泥質(zhì)巖土石料填筑體變形特性試驗(yàn)研究

文琪鑫， 鄧榮貴， 孫 怡， 李凱甜

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川成都 610031)

1 泥質(zhì)巖土石料的使用與研究

高速公路、機(jī)場跑道及工廠等越來越多地在山區(qū)出現(xiàn)，挖填平場是不可避免的，由于運(yùn)輸條件限制，許多填方采用就近取材原則，以大塊石作為填料進(jìn)行土石方填筑，填筑體的變形是一項(xiàng)工程的控制因素，其變形規(guī)律對優(yōu)化設(shè)計和工程安全至關(guān)重要。

土石填料的典型特點(diǎn)是顆粒級配和均勻性差，采用強(qiáng)夯工藝進(jìn)行土石料填筑是目前較為主流的做法，塊石填方地基強(qiáng)夯處理需注意填料粒徑及級配、回填方法、分層厚度和檢測與評價等施工要點(diǎn)[1]，填筑高度和壓實(shí)度是影響沉降量的主要因素[2]，采取增大石料的含量與提高壓實(shí)度方法可以減小土石混合料自重應(yīng)力引起的瞬時壓縮變形[3]。有學(xué)者提出土石混填路堤強(qiáng)夯加固深度需考慮強(qiáng)夯加固范圍內(nèi)各影響因素并給出了相應(yīng)計算公式[4]。在進(jìn)行高填方沉降預(yù)測時，通過反演計算模型的材料參數(shù)結(jié)合數(shù)值分析是一種較為準(zhǔn)確且有效的辦法[5]，也可以采用考慮初始壓實(shí)度、初始含水率及土石比與所受荷載預(yù)測填筑土層強(qiáng)度和沉降量的算法[6-7]。有學(xué)者利用數(shù)值模擬研究了高填方邊坡的沉降，提出了填筑層數(shù)對邊坡沉降的影響[8]。巖石的流變性與絕大多數(shù)巖體工程的失穩(wěn)和破壞有關(guān)，蠕變既是巖石的特性，也是土和碎石混合料的重要特性，是土和碎石混合料能否應(yīng)用于高填方工程和預(yù)估高填方工后剩余沉降量的重要依據(jù)[9]。除了對一般土石的研究，也有很多對黃土、膨脹土等特殊土高填方的研究，如考慮地形和壓實(shí)度因素對黃土高填路堤沉降量影響[10-11]，對膨脹土采用“芯土”及外包土用作路基填筑的方法，與外界水體隔離，有效防止弱膨脹土遇水失穩(wěn)等各種病害[12]。但對于泥質(zhì)巖這種也需要作為特殊土對待的巖體，鮮有從固體大顆粒角度，對土石料填筑體在荷載作用下的變形機(jī)理研究。本文采用土石料填筑體長期變形模擬試驗(yàn)裝置，對某機(jī)場泥質(zhì)巖填筑體進(jìn)行了變形機(jī)理分析，建立了對數(shù)數(shù)學(xué)模型，對泥質(zhì)巖開挖土石料填筑體變形機(jī)理進(jìn)行了闡述。

2 泥質(zhì)巖土石料試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)?zāi)康氖茄芯繋r石固體大顆粒填筑體的長期變形。而現(xiàn)有設(shè)備主要針對小顆粒，一般工程填筑體土石料原型設(shè)計級配的最大粒徑可以達(dá)到800～1000 mm，考慮尺寸效應(yīng)，設(shè)備大小必須是顆粒平均粒徑的3～5倍以上，若將大顆?？s尺太小，其變形規(guī)律可靠性偏低，且無法考慮溫度、含水量變化對土石料風(fēng)化影響，故現(xiàn)有設(shè)備無法滿足試驗(yàn)需求。

