多級加載測試路基土石混合料抗剪強(qiáng)度研究

秦為將

(福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350000)

0 引言

在山區(qū)修筑高填公路路基時，由于其地形、地貌和地質(zhì)水文條件的限制，往往采用山體開挖得到的土石混合料作為筑路材料，其具有顆粒粒度變化大、含水率不均勻的特點(diǎn)，較難以統(tǒng)一控制[1]。相對于低路基，高填路基中土石混合料處于高應(yīng)力狀態(tài)，若其抗剪強(qiáng)度不足，容易導(dǎo)致路基沉陷或坍塌，使路面結(jié)構(gòu)過早破壞，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，抗剪強(qiáng)度是衡量土石混合料工程性質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)[2-3]。

土石混合料通常含有礫粒、卵石或巖塊，考慮到粒徑效應(yīng)，對土石混合料開展抗剪強(qiáng)度測試往往需要采用大型三軸試驗(yàn)儀進(jìn)行[4]。對此，國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)陸續(xù)開展了一些相關(guān)的研究。韓世蓮[5]通過大型三軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土石混合料的抗剪強(qiáng)度主要取決于顆粒之間克服咬合作用相對位移時的摩擦阻力，此阻力受到顆粒大小、級配、壓實(shí)度和應(yīng)力水平的綜合影響。陸建明[6]研究了土石混合料抗剪強(qiáng)度的影響因素，指出顆粒破碎與粗粒含量是最主要的影響因數(shù)，含水率對抗剪強(qiáng)度影響不大。王冠[7]認(rèn)為，土石混合料的抗剪強(qiáng)度主要由顆粒間粘結(jié)強(qiáng)度以及顆粒本身的特性決定，土顆粒的水穩(wěn)定性越好，水對抗剪強(qiáng)度的劣化作用越弱。王星宇[8]系統(tǒng)研究了土石混合料的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，指出高壓實(shí)度、高圍壓易導(dǎo)致的剪脹效應(yīng)，而低壓實(shí)度、低圍壓易導(dǎo)致剪縮效應(yīng)。

以往對土石混合料開展的三軸抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)往往采用單級加載方式，即每更換一種應(yīng)力加載方式需要采用新的試樣，最終通過對一系列平行試樣(通常為3個)在不同應(yīng)力水平下的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，得出試樣破壞的強(qiáng)度包絡(luò)線，從而獲取抗剪強(qiáng)度參數(shù)。然而，一般大型三軸試驗(yàn)的土石混合料試樣尺寸為300mm×600mm(直徑×高度)，需要的備料多，壓實(shí)、脫模等過程較為麻煩，且飽和、固結(jié)所耗費(fèi)的時間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通的小型三軸試驗(yàn)。此外，各個平行試樣壓實(shí)度、含水率、初始結(jié)構(gòu)的相似性很難得到保障，容易出現(xiàn)較大的離散性，有時甚至采用4～5個平行試樣也很難得出合理的強(qiáng)度包絡(luò)線。

為解決上述問題，本文嘗試在土石混合料抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)中采用多級加載方式，即僅對一個試樣施加多個水平的應(yīng)力(圍壓和偏應(yīng)力)來獲取抗剪強(qiáng)度參數(shù)，以減少在單級試驗(yàn)中使用多個平行試樣所產(chǎn)生的結(jié)果偏差，簡化試驗(yàn)過程，縮短試驗(yàn)周期，同時開展了采用單級加載方式的對比試驗(yàn)，以驗(yàn)證多級加載方式的可靠性。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料取自湖南省武陵山區(qū)某高速公路路基，從兩個標(biāo)段各選取了一種土石混合料(圖1)進(jìn)行研究，其級配曲線如圖2所示。

根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)[8]，土石混合料A包含1.7% 的粉粒和粘粒 (φ<0.075mm)、12.3% 砂粒 (0.075mm <φ<2mm)、84.5% 礫粒(2mm <φ<60mm)和1.5% 卵石(60mm <φ<200mm)，最大粒徑為76.1mm，均勻系數(shù)為9.64，曲率系數(shù)為1.95；土石混合料B包含1.0%粉粒和粘粒、15.5% 砂粒、83.5%礫粒，最大粒徑Dmax為50.8mm，均勻系數(shù)為13.3，曲率系數(shù)為2.1。相對普通土質(zhì)路基填料，這兩種土石混合料都具較高的最大干密度ρdmax(2.36g/cm3、2.23g/cm3)和較低的最優(yōu)含水率wopt(8.3%和10.2%)。

