強(qiáng)夯作用下碎石土顆粒破碎細(xì)觀機(jī)理研究

付 樂 叢曉明 李 剛 邱 軍

(建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007)

0 引言

在圍海造地和山區(qū)填谷等工程中，大量使用碎石土作為回填料。工程中使用的碎石土多數(shù)是由工程爆破或者機(jī)械開挖形成的，其形成環(huán)境與工程實(shí)施密切相關(guān)，相對(duì)于自然地層中其他成因的碎石土，工程碎石土存在不均勻性、密度值離散、欠固結(jié)、孔隙率高、滲透性大和顆粒強(qiáng)度高等問題。

對(duì)于大面積疏松狀態(tài)且回填厚度不均勻的碎石土堆填場(chǎng)地，采用何種填筑--壓實(shí)(夯實(shí))方式和地基基礎(chǔ)形式，有效而經(jīng)濟(jì)地滿足工程建設(shè)強(qiáng)度、變形、穩(wěn)定性等各方面要求，已是碎石土場(chǎng)地地基處理和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中一個(gè)極其關(guān)鍵的問題。

我國(guó)在這方面已經(jīng)確立了強(qiáng)夯法、碾壓法、樁基礎(chǔ)等系統(tǒng)的地基處理或基礎(chǔ)方案，其中又以強(qiáng)夯法表現(xiàn)最為突出。強(qiáng)夯法處理碎石土地基具有單位造價(jià)低、施工設(shè)備簡(jiǎn)單、施工速度快、質(zhì)量容易保證等突出優(yōu)勢(shì)，在碎石土地基處理方案中獲得了廣泛地應(yīng)用。對(duì)于碎石土回填層特別厚的地基，通過分層回填、逐層強(qiáng)夯的方法，可以很好地解決高填筑體的壓密效果和整體穩(wěn)定問題，保證各回填層間緊密接觸，地基承載力和工后變形均能滿足一般建構(gòu)筑物的要求。

雖然取得了大量的工程案例經(jīng)驗(yàn)，人們對(duì)碎石土地層強(qiáng)夯加固的機(jī)理，特別是細(xì)觀機(jī)理的認(rèn)識(shí)還不夠深入，很多工程設(shè)計(jì)與施工還停留在憑借經(jīng)驗(yàn)和案例參照的階段，這也導(dǎo)致了不少失敗的項(xiàng)目[1-2]，例如重慶江北機(jī)場(chǎng)的建設(shè)，跑道的道槽區(qū)部分有沖溝，碎石土填方達(dá)10 m以上，雖經(jīng)分層碾壓至道槽部位，并在上層用強(qiáng)夯法進(jìn)行處理，但在填方地段仍然出現(xiàn)了大面積不均勻沉降，給工程使用造成了很大的影響[1]。

深入研究工程碎石土的基本力學(xué)特性，揭示碎石土強(qiáng)夯加固的機(jī)理，已經(jīng)成為工程實(shí)踐對(duì)理論提出的一個(gè)緊要的研究課題，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文運(yùn)用顆粒破碎試驗(yàn)對(duì)碎石土的強(qiáng)夯加固細(xì)觀機(jī)理開展研究。顆粒破碎研究可以揭示碎石土的破碎率、級(jí)配情況、剪切強(qiáng)度、孔隙比、干密度與外界壓力作用的關(guān)系，闡明碎石土在強(qiáng)夯作用下的破碎和密實(shí)機(jī)理。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)所用的碎石土基本物性指標(biāo)和制樣

試驗(yàn)選用大連某原油儲(chǔ)備庫(kù)的石英巖碎石土回填料制備試樣。在工程現(xiàn)場(chǎng)，爆破或機(jī)械開挖所產(chǎn)生的石英巖碎石填料的粒徑較大且不均勻，最大粒徑超過1000 mm，遠(yuǎn)超過試樣允許的最大顆粒粒徑(60 mm)，因此，制備試樣時(shí)須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)典型級(jí)配進(jìn)行縮尺。本試驗(yàn)采用結(jié)合法對(duì)超粒徑顆粒進(jìn)行處理，處理后的碎石土級(jí)配情況見圖1和表1。試樣不均勻系數(shù)Cu為5.44，曲率系數(shù)Cc為0.88，制樣干密度為1.96 g/cm3。