本試驗(yàn)采用自主研制的土石料填筑體長期變形模擬試驗(yàn)裝置，該試驗(yàn)系統(tǒng)包括支撐裝置、水循環(huán)系統(tǒng)和風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，支撐裝置上設(shè)置有模型箱，支撐裝置上固定安裝有加載時，延伸至模型箱內(nèi)、并對模型箱內(nèi)的土石料填筑體施加豎向載荷的加載裝置，加載裝置上設(shè)置有采集土石料填筑體豎向壓縮變形量的采集裝置。該設(shè)備模型箱的尺寸為72.6 cm×75.6 cm×76 cm(長×寬×高)，可做最大尺寸160 mm，最大加載量油壓表讀數(shù)20 MPa，換算至試樣頂面荷載為496 kPa，可以實(shí)現(xiàn)填筑體自然加載變形、風(fēng)化變形、降雨軟化變形、蠕變變形及多種因素耦合的綜合變形試驗(yàn)等功能。本試驗(yàn)僅使用其自然加載變形功能(圖1)，首先將試樣用土石料按預(yù)想設(shè)計置入支撐裝置，然后采用加載裝置，即模型頂部由三個液壓千斤頂依靠反力裝置加載，傳力路徑為千斤頂、U型槽鋼、傳力板，土石料堆填試樣頂面，側(cè)向約束為四塊雙層1.5 cm厚有機(jī)玻璃板(聚甲基丙烯酸甲酯)外套U型槽鋼約束，有機(jī)玻璃板拉伸強(qiáng)度為50～77 MPa，彎曲強(qiáng)度為90～130 MPa，斷裂伸長率為2 %～3 %。隨著加載變形試驗(yàn)的進(jìn)行，讀取采集裝置數(shù)據(jù)，并統(tǒng)計試驗(yàn)后顆粒形態(tài)及級配參數(shù)，發(fā)現(xiàn)其規(guī)律，達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

圖1 土石料填筑體長期變形模擬試驗(yàn)裝置

2.2 試驗(yàn)設(shè)計

由于土石料粒徑較大，采用原型尺寸開展相應(yīng)的室內(nèi)試驗(yàn)難度較大，故需對原型土石料進(jìn)行縮尺。本試驗(yàn)采用相似級配法，通常是全料的粒徑皆被縮小, 使粗粒含量變小, 細(xì)粒含量增大, 導(dǎo)致試樣性質(zhì)發(fā)生變化，但此試驗(yàn)采用的是均勻大小顆粒，即均勻級配，故采用相似級配法可以保持顆粒級配幾何相似、不均勻系數(shù)及曲率系數(shù)不變，且其能較好反映工程性質(zhì)。試驗(yàn)終止標(biāo)志為試樣變形達(dá)試樣總高的20 %，或試樣明顯破壞。本試驗(yàn)試樣為紅層泥質(zhì)巖，取自四川某在建大型機(jī)場工程，巖體顆粒主要集中在140～160 mm之間，采用自由堆填方式，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿矆D如圖2。

圖2 試樣及試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)步驟如下：

(1)安裝雙層透明有機(jī)玻璃板模型箱。

(2)將擬選尺寸泥質(zhì)巖大顆粒，隨機(jī)、逐一輕放至模型箱內(nèi)，在接近頂部時，選用形態(tài)粗糙度類似顆粒進(jìn)行鋪填，整體呈自由堆填。

(3)安裝傳力裝置、加載裝置和測量裝置。

(4)按每級荷載油壓表讀數(shù)1 MPa加載，即試樣頂面荷載為24.8 kPa加載，每級變形穩(wěn)定后進(jìn)行下一級加載，至油壓表讀數(shù)19 MPa，終止加載。期間觀察顆粒破碎變化，記錄加載板位移，即試樣變形。

(5)采用篩分法統(tǒng)計試驗(yàn)后巖樣顆粒級配特征。

載荷作用位移采用電子千分表測量，共計4個測點(diǎn)(圖3)。

圖3 位移測點(diǎn)布置

3 填筑土石料特征

3.1 填筑土石料形態(tài)特征及顆粒級配特征

本文隨機(jī)選取20個泥質(zhì)巖顆粒，利用計算機(jī)圖像分析軟件Image-Pro Plus6.0獲取顆粒的輪廓，并用2種定量方法測量這些顆粒的IPP圓度和輪廓分維數(shù)，再結(jié)合鮑爾斯目標(biāo)對比法對土石料顆粒形態(tài)特征進(jìn)行說明(圖4)。