圖1 散狀土石混合料

圖2 土石混合料的級配曲線

2 試驗(yàn)過程

將散狀土石混合料的含水率配比至最優(yōu)含水率，在金屬分裂模中將其壓實(shí)制成圓柱體試樣(圖3)，尺寸為300mm×600mm(直徑×高度)，壓實(shí)度為93%，試樣的壓實(shí)分為5次，每次取等量混合料，壓實(shí)到指定高度，裝下層混合料前，用工具刮毛試樣表面，讓層與層之間緊密連接，防止試樣發(fā)生層面斷裂現(xiàn)象。制樣完成后，取小部分樣品進(jìn)行含水率和干密度的檢驗(yàn)。當(dāng)檢驗(yàn)值與預(yù)設(shè)值的偏差小于5%時認(rèn)為制樣合格，隨后裝機(jī)(圖4)進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)需要對試樣進(jìn)行飽和時，采用水頭飽和方式，使其孔隙水壓力系數(shù)B至少達(dá)到95%，此過程通常需要18h以上。表1為所有壓實(shí)試樣的物理參數(shù)和三軸試驗(yàn)參數(shù)。

表1 試樣的物理參數(shù)和三軸試驗(yàn)參數(shù)

圖3 土石混合料試樣

對于A-1和B-1，首先采用100kPa的圍壓進(jìn)行等壓固結(jié)，隨后采用應(yīng)變控制方式進(jìn)行軸向加載，加載速率為0.03mm/min；加載時，同時打開排水閥門；當(dāng)軸向偏應(yīng)力出現(xiàn)峰值時進(jìn)行卸載；隨后將圍壓分別設(shè)置為200kPa和300kPa；重復(fù)上述過程。最后，在300kPa條件下對試樣進(jìn)行飽和，再進(jìn)行一次加載試驗(yàn)。A-2和B-2的試驗(yàn)方式與上述相同，但圍壓分別為200kPa、300kPa和400kPa。對A-3～A-5和B-3～B-5進(jìn)行的是單級加載試驗(yàn)。試樣首先在指定的圍壓下進(jìn)行等壓固結(jié)，隨后進(jìn)行傳統(tǒng)的單級加載試驗(yàn)。上述試驗(yàn)方案，一方面是為了驗(yàn)證多級加載試驗(yàn)結(jié)果是否與單級加載試驗(yàn)結(jié)果接近；另一方面，是探索由最優(yōu)含水率狀態(tài)進(jìn)入飽和狀態(tài)時，土石混合料的抗剪強(qiáng)度是否會發(fā)生較大變化，從而評價土石混合料的水穩(wěn)定性。

圖4 大型三軸試驗(yàn)儀

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖5和圖6分別為兩種土石混合料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其中q為軸向偏應(yīng)力(q=σ1-σ3)，ε1為軸向應(yīng)變?？梢钥闯?，土石混合料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是非線性的，第一級圍壓下試樣產(chǎn)生的軸向應(yīng)變最大，后續(xù)各級圍壓下試樣的軸向應(yīng)變大小接近；當(dāng)圍壓增加時，應(yīng)力峰值也會增加，試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律性較好。

當(dāng)試樣飽和時，應(yīng)力達(dá)到峰值后逐漸下降，應(yīng)力-應(yīng)變曲線屬于加工軟化型[10]，圍壓越大，試樣的殘余強(qiáng)度越大。同一圍壓下，飽和狀態(tài)應(yīng)力峰值與非飽和狀態(tài)應(yīng)力峰值接近，含水率對混合料的應(yīng)力-應(yīng)變行為影響不大。這可能是兩種土石混合料的細(xì)粒(d<0.075mm)含量較小所致(均小于2%)，可見兩種土石混合料的水穩(wěn)定性較好。

圖5 各圍壓下多級加載試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系(土石混合料A)

圖6 各圍壓下多級加載試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系(土石混合料B)

(a)土石混合料A (b)土石混合料B圖7 單級加載試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖7為單級三軸試驗(yàn)試樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線?？梢妵鷫涸酱?，產(chǎn)生的豎向應(yīng)變越大。值得注意的是，從圖7(b)可以看出，盡管B-4和B-5兩個試樣的偏應(yīng)力峰值有明顯差異，但兩者產(chǎn)生的軸向應(yīng)變十分接近，這可能是兩個平行試樣的差異性較大所致。

3.2 多級加載下強(qiáng)度包絡(luò)線分析

多級加載三軸試驗(yàn)中，試樣在施加I級應(yīng)力(含圍壓和軸向應(yīng)力)而達(dá)到破壞后，相應(yīng)的莫爾圓如圖8中的①圓，它與強(qiáng)度包絡(luò)線相切于P點(diǎn)，相應(yīng)于P點(diǎn)的正應(yīng)力為σI，剪應(yīng)力為ηI，此時可得：

圖8 多級加載下試樣的應(yīng)力莫爾圓

(1)

(2)