圖1 大連某原油儲(chǔ)備庫(kù)碎石料的級(jí)配曲線

表1 試樣級(jí)配組成

1.2 試驗(yàn)方法

首先對(duì)碎石土進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，隨后進(jìn)行不同圍壓的排水三軸剪切試驗(yàn)，模擬不同能級(jí)的強(qiáng)夯加載過程，在剪切試驗(yàn)后，將整個(gè)試樣風(fēng)干，再次開展顆粒分析試驗(yàn)，研究顆粒破碎情況。

試驗(yàn)使用大型三軸試驗(yàn)儀完成，其試樣尺寸為φ300 mm×h600 mm，允許的最大粒徑為試樣直徑的1/5，即60 mm。

試驗(yàn)方法參照《水電水利工程粗粒土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T5356—2006)[3]中的大型剪切試驗(yàn)開展。

1.3 試驗(yàn)方案

剪切試驗(yàn)采用5個(gè)圍壓水平，分別為100 kPa、400 kPa、800 kPa、1200 kPa和1600 kPa。

1.4 顆粒破碎量化指標(biāo)的選擇

選擇合理的顆粒破碎試驗(yàn)量化指標(biāo)能夠客觀反映顆粒破碎的具體情況，是開展顆粒破碎研究的前提和基礎(chǔ)。目前，這種量化指標(biāo)分為兩大類，即從單個(gè)顆粒角度統(tǒng)計(jì)的指標(biāo)和從顆粒群體角度統(tǒng)計(jì)的指標(biāo)。每個(gè)試樣都是由很多不同粒徑和形狀的顆粒組成的，研究每個(gè)顆粒的破碎幾乎無法開展，故切實(shí)可行的辦法是采用后一種指標(biāo)。

Hardin[4]根據(jù)顆粒分布曲線的變化，定義了破碎勢(shì)Bp(試驗(yàn)前后顆粒級(jí)配曲線與粒徑D=0.074 mm豎線所圍面積，其認(rèn)為粒徑不大于0.074 mm的細(xì)顆粒不會(huì)再發(fā)生進(jìn)一步破碎，故對(duì)顆粒破碎的作用很小，見圖2)和相對(duì)顆粒破碎量Bt(試驗(yàn)前后破碎勢(shì)的變化，見圖3)，進(jìn)而定義了相對(duì)顆粒破碎率Br，用以量度顆粒破碎的程度。

Bf=Bpi-Bpf

(1)

(2)

式中：Bpi——試驗(yàn)前的破碎勢(shì)，即顆粒破碎試驗(yàn)前，顆分曲線與粒徑為0.074 mm的豎線所圍成的面積；

Bpf——試驗(yàn)后的破碎勢(shì)，即顆粒破碎試驗(yàn)后，顆分曲線與粒徑為0.074 mm的豎線所圍成的面積；

Bt——相對(duì)顆粒破碎量；

Br——相對(duì)顆粒破碎率。

圖2 破碎勢(shì)Bp的意義

圖3 相對(duì)顆粒破碎量Bt的意義

破碎勢(shì)Bp的意義是表示顆粒破碎的可能性大小，認(rèn)為直徑越大的顆粒，其潛在的破碎可能性也越高。

張家銘等[5]研究表明，相對(duì)顆粒破碎率Br可以被看作為材料的一種基本屬性，其在顆粒破碎研究中獲得了廣泛的應(yīng)用[6-8]。因此，本文也采用相對(duì)顆粒破碎率Br的方法開展顆粒破碎研究。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過三軸壓縮試驗(yàn)后的顆粒分析，試樣的級(jí)配曲線見圖4。在不同的圍壓水平下，試驗(yàn)前后各粒徑組含量見表2。

圖4 試驗(yàn)前后碎石土顆粒級(jí)配變化

表2 試驗(yàn)前后各粒徑組含量表

顆粒破碎試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著圍壓水平的提高，試樣粗顆粒含量逐步降低，而相對(duì)顆粒破碎率等參數(shù)則不斷提高。這也表明強(qiáng)夯造成的壓力越大，顆粒越容易發(fā)生破碎，顆粒破碎程度越高。

2.2 相對(duì)顆粒破碎率與圍壓的關(guān)系

顆粒破碎試驗(yàn)后，各參數(shù)變化情況見表3。引入大氣壓力pa，使圍壓σ3在圖表坐標(biāo)中實(shí)現(xiàn)無因次化。圖5表現(xiàn)了相對(duì)顆粒破碎率Br與圍壓σ3/pa的關(guān)系。

