土石混合填料大型三軸剪切試驗(yàn)研究

景宏君 張延青 顧行文 凌華

摘要：為研究土石混合填料在不同土石混合比情況下的力學(xué)響應(yīng)，以國(guó)道316旬陽(yáng)至安康二級(jí)公路改建工程中的填石高路堤工程為依托，利用大型三軸剪切試驗(yàn)儀，在4種不同圍壓條件下，分別對(duì)土石混合質(zhì)量比為3∶7和3∶2的試樣進(jìn)行固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)當(dāng)土石混合比為3∶7時(shí)，在低圍壓（200 kPa）條件下，試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)為應(yīng)變硬化型，在高圍壓（400，600和800 kPa）條件下，試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)在達(dá)到峰值應(yīng)力后有所下降，表現(xiàn)為弱應(yīng)變軟化。在4種圍壓條件下，試樣體應(yīng)變均表現(xiàn)為隨軸向應(yīng)變先增大后減小，即試樣先剪縮后剪脹，且表現(xiàn)為隨著圍壓的增大，剪縮量不斷增大，然后達(dá)到峰值，隨后體應(yīng)變減小，表現(xiàn)出剪脹趨勢(shì)，且隨著圍壓的增大，剪脹趨勢(shì)減弱。當(dāng)土石混合比為3∶2時(shí)，在4種圍壓條件下，試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)均表現(xiàn)為應(yīng)變硬化，無(wú)明顯的峰值強(qiáng)度。試樣體應(yīng)變均隨軸向應(yīng)變?cè)龃蠖龃?，即試樣一直表現(xiàn)為剪縮，且圍壓越大，剪縮趨勢(shì)越明顯，剪縮量越大。體變速率 （dεv/dε1）能較好地反映試樣變形特性和應(yīng)力-應(yīng)變特性。結(jié)果表明：土石混合比的變化對(duì)土石混合料剪脹性影響很大，對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變特性的影響主要體現(xiàn)在加載后期。

關(guān)鍵詞：土石混合料;大型三軸剪切試驗(yàn);應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系;剪脹性;體變速率

中圖分類(lèi)號(hào)：TU 411文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0213文章編號(hào)：1672-9315（2019）02-0270-06

0引言

在山區(qū)修筑道路，由于缺乏優(yōu)良的路基填料，常選用隧道爆破或路塹開(kāi)挖產(chǎn)生的棄渣。若單純使用棄渣作為填料，則路基難以壓實(shí)且穩(wěn)定性差，因此往往利用棄渣與細(xì)粒土混合形成的土石混合體作為路基填料。土石混合體通常是指由具有一定工程尺度、強(qiáng)度較高的塊石、細(xì)粒土及孔隙構(gòu)成且具有一定含石量的極端不均勻松散巖土介質(zhì)系統(tǒng)[1]。國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)土石混合體工程力學(xué)特性進(jìn)行研究，并取得了一定成果。曹文貴等考慮含水量、含石量、巖性及土性等因素的影響，進(jìn)行了一系列土石混填體大型三軸試驗(yàn)，研究土石混填體的變形力學(xué)特性[2]。丁自偉等利用改進(jìn)的原位直剪試驗(yàn)裝置，開(kāi)展礦區(qū)典型巖土體力學(xué)特性研究[3]。寧金成等采用大型三軸試驗(yàn)研究了土石混合體的強(qiáng)度特性[4]。劉麗萍等為研究擊實(shí)功、擊實(shí)方法及等效處理法對(duì)土石混合料擊實(shí)結(jié)果的影響，開(kāi)展了一系列擊實(shí)試驗(yàn)[5]。趙川等采用直剪試驗(yàn)對(duì)碎石土的抗剪強(qiáng)度與含石量、含水量等的關(guān)系進(jìn)行了研究[6-8]。孫文君等采用大三軸試驗(yàn)研究了黃土與碎石混合體的力學(xué)性質(zhì)[9]。王江營(yíng)等開(kāi)展一系列大型三軸剪切試驗(yàn)，研究了不同應(yīng)力路徑下土石混填體的變形力學(xué)特性[10]。金磊等為揭示塊石含量和塊石形狀對(duì)膠結(jié)土石混合體力學(xué)特性的影響，開(kāi)展了一系列室內(nèi)大三軸試驗(yàn)研究[11]。閆云明等為研究粗粒含量對(duì)土石混合料抗剪強(qiáng)度的影響，對(duì)不同粗粒含量的土石混合料試樣進(jìn)行飽和固結(jié)排水三軸壓縮試驗(yàn)[12]。舒志樂(lè)等采用大型三軸試驗(yàn)，研究了不同粒度分維不同圍壓下土石混合體的應(yīng)力-應(yīng)變特性、強(qiáng)度參數(shù)特征及峰值強(qiáng)度特征[13]。楊忠平等、詹永祥等基于大型直剪試驗(yàn)和離散元程序，研究了含石量變化對(duì)土石混合體抗剪強(qiáng)度的影響[14-15]。夏加國(guó)等進(jìn)行大型三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，研究了土石混合體在含超徑顆粒情況下的力學(xué)響應(yīng)[16]。王強(qiáng)等開(kāi)展室內(nèi)大型擊實(shí)試驗(yàn)與數(shù)值模擬，研究不同塊石質(zhì)量分?jǐn)?shù)及不同塊石形狀的軟巖土石混合體的擊實(shí)特性及其細(xì)觀機(jī)理[17]。國(guó)外學(xué)者也對(duì)土石混合料的變形和強(qiáng)度特性做了較多研究，Zhang等開(kāi)展三軸試驗(yàn)，研究了具有相同含石量但不同粒度分布的3種土石混合體的力學(xué)行為[18]。Shan等基于數(shù)字圖像，提出了一種提出了一種土石混合體微觀結(jié)構(gòu)PFC2D模型的自動(dòng)生成方法[19]。Li等、Xu等進(jìn)行了一系列原位水平推剪試驗(yàn)，研究了土石混合體的強(qiáng)度特性[20]。

