炭質(zhì)泥巖填料靜止側(cè)壓力系數(shù)試驗(yàn)研究

付泓銳

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炭質(zhì)泥巖填料靜止側(cè)壓力系數(shù)試驗(yàn)研究

付泓銳

（重慶交通大學(xué) 水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074）

為了查明密實(shí)度、含水率、顆粒級(jí)配的改變對(duì)炭質(zhì)泥巖填料作用于路堤結(jié)構(gòu)物上的靜止土壓力大小的影響，本文研究了干密度、含水率、顆粒級(jí)配對(duì)炭質(zhì)泥巖填料的靜止側(cè)壓力系數(shù)的特性影響，采用GJY型固結(jié)儀進(jìn)行炭質(zhì)泥巖填料的靜止側(cè)壓力系數(shù)試驗(yàn). 設(shè)置4種干密度，5種含水率，5種顆粒級(jí)配探究炭質(zhì)泥巖填料的靜止側(cè)壓力系數(shù)的變化規(guī)律. 研究結(jié)果表明：炭質(zhì)泥巖填料的干密度越大，豎向變形越小，靜止側(cè)壓力系數(shù)越小. 隨著含水率的增加，靜止側(cè)壓力系數(shù)先減小后增大，其中含水率為6%時(shí)靜止側(cè)壓力系數(shù)最小，隨著顆粒級(jí)配的增加，靜止側(cè)壓力系數(shù)也是先減小后增大，其中顆粒級(jí)配3的靜止側(cè)壓力系數(shù)最小. 研究結(jié)果可為以炭質(zhì)泥巖作為填料的工程提供一定參考依據(jù).

干密度；含水率；顆粒級(jí)配；炭質(zhì)泥巖；靜止側(cè)壓力系數(shù)

在我國(guó)西南部的云貴地區(qū)，炭質(zhì)泥巖廣泛分布，但因?yàn)槠鋸?qiáng)度低，遇水易崩解等特點(diǎn)[1]，不宜用于工程建設(shè)中. 在這些地區(qū)的很多工程建設(shè)中存在的大量炭質(zhì)泥巖不僅難以被利用，而且它的存在還可能給建筑物帶來(lái)很大的安全隱患. 隨著我國(guó)公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，需要的填料越來(lái)越多，就地取材的炭質(zhì)泥巖開(kāi)始被用作路堤的填料，變廢為寶的炭質(zhì)泥巖不僅節(jié)約了成本，而且更加環(huán)保. 因此，炭質(zhì)泥巖的工程性能以及用作填料后的工程安全問(wèn)題成為了該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).

對(duì)炭質(zhì)泥巖作為路基填料的工程安全問(wèn)題，曾玲等[2-3]研究了降雨對(duì)炭質(zhì)泥巖路堤穩(wěn)定性的影響，推斷炭質(zhì)泥巖路堤填筑材料細(xì)觀損傷演化是一個(gè)非線性的累積增長(zhǎng)過(guò)程；顏建春[4]利用ABAQUS建立炭質(zhì)泥巖的路堤模型，分析得到不同深度的同一平面上的豎向的沉降變形差異，越深的地方沉降越小，且隨著水平位置的增大而減??；莫?jiǎng)P[5]認(rèn)為炭質(zhì)泥巖路堤的變形與車輛的速度和車載有密切關(guān)系；郝建云[6]認(rèn)為不同干密度、不同顆粒級(jí)配的砂泥巖混合料的側(cè)向壓力和軸向壓力關(guān)系呈良好的直線關(guān)系. 然而炭質(zhì)泥巖填料作用于路堤結(jié)構(gòu)物上的靜止土壓力大小也是不可忽視的工程安全問(wèn)題，本文將從干密度、含水率、顆粒級(jí)配3個(gè)方面研究其對(duì)炭質(zhì)泥巖填料的靜止側(cè)壓力系數(shù)的特性影響，分析密實(shí)度、含水率、顆粒級(jí)配的改變對(duì)炭質(zhì)泥巖填料作用于路堤結(jié)構(gòu)物上的靜止土壓力大小的影響.