圖4 部分試驗(yàn)初始填料顆粒

每個顆粒形態(tài)各異，具有很強(qiáng)隨機(jī)性。顆粒巖性均均勻，巖石表面自然狀態(tài)下巖體手捻粉末感，濕巖手捻摸有滑膩感，當(dāng)水分較大時，較為粘手，沒有顆粒感存在。巖石主要吸收綠光和少量藍(lán)光、黃綠光，其顏色主要表現(xiàn)為綜紅色，不透明；其為分子鍵礦物構(gòu)成，對光的吸收程度小，反光能力較弱，光澤即弱，屬土狀光澤。測得IPP圓度和輪廓分維數(shù)如圖5、圖6所示。

圖5 IPP圓度

圖6 輪廓分維數(shù)

IPP圓度是以偏離正圓面積來計算圓度，巖石圓度一般大于1，其值越大越不圓。此巖樣顆粒IPP圓度均大于1.5，平均值為2.04。輪廓分維數(shù)是用一較小標(biāo)尺長度去量測輪廓周長，直到標(biāo)尺長度接近顆粒最小直徑時停止，并經(jīng)過系統(tǒng)計算所得到，其值越大顆粒輪廓越不規(guī)則。此巖樣顆粒輪廓分維數(shù)均大于1.02，平均值為1.057。結(jié)合目估對比法，根據(jù)鮑爾斯圓度標(biāo)準(zhǔn)，所有顆粒均屬于尖棱角狀。

試驗(yàn)所用粒徑主要集中在140～160 mm之間，質(zhì)量在2.900～4.100 kg之間，為均勻級配，平均粒徑為146 mm，顆粒級配曲線如圖7。

圖7 初始顆粒級配曲線

3.2 填筑土石料物理力學(xué)特性

填料用泥質(zhì)巖初始含水量為2 %，天然重度為2.38 g/cm3。采用機(jī)械鉆孔加工7個標(biāo)準(zhǔn)巖樣，即直徑50 mm，高100 mm的圓柱體型，分3個進(jìn)行單軸加載試驗(yàn)，4個進(jìn)行三軸加載試驗(yàn)。

3.2.1 單軸加載試驗(yàn)

三個巖樣巖性基本相同，最大荷載平均值為7.60 kN，應(yīng)力為3.87 MPa；最大位移平均值為1.5188 mm，應(yīng)變?yōu)?.0152。三者在達(dá)到峰值前后均經(jīng)歷一段波動，但峰值附近波動變形較小，這與巖石原處地應(yīng)力條件及風(fēng)化程度有一定關(guān)系。三者在達(dá)到峰值后應(yīng)力下降，表現(xiàn)出一定的脆性特征。巖樣單軸加載參數(shù)如表1所示，變形曲線如圖8所示。

表1 單軸加載參數(shù)

圖8 單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3.2.2 三軸加載試驗(yàn)

三軸試驗(yàn)是常規(guī)情況下的，即σ1>σ2=σ3，施加的圍壓分別為是1 MPa、2 MPa、3 MPa和4 MPa。加載試驗(yàn)實(shí)施方案如下：首先以0.5 MPa/s 的速度施加軸壓和圍壓至靜水壓力值(即預(yù)設(shè)圍壓值)，并保持15 s不變，此過程采用應(yīng)力控制模式；然后保持圍壓不變，繼續(xù)以0.5 MPa/s 的速度施加軸壓，直至巖樣破壞，此過程采用位移控制模式。巖樣三軸加載參數(shù)如表2所示，三軸變形曲線如圖9所示。

表2 三軸加載參數(shù)

