粗顆粒含量對粗顆粒土抗剪強度指標(biāo)的影響研究

馬捷， 韓文喜,2，李寶成，梁春曉

(1. 成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川成都610059； 2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點試驗室，四川成都610059)

1 顆粒級配設(shè)計

本次試驗的粗顆粒土取自貴州龍洞堡機場棲霞、茅口組灰?guī)r。這種灰?guī)r的平均天然單軸抗壓強度41.23 MPa，平均飽和單軸抗壓強度40.00 MPa。由于本次試驗的土料為爆破所得，風(fēng)化程度與磨圓度低，最大粒徑為60.00 mm。

通過對龍洞堡機場、承德機場、攀枝花機場、三明機場、九寨機場、稻城亞丁機場、康定機場的填料綜合分析，結(jié)合GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》確定粗?；旌贤辽舷孪?。本文級配設(shè)計以落在粗?；旌贤辽舷抟酝獾募壟淝€為參考。由于著重研究P5含量變化對灰?guī)r類填料的力學(xué)特性影響，所以保證每組試樣P5含量不同。因而通過經(jīng)篩分后按不同P5值將土樣用干法配制成9種不同級配，具體各組級配見表1。

表1 顆粒級配 單位：%

按下式計算每組試樣的不均勻系數(shù)Cu與曲率系數(shù)Cc：

(1)

(2)

式中d60——限制粒徑，土的粒徑分布曲線上的某粒徑，小于該粒徑的土粒質(zhì)量為總土粒質(zhì)量的60%；d30——中值粒徑，土的粒徑分布曲線上的某粒徑，小于該粒徑的土粒質(zhì)量為總土粒質(zhì)量的30%；d10——有效粒徑，土的粒徑分布曲線上的某粒徑，小于該粒徑的土粒質(zhì)量為總土粒質(zhì)量的10%。

將計算結(jié)果總結(jié)至表2。

表2 dmax≤60 mm的級配特征

2 擊實試驗

從制備好的一份試樣中稱取1/3土量，分3層倒入擊實筒內(nèi)并將土面整平，分層擊實，擊實高度763 mm，每層擊實次數(shù)為84次。每層擊實時，保證擊實錘在距填料面同一高度處自由鉛直下落。三層擊實完成后稱試樣總質(zhì)量，之后含水率測定試樣含水率[8-10]。按式(1)計算擊實后各試樣的含水率：

(1)

按式(1)計算擊實后各試樣的干密度：

(2)

式中ω——含水率，%；m——濕土質(zhì)量，g；md——干土質(zhì)量，g；ρd——干密度，g/cm3；ρ——濕密度，g/cm3。

合成樟腦丸中的對二氯苯對眼睛和上呼吸道有刺激性，對中樞神經(jīng)有抑制作用，會損害肝和腎。人在接觸高濃度對二氯苯時，可出現(xiàn)虛弱、眩暈、嘔吐等癥狀。世界衛(wèi)生組織和國際癌癥研究機構(gòu)已確認，對二氯苯對動物致癌，對人類可疑致癌。

對所有組別的試樣都在5種不同含水率下進行擊實。得到最大干密度與最優(yōu)含水率與P5含量的關(guān)系曲線見圖1。

由圖1可以看出當(dāng)P5在35%～65%范圍內(nèi)時，最大干密度與最優(yōu)含水率隨著P5含量的增加整體趨勢均為先增后減。最大干密度的峰值為2.36 g/cm3,對應(yīng)P5為75%，而最優(yōu)含水率的峰值為5.3%，對應(yīng)P5為55%。根據(jù)分析可以推斷，當(dāng)P5小于75%時，隨著粗顆粒含量增加，土粒體積占總體積比例逐步增大，土體的最大干密度隨之增加，直至到P5為75%時，較細顆粒幾乎剛好可以將較粗顆粒間的空隙填滿，此時土體最密實，干密度也最大，而當(dāng)P5大于75%時，隨著細顆粒比例減小，較細顆粒無法將空隙填滿而導(dǎo)致孔隙率上升，最大干密度驟降。

P5含量在一定范圍內(nèi)，最優(yōu)含水率整體隨著P5含量增大而減小。當(dāng)P5含量未達到75%臨界值時，隨著粗顆粒含量增加，較之單位體積細顆粒表面積減小，對水顆粒吸附力小而含水率降小。但此細顆粒仍能完全填滿粗顆粒間的空隙，為粗細顆?；旌献饔?，故而最優(yōu)含水率減小較為緩慢；當(dāng)P5含量超過75%臨界值時，此時細料含量過少而不能完全填充粗料間的空隙，粗顆粒起控制性作用，對水分子吸附力大大降低，并且P5含量的增加的同時單位體積內(nèi)顆粒表面積減小不大，故而最優(yōu)含水率減小幅度很小；當(dāng)P5含量約為75%，為上述2種情況的臨界點。其中P5含量為55%時，最優(yōu)含水率為最大值，這是因為此時細顆粒含量達到較值為45%，并且小于0.25 mm的顆粒含量最大為20%，其他級配基本低于10%，其對水分子吸附力更強，最優(yōu)含水率最大。