1 試驗(yàn)制備及方法

本試驗(yàn)炭質(zhì)泥巖取自貴州六盤水某高速路邊一滑坡，其物理參數(shù)見(jiàn)表1. 采用GJY型固結(jié)儀進(jìn)行炭質(zhì)泥巖填料的靜止側(cè)壓力系數(shù)試驗(yàn)，軸向應(yīng)力用WG型單杠桿固結(jié)儀三聯(lián)來(lái)施加，側(cè)向應(yīng)力采用TYC-1型孔隙壓力測(cè)量?jī)x傳感器來(lái)測(cè)量. 用顎式破碎機(jī)將炭質(zhì)泥巖破碎，隨后用震擊式標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)篩分，按粒徑大小分類放入干燥箱內(nèi)，恒溫烘至恒重. 根據(jù)不同干密度、不同含水率、不同顆粒級(jí)配按照水利部土工試驗(yàn)規(guī)程SL237-002-1999中的公式7.0.1、7.0.2來(lái)計(jì)算土料和水的含量，然后攪拌好裝入環(huán)刀（尺寸：高度，直徑），下一步把裝好土料的環(huán)刀再裝入固結(jié)儀. 安裝好WG型單杠桿固結(jié)儀，TYC-1型孔隙壓力測(cè)量?jī)x傳感器和百分表. 最后開(kāi)始施加軸向壓力，壓力等級(jí)依次分為、、、、. 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境見(jiàn)圖1.

表1 炭質(zhì)泥巖基本物理參數(shù)

圖1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境

2 試驗(yàn)方案

本文主要研究了干密度、含水率、顆粒級(jí)配對(duì)炭質(zhì)泥巖填料的靜止側(cè)壓力系數(shù)的特性影響，具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表2.

表2 炭質(zhì)泥巖填料的靜止側(cè)壓力系數(shù)試驗(yàn)方案

3 結(jié)果分析

土樣的靜止側(cè)壓力系數(shù)計(jì)算如下

. （2）

3.1 干密度對(duì)靜止側(cè)壓力系數(shù)的影響

表3 不同干密度的靜止側(cè)壓力系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

表3 不同干密度的靜止側(cè)壓力系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

軸向壓力/kPa 壓縮量/mm側(cè)向壓力/kPa壓縮量/mm側(cè)向壓力/kPa壓縮量/mm側(cè)向壓力/kPa壓縮量/mm側(cè)向壓力/kPa 0250.3920080.3440060.3730060.328005 0500.7650180.7220160.6770130.665012 1001.4320361.0450260.9880241.035026 2002.5120762.1650622.0980581.875052 4003.8651523.5761323.3121183.185109

由圖3分析得到總體上靜止側(cè)壓力系數(shù)隨著干密度的減小而增加，這是因?yàn)樘抠|(zhì)泥巖填料的干密度越小，土體間的孔隙就越多，密實(shí)度越低，壓縮變形就越大，這樣在軸向壓力的作用下造成對(duì)側(cè)向的擠壓力也增大，所以靜止側(cè)壓力系數(shù)變大. 所以在用作路堤填料中我們應(yīng)該最大限度地使填料的密實(shí)的增大，這樣才能防止沉降變形過(guò)大導(dǎo)致側(cè)壓力引起路堤垮塌.

圖2 不同干密度的關(guān)系曲線

圖3 不同干密度的關(guān)系曲線

3.2 含水率對(duì)靜止側(cè)壓力系數(shù)的影響

表4 不同含水率的靜止側(cè)壓力系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

表4 不同含水率的靜止側(cè)壓力系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

軸向壓力/kPa 壓縮量/mm側(cè)向壓力/kPa壓縮量/mm側(cè)向壓力/kPa壓縮量/mm側(cè)向壓力/kPa壓縮量/mm側(cè)向壓力/kPa壓縮量/mm側(cè)向壓力/kPa 250.3350050.3210050.3440060.4360090.389007 500.7130150.6920140.7220160.7730190.815020 1000.9190230.9750241.0450261.3240331.416035 002.0590601.9020562.1650622.2350672.477075 003.4561283.3851203.5761323.7121413.825150

圖4 不同含水率的關(guān)系曲線

圖5 不同含水率的關(guān)系曲線

3.3 顆粒級(jí)配對(duì)靜止側(cè)壓力系數(shù)的影響

不同顆粒級(jí)配的靜止側(cè)壓力系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如表5.

表5 不同顆粒級(jí)配的靜止側(cè)壓力系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

不同顆粒級(jí)配土料試驗(yàn)結(jié)果分析見(jiàn)圖6和圖7. 由圖6可得顆粒級(jí)配1、顆粒級(jí)配2、顆粒級(jí)配3、顆粒級(jí)配4、顆粒級(jí)配5的靜止側(cè)壓力系數(shù)分別為、、、、，可見(jiàn)靜止側(cè)壓力系數(shù)隨著顆粒級(jí)配的增大先減小后增大. 在其他條件相同情況下顆粒級(jí)配3的炭質(zhì)泥巖填料的靜止側(cè)壓力系數(shù)是最小的，所以它的穩(wěn)定性也最好.