圖9 三軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)三個單軸試驗(yàn)巖樣不難看出，巖石巖性基本相近，故三軸試驗(yàn)結(jié)果圖像差異主要由圍壓控制。在處于1 MPa的相對低圍壓狀態(tài)下時，當(dāng)豎向荷載達(dá)到5.10 MPa時，荷載將不再上升基本保持不變，直到豎向位移達(dá)到限值；圍壓2 MPa時，其峰值豎向荷載有明顯上升，增加為8.05 MPa，為圍壓2 MPa時的1.5倍，峰值后下降至5.10 MPa附近直至破壞；圍壓3 MPa、4 MPa時，其峰值荷載相近，為9.17 MPa，較圍壓2 MPa時無明顯上升，圍壓3 MPa巖樣破壞時荷載與圍壓1 MPa、2 MPa相近，圍壓 4 MPa破壞荷載為前三種的1.2倍。

四者圖像均在達(dá)到峰值后迅速下降一段，然后趨于穩(wěn)定，說明在圍壓作用下先表現(xiàn)脆性，再表現(xiàn)出延性。單軸和三軸變形曲線中均未體現(xiàn)出壓密階段，可以認(rèn)為巖石自然狀態(tài)下較為密實(shí)。

4 填筑體土石料變形特征及分析

4.1 填筑體變形特性及其分析

土石料填筑體在荷載小于120 kPa時，變形較為迅速；120 kPa與240 kPa之間，變形較為緩慢，并伴有巖石破碎聲；240 kPa與320 kPa之間變形速率適中；320 kPa與447 kPa之間，變形緩慢，有微弱巖石破碎聲，在趨近447 kPa時，變形變化很小，總變形量達(dá)到了82.4 mm，大部分顆粒肉眼可見破壞，認(rèn)為此時填筑體達(dá)到了破壞狀態(tài)，試驗(yàn)終止。

通過對試驗(yàn)過程的觀察及數(shù)據(jù)的整理，可以認(rèn)為泥質(zhì)巖土石料填筑體均質(zhì)顆粒在荷載作用下的變形可分為四個階段：巖塊似彈塑性變形階段，巖塊接觸面(點(diǎn))壓裂變形階段，填筑體塊?？臻g結(jié)構(gòu)崩潰失穩(wěn)變形階段和巖塊破碎與空隙閉合擠密變形階段。整體變形規(guī)律可用對數(shù)模型進(jìn)行擬合(圖10)，散點(diǎn)圖為荷載-變形曲線，光滑對數(shù)曲線為擬合曲線，垂直于橫軸的點(diǎn)畫線為四個變形階段分界線。

圖10 荷載-變形曲線

由擬合曲線可以建立荷載變形數(shù)學(xué)模型，相關(guān)系數(shù)為R=0.938，如下：

s=-3.674ln(F)+14.721

(1)

式中：F(kPa)為填筑體頂板荷載，s(cm)為填筑體豎向平均位移。

土石料本構(gòu)模型常用土體的壓縮特性雙線性函數(shù)模擬，即當(dāng)平均應(yīng)力p小于屈服應(yīng)力時，材料處于彈性變形狀態(tài)；當(dāng)其超過屈服應(yīng)力后，土體顆粒開始破碎，圧縮曲線下彎明顯，塑性體積變形持續(xù)積累[13]。本文試驗(yàn)為側(cè)限約束單向加載，荷載-變形曲線為對數(shù)函數(shù)模型，故采用下述指數(shù)函數(shù)[14]進(jìn)行理論計算：

(2)

式中：e0為材料的初始孔隙比；hs為固相硬度，是堆石料抵抗能力的一種綜合度量，量綱與應(yīng)力一致；n是無量綱量，由材料級配確定。

堆石料為均勻級配，n取1.204 8，hs取2 004 kPa，初始孔隙比e0=0.481,則據(jù)式(2)得e-logp曲線如圖11光滑曲線所示。試驗(yàn)所得e-logp曲線如圖11帶標(biāo)記線所示。

