間接觸作用力將不趨一致；所受三向應(yīng)力中大主應(yīng)力不同,顆粒位置調(diào)整方式不同,從顆粒擠密至棱角破碎后緊密堆疊；宏觀不同引發(fā)細(xì)觀差異,細(xì)觀變化導(dǎo)致宏觀變形,填料性質(zhì)因此呈現(xiàn)不同的壓縮與卸荷-回彈規(guī)律。因此,設(shè)定8組砂巖填料干密度ρd與含水率w進(jìn)行壓縮試驗與回彈試驗,探究填料壓縮特性與卸荷回彈變形規(guī)律,具體試驗方案見表2。

表2 試驗方案

2 干密度對砂巖填料壓縮-回彈特性分析

砂巖填料屬于顆粒類材料,干密度表征填料單位體積內(nèi)含有顆粒量,其值越大,表示單位體積內(nèi)承擔(dān)荷載作用的骨架顆粒越多。外部荷載在顆粒內(nèi)部以顆粒摩擦、機(jī)械咬合等形式體現(xiàn),因而填料干密度不同時其壓縮與卸荷-回彈過程顆粒間力學(xué)行為不趨一致,宏觀體現(xiàn)為壓縮和回彈過程應(yīng)變和孔隙比與應(yīng)力變化曲線及壓縮與回彈指標(biāo)差異。

2.1 干密度對應(yīng)變及孔隙比曲線影響

整理方案A1～A4試驗結(jié)果,繪制不同干密度時加載與卸載過程中試樣應(yīng)變ε隨軸向應(yīng)力P變化曲線,如圖2。由圖2可知,在同一干密度下,加載過程中,應(yīng)力應(yīng)變曲線呈上凸形狀,在0～0.40 MPa區(qū)段為曲線,0.40～1.60 MPa為直線,這表明在低應(yīng)力條件下試樣應(yīng)變隨應(yīng)力增大而呈非線性增加,高應(yīng)力狀態(tài)下線性增加；卸載過程中,應(yīng)力應(yīng)變曲線同以應(yīng)力0.40 MPa為界,大于此應(yīng)力時曲線呈直線減小,小于此應(yīng)力時曲線呈上凸減小,并與應(yīng)變軸存在截距,截距大小即為此過程塑性應(yīng)變值。粗粒土卸荷過程呈現(xiàn)彎折現(xiàn)象與粉質(zhì)粘土卸荷回彈規(guī)律相似[13]。當(dāng)ρd不同時,加載與卸載過程試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線形狀相似;但相同應(yīng)力時,ρd越大,試樣軸向變形越小。

圖2 不同干密度時應(yīng)變隨應(yīng)力曲線

為更形象表征土體內(nèi)部孔隙在不同應(yīng)力條件下變化趨勢,可采用式(1)整理方案A1～A4試驗數(shù)據(jù),即

e=e0-(1+e0)ε

(1)

式中,e為應(yīng)力為P時試樣孔隙比；e0為初始孔隙比；ε為應(yīng)力為P時應(yīng)變。

由式(1)得到試樣e隨P變化曲線,見圖3。由圖3可知,不同干密度條件下壓縮與卸荷-回彈過程試樣孔隙比仍以0.40 MPa為界,高于0.40 MPa時曲線呈線性變化,低于0.40 MPa時呈非線性變化。

圖3 不同干密度時孔隙比隨應(yīng)力曲線

2.2 干密度對壓縮及回彈指標(biāo)影響

2.2.1 干密度對壓縮系數(shù)與壓縮指數(shù)影響

工程中用壓縮系數(shù)a與壓縮指數(shù)Cc評價土料壓縮性高低,兩者均指單位荷載作用下填料孔隙比變化量,a由e-P曲線求得,側(cè)重于e-P曲線任意兩點割線斜率；Cc從e-lgP曲線求得,側(cè)重于e-lgP曲線高應(yīng)力下直線斜率,實際應(yīng)用時常取P在0.10～0.20 MPa時的數(shù)值作為參考。因此整理方案A1～A4試驗數(shù)據(jù)得到荷載0.10～0.20 MPa下a、Cc隨ρd變化趨勢,如圖4。

圖4 壓縮系數(shù)與壓縮指數(shù)隨干密度變化曲線

由圖4可知,a、Cc均隨ρd增大而逐漸減小,試樣壓縮性逐漸降低,但Cc有趨于穩(wěn)定變化；依據(jù)a取值分類,砂巖填料從中壓縮性土向低壓縮性土變化,但依據(jù)Cc取值填料屬于低壓縮性土。因此,出于安全角度,建議工程應(yīng)用時采用壓縮系數(shù)來評價不同干密度的灰白砂巖填料壓縮性。