圖6 不同顆粒級(jí)配的關(guān)系曲線

圖7 不同顆粒級(jí)配的關(guān)系曲線

炭質(zhì)泥巖填料不同顆粒級(jí)配試樣的試驗(yàn)結(jié)果表明，顆粒級(jí)配的增加，靜止側(cè)壓力系數(shù)先減小后增大，其中顆粒級(jí)配3的靜止側(cè)壓力系數(shù)最小，工程中如果用炭質(zhì)泥巖填料那么相同條件下級(jí)配為3的填料的可壓縮量最小.

4 結(jié)論

本文以某高速路路邊滑坡的炭質(zhì)泥巖填料為研究實(shí)例，從填料的密實(shí)度、含水率以及顆粒級(jí)配3個(gè)方面研究其對(duì)靜止側(cè)壓力系數(shù)的影響. 可以知道，炭質(zhì)泥巖填料的靜止側(cè)壓力系數(shù)隨著干密度的增大而減小，所以實(shí)際工程中我們應(yīng)該盡量壓實(shí)填料使其干密度增大. 隨著炭質(zhì)泥巖填料的含水率增加，其靜止側(cè)壓力系數(shù)先減小后增大，其中含水率在6%靜止側(cè)壓力系數(shù)是最小的，因此推測(cè)炭質(zhì)泥巖填料的含水率在5%到7%穩(wěn)定性是最好的. 炭質(zhì)泥巖填料的靜止側(cè)壓力系數(shù)隨著顆粒級(jí)配的增加先減小后增加，顆粒級(jí)配3的靜止側(cè)壓力系數(shù)最小，豎向變形最小，穩(wěn)定性最好. 本研究對(duì)實(shí)際工程具有一定的參考價(jià)值，對(duì)于的炭質(zhì)泥巖填料的研究還可以進(jìn)一步研究其含炭量對(duì)物理力學(xué)特性的影響.

[1] 劉子昂，滿立，別江波. 貴州六盤水炭質(zhì)泥巖特性探究[J]. 巖土工程技術(shù)，2014(1): 50-56.

[2] 曾鈴，付宏淵，賀煒，等. 三軸CT條件下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖路堤填料的細(xì)觀試驗(yàn)[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014, 45(3): 927-929.

[3] 曾鈴，付宏淵，賀煒，等. 降雨入滲因素對(duì)炭質(zhì)泥巖路堤邊坡穩(wěn)定性的影響[J]. 公路交通科技，2013, 30(3): 41-44.

[4] 顏建春. 高速公路中炭質(zhì)泥巖路堤研究[D]. 西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2015.

[5] 莫?jiǎng)P，付宏淵，曾鈴. 車輛荷載作用下炭質(zhì)泥巖路堤動(dòng)力變形特征分析[J]. 中外公路，2014, 34(1): 14-19.

[6] 郝建云. 沙泥巖混合料壓縮變形特性及K0系數(shù)試驗(yàn)研究[D]. 重慶：重慶交通大學(xué)，2014.

[7] 劉新喜，戴毅，張平，等. 炭質(zhì)泥巖軟弱夾層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響因素分析[J]. 湖南文理學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017, 29(1): 65-69.

[責(zé)任編輯：韋 韜]

An Experimental Study of Static Pressure Coefficients of Carbonaceous Mudstone

FUHong-rui

(Key Laboratory of Hydraulic and Waterway Engineering of Ministry of Education, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

In order to find out what effects changing density, moisture content and particle size distribution have on the earth pressure at rest of embankment structure in which the carbonaceous mudstone is the filler, we studied what effects dry density, moisture content and particle size distribution would have on the character of the pressure coefficient at rest of carbonaceous mud stone filler, and we chose theconsolidation apparatus of GJY type to test the pressure coefficient at rest of the carbonaceous mudstone filler. To explore the changing rules of the pressure coefficient at rest of carbonaceous mud stone filler, we set four dry densities, five moisture contents and five particle size distributions. Results showed that the denser the dry density of carbonaceous mudstone was，the smaller the vertical deformation was，and the smaller the pressure coefficient at rest was. With the increase of moisture content, the pressure coefficient at rest increased at first, but then decreased gradually; when the moisture was 6%, the pressure coefficient at rest reached its minimum. With the increase of the particle size distribution, the pressure coefficient at rest showed the same result as the moisture content; when the particle size distribution was 3, the pressure coefficient at rest reached its minimum. Therefore, these results provide important references for the projects in which the carbonaceous mudstone is the filler.

dry density; moisture content; particle size distribution; carbonaceous mud stone; pressure coefficient at rest

1006-7302（2017）03-0067-06

TU459

A

2017-03-29

付泓銳（1989—），男，重慶人，在讀碩士生，主要研究方向?yàn)橥凉な覂?nèi)試驗(yàn).