圖11 試驗(yàn)和理論得e-logp曲線

試驗(yàn)測點(diǎn)數(shù)據(jù)主要落在陡傾段，說明本試驗(yàn)所用均勻大顆粒，初期具有很強(qiáng)結(jié)構(gòu)性，在荷載作用下，顆粒接觸點(diǎn)首先得到破壞，破碎顆粒填充孔隙，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞變形，即從加載初始就進(jìn)入了顆粒破碎階段。試驗(yàn)結(jié)果曲線和經(jīng)驗(yàn)曲線較為接近，對于均勻大顆粒堆石料變形計算可采用(1)式，且可直接從顆粒破碎階段開始考慮。

4.2 填筑體變形后的顆粒特性及其分析

按變形后填筑體總高從上至下分為三層進(jìn)行顆粒級配統(tǒng)計分析，因顆粒原型尺寸較大，破碎無明顯分層，統(tǒng)計按每層厚度約20 cm進(jìn)行，對于有些顆粒貫穿于上下層，按顆粒尺寸1/2為界，將顆粒歸為體積較大部分所處層。分別計算三層及整體的不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)(表3)。

表3 各層及整體級配指標(biāo)

各層及整體的曲率系數(shù)均在1～3之間，第一、二及整體不均勻系數(shù)均小于5，第三層不均勻系數(shù)大于5，級配指標(biāo)評價為良好。試驗(yàn)后各層間指標(biāo)差異不大，各層與整體級配指標(biāo)差異也不大。如圖12，從試驗(yàn)前整體和試驗(yàn)后各層及整體級配曲線可以看出，試驗(yàn)后曲線明顯緩與試驗(yàn)前，這是因?yàn)殡S著顆粒破碎形成大量不同粒徑小顆粒，填補(bǔ)泥質(zhì)巖大顆粒之間空隙，且空隙被擠密，填筑體密實(shí)度增大；也可以看出試驗(yàn)后從上往下級配逐漸變好，結(jié)合試驗(yàn)觀察，可以說明在靜荷載作用下下層擠密效果良好，此試驗(yàn)第三層密實(shí)度較高，可以作為工程填料參考級配。

圖12 試驗(yàn)前整體和試驗(yàn)后各層及整體級配曲線

5 結(jié)論

(1)泥質(zhì)巖開挖土石料顆粒從IPP圓度和輪廓分維數(shù)的定量描述，其平均值分別為2.054、1.057，均大于鮑爾斯目估標(biāo)準(zhǔn)顆粒的尖棱角狀對應(yīng)值，且結(jié)合目估對比法定性分析，該顆粒群均為尖棱角狀。

(2)填筑體在側(cè)限剛性約束的豎向荷載作用下經(jīng)歷較快，緩慢夾破碎聲，中速，緩慢夾破碎聲四個不同變形階段，其可察覺破碎聲均發(fā)生在變形緩慢階段，說明填筑體的變形主要受塊?？臻g結(jié)構(gòu)控制，土石顆粒破壞為輔。

(3)填筑體變形隨應(yīng)力變化近似對數(shù)規(guī)律，可采用文中數(shù)學(xué)模型對此類均勻顆粒自由堆填體進(jìn)行變形預(yù)測，變形可分為四個階段：巖塊似彈塑性變形階段，巖塊接觸面(點(diǎn))壓裂變形階段，填筑體塊?？臻g結(jié)構(gòu)崩潰失穩(wěn)變形階段和巖塊破碎與空隙閉合擠密變形階段。在實(shí)際工程中應(yīng)重視堆填體的空間結(jié)構(gòu)布置，以增大第三變形階段的載荷區(qū)間，提高承載力，減少沉降量。

(4)加載完成后觀察第三層具有較好擠密效果，且經(jīng)篩分統(tǒng)計，該層顆粒級配良好，故所得級配參數(shù)可用作工程土石 料填筑體參考。

本試驗(yàn)研究僅為初步的，泥質(zhì)巖土石料顆粒特性與開挖方式的關(guān)系，以及不同初始級配對土石料填筑體變形的影響等問題尚需進(jìn)一步研究。