目前，通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬手段對(duì)土石混合料的強(qiáng)度和變形等力學(xué)性狀進(jìn)行了許多研究。但由于土石混合料顆粒粒徑變化較大，變形力學(xué)特性較為復(fù)雜，在用作路堤填料時(shí)，易出現(xiàn)施工困難、穩(wěn)定性差等問(wèn)題。因此，深入研究土石混合體變形力學(xué)特性，具有重要的理論與工程實(shí)際意義。文中以國(guó)道316旬陽(yáng)至安康二級(jí)公路改建工程中的填石高路堤工程為依托，進(jìn)行大型三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，研究土石混合填料力學(xué)特性，為本項(xiàng)目工程及其他類(lèi)似工程的穩(wěn)定性分析提供參考。

1試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)材料

本次三軸剪切試驗(yàn)是在南京水利科學(xué)研究院的大型靜力三軸儀（圖1）上進(jìn)行的，試樣尺寸為300 mm×700 mm，最大限制粒徑為60 mm.

試驗(yàn)材料取自國(guó)道316旬陽(yáng)至安康二級(jí)公路改建工程中的填石高路堤工程，為黃土和絹云石英片巖的混合體。試驗(yàn)級(jí)配曲線(xiàn)如圖2所示。

1.2試驗(yàn)過(guò)程

根據(jù)試驗(yàn)要求，按0～5，5～10，10～20，20～40，40～60 mm粒徑檔分5等份制備試樣。將透水板置于試樣底部，橡皮膜綁扎在底座上，之后安裝成型筒，將橡皮膜外翻在成型筒上并在成型筒外抽氣，使橡皮膜貼緊成型筒內(nèi)壁。放入第1層試樣并均勻鋪平，根據(jù)試樣要求的干容重采用振動(dòng)器進(jìn)行振實(shí)，振動(dòng)器底板靜壓為14 kPa，振動(dòng)頻率為40 Hz.試樣裝好后，加上透水板和試樣帽，扎緊橡皮膜，去掉成型筒（去掉成膜桶后的三軸試樣如圖3所示），安裝圍壓室，打開(kāi)圍壓室排氣孔，向內(nèi)注水，當(dāng)有水從排氣孔流出時(shí)，關(guān)閉排氣孔，采用滴水飽和法使試樣飽和。按要求對(duì)飽和試樣施加圍壓，進(jìn)行固結(jié)。固結(jié)完成后，進(jìn)行試驗(yàn)。