2.2.2 干密度對回彈率與卸荷比影響

粗粒料處于壓縮過程時,工程上注重填料總變形,可用總應(yīng)變表示。處于卸荷回彈階段時更關(guān)心其回彈變形,常用卸荷比R0衡量卸荷情況,即

R0=(Pmax-P)/Pmax

(2)

式中,Pmax為填料前期所受最大預(yù)壓荷載；P為當(dāng)前所受荷載。

在Pmax作用后,不同卸荷回彈階段填料回彈變形程度可用回彈率δ表示,即

δ=(ei-emin)/emin

(3)

式中,ei為當(dāng)前壓力P下孔隙比；emin為孔隙比最小值

整理試驗方案A1～A4試驗結(jié)果,由式(2)、(3)得到試樣不同ρd時δ隨R0變化規(guī)律,如圖5所示。

圖5 不同干密度時回彈率隨卸荷比變化曲線

由圖5可知,ρd不變時灰白砂巖填料的δ隨R0增大逐漸增加,R0不變時ρd越大、δ越大。定義R0=1時為最大回彈率,即δmax。繪制δmax與ρd變化曲線,如圖6所示。由圖6可知,灰白砂巖填料的δmax與ρd呈線性相關(guān),即δmax=0.262ρd-0.396,R2=0.995。

圖6 最大回彈率與干密度曲線

2.2.3 干密度對壓縮模量與回彈模量影響

壓縮模量Es與回彈模量Er均表征填料抵抗變形能力,工程中取荷載0.10～20 MPa時的Es計算中填料沉降變形,方勇[13]指出卸荷比達(dá)某一數(shù)值時土料才產(chǎn)生較大回彈變形；鑒于工程應(yīng)用及現(xiàn)有研究成果,取填料加載階段加載0.10～20 MPa時的Es與卸載階段R0=0.94時(此時試樣為從0.20 MPa卸至0.10 MPa階段)的Er進(jìn)行對比分析,見圖7。

圖7 壓縮模量與回彈模量隨干密度變化曲線

由圖7可知,Es與Er隨ρd增大均呈增大趨勢,但兩者劇烈變化的區(qū)間不同。當(dāng)ρd為1.75～1.85 g/cm3時,Es增幅小于Er；當(dāng)ρd為1.85～1.95 g/cm3時,Es劇增,Er卻呈現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)；當(dāng)ρd為1.95～2.05 g/cm3時,Es與Er增幅相當(dāng)。

3 含水率對砂巖填料壓縮-回彈特性分析

水體對巖石顆粒存在軟化、潤滑等劣化作用,因而填料含水率高低對構(gòu)成其骨架作用顆粒及顆粒間位置調(diào)整方式存在重要影響。同樣,從應(yīng)變和孔隙比與應(yīng)力變化曲線及壓縮與回彈指標(biāo)差異角度分析含水率對填料壓縮與回彈特性影響。

3.1 含水率對應(yīng)變及孔隙比曲線影響

整理方案B1～B4試驗結(jié)果,繪制不同含水率時試樣加載與卸載過程應(yīng)變及孔隙比隨應(yīng)力變化曲線,如圖8、9所示。由圖8、9可知,加載與卸載階段含水率為8%與10%的試樣應(yīng)變曲線相似,含水率為6%與12%試樣應(yīng)變曲線相似,且前者應(yīng)變小于后者；試樣含水率6%、8%及10%的孔隙比變化曲線相似,位于含水率為12%之上。

圖8 不同含水率時應(yīng)變隨應(yīng)力曲線

圖9 不同含水率時孔隙比隨應(yīng)力曲線

在標(biāo)準(zhǔn)擊實功下灰白砂巖填料最大干密度為2.11 g/cm3,與之相對應(yīng)的最優(yōu)含水率為9.72%；考慮試驗誤差及填料中細(xì)粒吸濕性影響,含水率為8%及10%與最優(yōu)含水率最為接近,其應(yīng)變曲線變化相似；同理,6%及12%與最優(yōu)含水率稍遠(yuǎn),其應(yīng)變曲線相似。干密度相同時填料中含水率越高,其濕密度越大,初始孔隙比越?。划?dāng)相同軸向應(yīng)變較大時,含水率大的試樣孔隙比越小,這即為應(yīng)變相似時含水率為12%的孔隙比比6%、8%及10%更小的原因。