通過擊實試驗的結(jié)果總結(jié)與分析可以得到，當(dāng)P5含量在35%～85%范圍內(nèi)，當(dāng)P5為55%時，土體對水分的吸附能力最強，最優(yōu)含水率達到峰值；當(dāng)P5含量為75%時，土體最大干密度達到峰值，土體密實度最大，并在此時擁有較小的最優(yōu)含水率，由此可見P5為75%時級配良好。

3 大型三軸試驗

本次試驗采用不固結(jié)不排水試驗(UU)，使測得試樣總抗剪強度參數(shù)適用于土體受力而孔隙壓力不消散的情況，所取得的試驗成果，常用于對土石壩、填方施工期的穩(wěn)定性分析(總應(yīng)力法)[9]。依據(jù)重型擊實試驗得到的每個填料級配設(shè)計下最大干密度和最優(yōu)含水率，將壓實度控制為0.95，試樣含水率控制為最優(yōu)含水率，以此來研究A—I共9組填料級配特征的不同對粗顆粒土強度特性的影響。

根據(jù)SL 237—1999《土工試驗規(guī)程》規(guī)定，本次6組試驗，每組3個試樣，分別在不同恒定周圍壓力100、200、300 kPa(即最小主應(yīng)力σ3)下施加軸向壓力(即主應(yīng)力差σ1-σ3)，進行剪切至破壞，之后按摩爾-庫侖強度理論求得抗剪強度參數(shù)。試驗過程按以下步驟實施：首先根據(jù)試驗要求，通過前面擊實試驗得到的最大干密度和最優(yōu)含水率，以壓實度0.95為標(biāo)準(zhǔn)，按試樣尺寸依據(jù)計算得到每個試樣所需質(zhì)量和配置最優(yōu)含水率所需水量，并用噴水壺灑水至最優(yōu)含水率，攪拌均勻留置備用在底座上用橡皮管扎好乳膠膜，安裝成型筒，將橡皮膜外翻在成型筒上，并使其順直和緊貼成型筒內(nèi)壁，之后將黑色2 mm厚橡皮膜分2塊相互交叉緊貼乳膠膜放入。為防止粗顆粒離析，試樣分6層裝填，每層擊實至相應(yīng)高度后，對表面刨毛，再裝填下一層，如此繼續(xù)，直至最后一層裝填完成，其表面應(yīng)整平，無突出顆粒，加上土工布和試樣帽，扎緊乳膠膜，再去掉成型筒安裝壓力室，旋緊連接螺栓，向壓力室注水。注水完成后，在壓力室上方固定位移傳感器，以測軸向位移。開啟供油開關(guān)，將圍壓進水開關(guān)打開，使壓力值達到預(yù)定數(shù)值后擰緊。試驗具體過程見圖2—5。

試驗開始時，手動調(diào)速閥控制速度為1.5 mm/min，試驗過程中，不斷控制圍壓進排水開關(guān)，保持圍壓在一定數(shù)值，同時做好軸向荷載和軸向變形記錄；分別在不同恒定圍壓下施加軸向壓力(即主應(yīng)力差σ1-σ3)，進行剪切至破壞，之后按摩爾-庫侖強度理論求得抗剪強度參數(shù)。增加圍壓使壓力值達到預(yù)定數(shù)值并在試驗過程中保持圍壓穩(wěn)定，選取軸向應(yīng)變15%對應(yīng)的主應(yīng)力差作為破壞強度值。得到各試樣的應(yīng)力峰值σ1、σ3總結(jié)至表3。

以法向應(yīng)力σ為橫坐標(biāo)，剪應(yīng)力τ為縱坐標(biāo)，在橫坐標(biāo)上以(σ1+σ3)/2為圓心，(σ1-σ3)/2為半徑繪制摩爾圓，作不同圍壓下莫爾圓包線進行線性擬合并得到線性方程

σ=τtanφ+c

(3)