重復(fù)上述過(guò)程分別進(jìn)行圍壓為200，400，600和800 kPa狀態(tài)下的試驗(yàn)研究。在試驗(yàn)過(guò)程中，計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集試樣的軸向荷載、軸向變形和排水量，并同步繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，直到試樣破壞或達(dá)到軸向應(yīng)變的15%.當(dāng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)有峰值時(shí)，將峰值點(diǎn)作為破壞點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的主應(yīng)力差（σ1-σ3）作為該試樣的破壞強(qiáng)度，反之則取軸向應(yīng)變的15%所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為破壞點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的主應(yīng)力差（σ1-σ3）為試樣的破壞強(qiáng)度。剪切完成后的試樣如圖4所示。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分析

圖5為不同混合比試樣在不同圍條件下的大型三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)。

從圖5可以看出：當(dāng)土石混合比一定且軸向應(yīng)變相同時(shí)，試樣的偏應(yīng)力隨圍壓的增大而增大。土石混合比為3∶7的試樣，當(dāng)圍壓為200 kPa時(shí)，其偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線(xiàn)為應(yīng)變硬化型，當(dāng)圍壓為400，600和800 kPa時(shí)，其偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線(xiàn)表現(xiàn)為弱應(yīng)變軟化，且軸向應(yīng)變未達(dá)到15%時(shí)，試樣已破壞。土石混合比為3∶2的試樣，在4種圍壓下，其偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線(xiàn)均表現(xiàn)為應(yīng)變硬化。

土石混合比為3∶7的試樣，其含石量較高，隨著圍壓的增大，石料被壓碎，導(dǎo)致偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線(xiàn)在達(dá)到峰值應(yīng)力后有少許下降。土石混合比為3∶2的試樣，其土料含量較高，顆粒不易被壓碎。

2.2體應(yīng)變分析

對(duì)于三軸排水剪切試驗(yàn)而言，試樣的體應(yīng)變是通過(guò)量測(cè)試樣的排水量而得到的，而在不排水剪切條件下，通常認(rèn)為試樣體積不發(fā)生變化。但對(duì)于含石量較高的試樣，由于在剪切過(guò)程中塊石間存在滑動(dòng)擠壓、破碎和填充空隙等現(xiàn)象，試樣同樣存在剪脹和剪縮現(xiàn)象。

由圖6可以看出：對(duì)于土石混合比為3∶7的情況，試樣在4種圍壓下，體應(yīng)變均表現(xiàn)為隨軸向應(yīng)變先增大后減小，說(shuō)明試樣先剪縮后剪脹，且圍壓越大，剪縮量越大，然后達(dá)到峰值，隨后表現(xiàn)出剪脹趨勢(shì)，且圍壓越大剪脹量越小，隨著軸向荷載的不斷增大，試樣發(fā)生破壞。對(duì)于土石混合比為3∶2情況，試樣在4種圍壓條件下，體應(yīng)變均隨軸向應(yīng)變?cè)龃蠖龃螅瑹o(wú)明顯的峰值強(qiáng)度，表明試樣一直表現(xiàn)為剪縮，且圍壓越大，剪縮量越大。

為了更直觀的表現(xiàn)試樣的變形性狀，引入體變速率 （dεv/dε1）。圖7為體變速率隨軸向應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)。體變速率為正表示剪縮，體變速率為負(fù)表示剪脹。