3.2 含水率對壓縮及回彈指標(biāo)影響

3.2.1 含水率對壓縮系數(shù)與壓縮指數(shù)影響

整理方案B1～B4試驗結(jié)果,繪制a與Cc隨w變化曲線,如圖10。由圖10可知,①a與Cc隨w變化的變化規(guī)律一致,呈現(xiàn)先減小后增大趨勢；②依據(jù)0.10～0.20 MPa時a取值,不同w條件下灰白砂巖填料均屬中壓縮性土。

圖10 不同含水率時壓縮系數(shù)與壓縮指數(shù)曲線

3.2.2 含水率對回彈率與卸荷比的影響

繪制不同w時試樣δ隨R0變化曲線,如圖11。由圖11可知,δ隨R0增大而逐漸增大；在R0=0～0.9時,含水率為10%與12%試樣回彈率曲線相似,6%與8%回彈率曲線相似,且前者大于后者；在R0=0.9～1.0時,含水率為10%時回彈率最大,6%時最小。由此可知,當(dāng)砂巖填料含水率接近最優(yōu)含水率時其卸荷過程的回彈率最大。

圖11 不同含水率時回彈率隨卸荷比變化曲線

繪制δmax-w曲線,見圖12,采用拋物線方程擬合曲線,得到δmax=-0.001w2+0.016w+0.014,相關(guān)系數(shù)R2=0.862?？芍?w為10%時δmax取最大值。

圖12 最大回彈率與含水率曲線

3.2.3 含水率對壓縮模量與回彈模量影響

繪制Es與Er隨w變化曲線,如圖13。由圖13可知,Es隨w增大呈先增加后減小趨勢,且在w=10%時取最大值；Er隨w增大呈先減小后增大趨勢,且在w=8%～10%時取最小值。當(dāng)填料含水率位于最優(yōu)含水率附近時,ρd最大,處于最密實狀態(tài)；當(dāng)含水率低于最優(yōu)含水率時,因水引起填料顆粒間潤滑作用相對較小,外荷載更多引起顆粒間彈性變形,則填料Es逐漸增大,Er逐漸減?。划?dāng)含水率大于最大含水率時,水體潤滑作用相對增大,這更有利于填料壓縮階段壓密,因而Es減小,但卸荷階段時填料密度已達(dá)最大密度,多余荷載將更大程度引起顆粒棱角擠碎、顆粒破碎等形式塑性變形,因而Er增大。由此可知,砂巖填料Es與Er均在最優(yōu)含水率附近取得極值,但隨著含水率增大兩者變化規(guī)律相反。

圖13 不同含水率時壓縮模量與回彈模量曲線

4 結(jié) 論

(1)干密度不同含水率相同時,當(dāng)應(yīng)力高于0.40 MPa,砂巖填料孔隙比壓縮與回彈曲線呈線性變化,低于此應(yīng)力時呈非線性變化；干密度相同時,砂巖填料孔隙比隨含水率增大而逐漸減小,含水率為6%、8%及10%的孔隙比隨應(yīng)變曲線相似。

(2)同一干密度時填料回彈率隨卸荷比增大逐漸增加,同一卸荷比時干密度越大,回彈率越大；其最大回彈率與干密度呈線性相關(guān),與含水率二次拋物線相關(guān),且在含水率為10%時取得最大值。

(3)填料壓縮模量與回彈模量隨干密度增大而增大,但兩者劇烈變化的區(qū)間不同；隨含水率增大兩者變化規(guī)律相反,壓縮模量隨含水率增大呈先增大后減小趨勢,回彈模量隨含水率增大呈先減小后增大規(guī)律,但均在最優(yōu)含水率附近取得極值。

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(責(zé)任編輯 王 琪)

Experimental Study on Compression and Resilience Characteristics of Sandstone Particle Packing

WANG Shiru, LEI Weili
(Chongqing Water Resources and Electric Engineering College, Chongqing 402160, China)

By setting different dry densities and moisture contents, 16 groups of compression and resilience tests are carried out to explore the changing tendency of strain and pore ratio with stress in the process of compression and resilience of gray sandstone. The relationship between rebound rate and unloading ratio in the process of unloading is analyzed. The mathematical formula of maximum rebound rate with dry density or water content of particle packing is obtained, and the variation regularities of compression modulus and resilient modulus are also summarized．

compression-resilience characteristics; dry density; moisture content; rebound rate; compression modulus; resilient modulus； sandstone particle packing

2016- 10- 14

王世儒(1981—),男,遼寧鳳城人,講師, 碩士,主要從事水工建筑材料研究．

TV41

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0559- 9342(2017)05- 0119- 06