破壞面的傾角α=(45°+φ/2)在以后各級應(yīng)力下均保持不變。對處于該極限應(yīng)力狀態(tài)的試樣繼續(xù)施加圍壓增量Δσ3，則圖中①圓變?yōu)樘幱诜€(wěn)定狀態(tài)的②圓，在此情況下對試樣施加軸向力使之達(dá)到極限狀態(tài)，此時的莫爾圓由②變?yōu)棰?，II級應(yīng)力下破壞面上的正應(yīng)力σII和剪應(yīng)力τII分別為：

(3)

(4)

從式(3)和式(4)中分別減去式(1)和式(2)，可得：

(5)

(6)

上述推導(dǎo)表明，對試樣施加第一級荷載后再施加第二級荷載，破壞面上正應(yīng)力和剪應(yīng)力的增量分別為Δσ和Δτ，由此在每一級加載下可以求出σ和τ，從而可繪制出相應(yīng)的莫爾圓，并確定強(qiáng)度包絡(luò)線。

圖9和圖10分別為土石混合料A和B的強(qiáng)度包絡(luò)線。該包絡(luò)線可以采用式(7)進(jìn)行表示，可以看出擬合效果較為理想。由于土石混合料屬于散粒材料，粘聚力c僅具有數(shù)學(xué)意義，因此本文不進(jìn)行相關(guān)探討。土石混合料的內(nèi)摩擦角φ可以通過式(8)求出。

Lp=a+sptanα

(7)

sinφ=tanα

(8)

表2總結(jié)了本試驗(yàn)所得到的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，其中①、②、③為多級加載試驗(yàn)結(jié)果，④為單級加載試驗(yàn)結(jié)果。對于土石混合料A，①、②、③與④的相對差異分別為-3.7%、-8.0%、5.9%，對于土石混合料B，①、②、③與④的相對差異分別為3.3%、-1.5%、2.8%，可見多級加載方式結(jié)果與單級加載方式結(jié)果比較接近。同時可以看出，兩種土石混合料的粒徑差異，對內(nèi)摩擦角的影響參數(shù)不大，且內(nèi)摩擦角普遍較高。

(a)A-1 (b)A-2圖9 土石混合料A的強(qiáng)度包絡(luò)線

(a)B-1 (b)B-2圖10 土石混合料B的強(qiáng)度包絡(luò)線

表2 多級和單級三軸試驗(yàn)結(jié)果的比較

圖11為結(jié)果③與結(jié)果④的比較。結(jié)果④的強(qiáng)度包絡(luò)線采用了3個單級試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行確定，結(jié)果③的強(qiáng)度包絡(luò)線則采用了所有多級試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行確定?？梢钥闯?，兩者較為一致。

綜上所述，采用多級加載方式測試土石混合料的抗剪強(qiáng)度是可靠的，可以大大簡化試驗(yàn)過程，而且對同一種類型的混合料只需要制備一個試樣，減少了制備多個平行試樣時由于試樣差異導(dǎo)致的結(jié)果偏差。

(a)土石混合料A (b)土石混合料B圖11 多級加載和單級加載試驗(yàn)的強(qiáng)度包絡(luò)線比較

4 結(jié)論

本文探討了多級加載方式下建立強(qiáng)度包絡(luò)線的理論基礎(chǔ)。通過比較兩種不同加載方式 (多級和單級)所獲得的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，驗(yàn)證了采用多級加載方式測試土石混合料抗剪強(qiáng)度的可靠性，同時分析了抗剪強(qiáng)度參數(shù)與含水率的關(guān)系，得到如下結(jié)論：

(1)壓實(shí)土石混合料的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系是非線性的。多級加載試驗(yàn)中所有試樣的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系較為規(guī)律；而在對土石混合料B的單級加載試驗(yàn)中，盡管B-4和B-5兩個試樣的偏應(yīng)力峰值有明顯差異，但產(chǎn)生的軸向應(yīng)變十分接近，體現(xiàn)了單級加載試驗(yàn)中平行試樣差異對試驗(yàn)結(jié)果的影響。

(2)兩種土石混合料的抗剪強(qiáng)度受含水率影響較小，因而具有較好的水穩(wěn)定性。這可能是由于細(xì)粒(d<0.075mm)含量較小所致。

(3)通過多級加載試驗(yàn)測得的內(nèi)摩擦角與單級試驗(yàn)結(jié)果接近，對于土石混合料A，①、②、③與④的相對差異分別為-3.7%、-8.0%、5.9%，對于土石混合料B，①、②、③與④的相對差異分別為3.3%、-1.5%、2.8%，總體上相對差異絕對值小于8%，從而驗(yàn)證了多級加載試驗(yàn)的可靠性，為測試大型土石混合料試樣的抗剪強(qiáng)度提供了簡化、經(jīng)濟(jì)的方法。