由圖7可看出：對(duì)于土石混合比為3∶7的試樣，在4種圍壓下，其體變速率均隨著軸向應(yīng)變的增大從某一正值先增大后減小為負(fù)值，隨后又有略微增大但仍為負(fù)值，說(shuō)明試樣是先剪縮后剪脹。其曲線(xiàn)的最小值點(diǎn)基本對(duì)應(yīng)于應(yīng)變軟化型曲線(xiàn)的峰值強(qiáng)度點(diǎn)。當(dāng)圍壓一定時(shí)，隨著軸向應(yīng)變的增大，剪縮趨勢(shì)逐漸減弱，剪縮量減小為0時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象，隨后剪脹趨勢(shì)不斷加強(qiáng)。當(dāng)圍壓較低（200 kPa）時(shí)，在軸向應(yīng)變較?。s5%）時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象，隨著圍壓的增大，出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象時(shí)的軸向應(yīng)變隨之增大。當(dāng)軸向應(yīng)變一定時(shí)，隨著圍壓的增大，剪縮量不斷增大，剪脹量不斷減小。對(duì)于土石混合比為3∶2的試樣，加載初期，其體變速率與混合比為3∶7的試樣具有相同的趨勢(shì)，即體變速率隨著軸向應(yīng)變的增大從某一正值先增大后減小，但最終并未減小為負(fù)值，說(shuō)明試樣一直表現(xiàn)為剪縮。應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)為硬化型。當(dāng)圍壓一定時(shí)，隨著軸向應(yīng)變的增大，剪縮量不斷減小。當(dāng)軸向應(yīng)變一定時(shí)，隨著圍壓的增大，剪縮量不斷增大?？梢悦黠@看出，隨著軸向應(yīng)變的增大，土石混合比為3∶7的試樣比土石混合比為3∶2的試樣較早地發(fā)生破壞。

當(dāng)土石混合比為3∶2時(shí)，試樣土料含量較高，塊石之間相互接觸較少，加載初期，在圍壓作用下，細(xì)顆粒迅速調(diào)整位置，試樣內(nèi)部孔隙被壓密，表現(xiàn)為剪縮。圍壓增大，試樣被壓密程度增加，剪縮量增大。隨著試樣不斷被壓密，剪縮量增大量逐漸減小，表現(xiàn)為剪縮趨勢(shì)減弱。

當(dāng)土石混合比為3∶7時(shí)，試樣石料含量較高，塊石間互相接觸的機(jī)會(huì)增多，在圍壓作用下，塊石快速調(diào)整位置，彼此間相互支撐形成不易破壞的骨架結(jié)構(gòu)。當(dāng)圍壓較低時(shí)，塊石不易被壓碎，骨架結(jié)構(gòu)不會(huì)破壞，由于骨架結(jié)構(gòu)的支撐作用，試樣內(nèi)部的孔隙不易被填充，因此，在加載初期細(xì)顆粒只填充部分孔隙，試樣的剪縮量較小。隨著軸向荷載的增大，細(xì)顆粒間出現(xiàn)滾動(dòng)爬坡現(xiàn)象，試樣開(kāi)始表現(xiàn)出剪脹趨勢(shì)，體應(yīng)變減小。隨著圍壓的增大，剪縮量不斷增大，塊石之間出現(xiàn)互相擠壓現(xiàn)象，部分塊石擠入其他塊石之間，骨架結(jié)構(gòu)破壞，試樣表現(xiàn)出剪脹趨勢(shì)。之后，圍壓再增大，塊石間互相接觸的部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，部分塊石被壓碎為細(xì)顆粒，而細(xì)顆粒迅速調(diào)整位置填充孔隙，致使試樣密實(shí)，表現(xiàn)為圍壓增大，剪脹趨勢(shì)減弱。

3結(jié)論

1）土石混合料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與土和石所占比例及外荷載大小有很大關(guān)系。土石混合料中石料含量較高時(shí)，低圍壓下，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)表現(xiàn)為應(yīng)變硬化，高圍壓下，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)表現(xiàn)為弱應(yīng)變軟化。土石混合料中土料含量較高時(shí)，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)均表現(xiàn)為應(yīng)變硬化;

2）土石混合料中土料和石料比例的變化對(duì)其剪脹性影響很大，當(dāng)石料含量較高時(shí)，試樣出現(xiàn)明顯的剪脹現(xiàn)象，且剪脹量較大。相比土料含量較高的試樣，石料含量較高的試樣在軸向荷載較小時(shí)發(fā)生破壞;

3）體變速率能較好地反映體變變化和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。當(dāng)體變速率從正值先增大后減小為負(fù)值，隨后又有所增大但仍為負(fù)值，則體變?yōu)橄燃艨s后剪脹，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)為軟化型，體變速率為0時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)剪脹，體變速率達(dá)到最小值時(shí)，試樣剪脹性最大，對(duì)應(yīng)于應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的峰值強(qiáng)度。當(dāng)體變速率從正值先增大后減小但仍為正值時(shí)，則體變表現(xiàn)為剪縮，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)為硬化型。

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