式中τ——剪應(yīng)力；σ——軸向應(yīng)力；c——內(nèi)聚力；φ——內(nèi)摩擦角。

總結(jié)得出9組試樣莫爾圓包絡(luò)線方程見表4。

分別繪制c、φ值隨P5含量變化曲線見圖6,由圖6可以看出當(dāng)P5在35%～85%范圍內(nèi)時，內(nèi)摩擦角隨著P5含量的增加整體趨勢均為先增后減。φ的峰值為43°,對應(yīng)P5為75%；而黏聚力隨著P5含量的增加整體趨勢為先減后增，c的最低值為16.8 kPa，對應(yīng)P5為55%。通過對以上結(jié)果的分析及對圖1、2進行對比可以推斷：當(dāng)P5小于75%時，隨著粗顆粒含量增加，粗顆粒土逐漸形成“土骨架”，土粒之間的嵌固作用逐漸增強，從而使土體的內(nèi)摩擦角增加。而由擊實試驗結(jié)果可知當(dāng)P5達到75%時，土體達到最密實狀態(tài)，可以推測此時粗細顆粒共同抵抗外部剪切荷載，土粒間的嵌固最緊實，內(nèi)摩擦角達到最大，而當(dāng)P5含量大于75%時，隨著P5含量的增加，細顆粒含量減少致使孔隙增多，土體密實度降低，從而導(dǎo)致土顆粒間的嵌固作用下降，從而φ值有所降低；當(dāng)P5小于55%時，粗顆粒土試樣中的黏聚力主要為細顆粒之間的膠結(jié)力提供，會隨著粗顆粒含量的增多，細顆粒間的膠結(jié)作用不斷減小，當(dāng)P5為55%時，由擊實試驗結(jié)果推測此時土體內(nèi)部具有最大的內(nèi)表面積，則此時細顆粒間的接觸最不充分，顆粒間的吸引、連接作用最弱。當(dāng)P5大于55%時，粗顆粒增加以至相互接觸，土體中黏聚力開始由粗顆粒間的咬合作用和細顆粒間的黏聚力共同提供，且隨著粗料含量的增加，粗顆粒之間相互接觸產(chǎn)生咬合作用，因此粗顆粒土試樣的黏聚力不斷增大。由此可以看出，由于內(nèi)摩擦角受顆粒間尤其是粗粒間嵌固作用影響較大，因而粗顆粒含量對內(nèi)摩擦角起關(guān)鍵作用；而粗顆粒土的內(nèi)聚力在細顆粒含量較高時由細顆粒含量主導(dǎo)，而在粗顆粒較多時，受粗細顆粒共同影響。當(dāng)P5為75%左右可保證在較高的黏聚力下有最大的內(nèi)摩擦角，從而有較高的抗剪強度。

表4 9組試樣莫爾圓包絡(luò)線方程

4 結(jié)語

本文通過對一定級配范圍內(nèi)的粗顆粒土進行不同設(shè)計級配的配置，以得到9種具有不同P5含量的粗顆粒土試樣。并通過擊實試驗得到9種試樣最優(yōu)含水率與最大干密度，通過大型三軸試驗得到9種試樣的抗剪強度指標(biāo)。通過對試驗結(jié)果的分析，得到以下結(jié)論。

a) 通過擊實試驗可得，當(dāng)P5含量在35%～85%之間時，灰?guī)r質(zhì)粗顆粒土的最大干密度與最優(yōu)含水率隨P5含量的增加呈先增后減的非線性趨勢。其中最大干密度的臨界值對應(yīng)P5為75%，表明在此種級配下土體達到最密實程度；最優(yōu)含水率的峰值對應(yīng)P5為55%，由此推斷此種級配下土體對水分的吸附能力最強。

b) 通過大型三軸試驗可得，當(dāng)P5含量在35%～85%之間時，灰?guī)r質(zhì)粗顆粒土的內(nèi)摩擦角隨P5含量的增加呈先增后減的趨勢，臨界值對應(yīng)P5為75%；內(nèi)聚力則呈先減后增的趨勢，臨界值P5為55%。通過以上變化趨勢與擊實試驗結(jié)果對比分析可以看出：粗顆粒土在最密實的情況下，內(nèi)部顆粒間嵌固作用最強，內(nèi)摩擦角最大；粗顆粒土在單位體積內(nèi)顆粒表面積最大，內(nèi)部細顆粒接觸程度最低，膠結(jié)作用最小，黏聚力最小。

c) 通過對2種試驗結(jié)果的綜合分析，當(dāng)粗顆粒土的P5為75%時，土體在保持吸附水分能力在較低水平的情況下?lián)碛凶畲蟮拿軐嵆潭?、最大?nèi)摩擦角與較高的黏聚力。由此可以做出評價：當(dāng)P5在35%～85%范圍內(nèi)，P5為75%時級配最為良好，并表現(xiàn)出較好的抗剪性能，對于土石壩等應(yīng)力水平較高的大型填方工程，此種級配有利于工程穩(wěn)定性。