由圖5分析可知，相對(duì)顆粒破碎率Br與圍壓σ3/pa存在正相關(guān)關(guān)系，即圍壓越大，顆粒破碎現(xiàn)象越明顯，二者之間的關(guān)系可以用二次函數(shù)來描述，即公式(3)，通過擬合可以得到材料的試驗(yàn)參數(shù)a、b和c。

表3 碎石土顆粒破碎參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

圖5 部分工程碎石土相對(duì)顆粒破碎率與圍壓的關(guān)系

(3)

研究發(fā)現(xiàn)，隨著圍壓水平的提高，相對(duì)顆粒破碎率增幅逐漸收窄，即隨著強(qiáng)夯能級(jí)的提高，顆粒破碎程度逐漸加深，最終趨于穩(wěn)定。

通過對(duì)二灘電站堆石壩[6]、西北口堆石壩[7]、宜興電站堆石壩[8]、天生橋堆石壩[9]等試驗(yàn)資料的整理，也發(fā)現(xiàn)了類似的規(guī)律，上述幾個(gè)工程的試驗(yàn)結(jié)果均可以用二次函數(shù)來擬合(見圖5)，并取得了較好的擬合結(jié)果，統(tǒng)計(jì)見表4，說明用公式(3)表述相對(duì)顆粒破碎率與圍壓的關(guān)系是合理的。

表4 不同工程碎石土相對(duì)顆粒破碎率擬合參數(shù)表

2.3 峰值內(nèi)摩擦角與破碎率的關(guān)系

研究試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著相對(duì)顆粒破碎率Br的提高，試樣的峰值內(nèi)摩擦角φp不斷降低，說明隨著粗顆粒的減少和細(xì)顆粒的增多，顆粒間的咬合力減弱對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)的影響，超過了孔隙比降低、土體密實(shí)引起的強(qiáng)度增加效果，這一點(diǎn)在碎石土受外荷載過程中應(yīng)該引起充分的重視。

通過對(duì)大連原油儲(chǔ)備庫(kù)、二灘電站堆石壩[6]、西北口堆石壩[7]、宜興電站堆石壩[8]、天生橋堆石壩[9]等試驗(yàn)資料的整理分析，發(fā)現(xiàn)峰值內(nèi)摩擦角φp與相對(duì)顆粒破碎率Br之間的存在冪函數(shù)關(guān)系可以用式(4)表示，通過擬合可以得到材料的試驗(yàn)參數(shù)d和f，見表5、圖6。

φp=d(Br)f

(4)

表5 不同工程碎石土峰值內(nèi)摩擦角擬合參數(shù)表

圖6 不同工程碎石土峰值內(nèi)摩擦角與相對(duì)顆粒破碎率的關(guān)系

2.4 干密度、孔隙比與相對(duì)顆粒破碎率的關(guān)系

在三軸剪切試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)試樣進(jìn)行了干密度和孔隙比測(cè)試，發(fā)現(xiàn)試樣干密度ρd隨著相對(duì)顆粒破碎率Br的增加而增加，且兩者間呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，而孔隙比e則隨著相對(duì)顆粒破碎率Br的增加而線性降低。說明在外界應(yīng)力的作用下，隨著粗顆粒的破碎、細(xì)顆粒對(duì)粗顆?？紫兜奶畛浜驮锌紫兜臄D密、縮小，單位空間內(nèi)的固體所占體積得以增加，總體孔隙比降低(見圖7、圖8)。

圖7 干密度與相對(duì)顆粒破碎率的關(guān)系

干密度與圍壓σ3/pa之間也存在正相關(guān)關(guān)系(見圖9)，與相對(duì)顆粒破碎率類似，其與圍壓的關(guān)系也可以用二次函數(shù)來描述。

圖8 孔隙比與相對(duì)顆粒破碎率的關(guān)系

圖9 干密度與圍壓σ3/pa的關(guān)系

2.5 顆粒級(jí)配變化情況

試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。通過分析發(fā)現(xiàn)：試驗(yàn)前，碎石土級(jí)配不均勻系數(shù)Cu為5.44，曲率系數(shù)Cc為0.88，顆粒級(jí)配較差。隨著試驗(yàn)圍壓的增大，相對(duì)顆粒破碎率逐漸增加，級(jí)配曲線的指標(biāo)得到明顯改善，不均勻系數(shù)Cu增長(zhǎng)到11.8，說明各粒組分布更加均衡，曲率系數(shù)Cc增長(zhǎng)到1.22，說明曲線斜率連續(xù)，已經(jīng)屬于級(jí)配良好的狀態(tài)。

這說明顆粒破碎試驗(yàn)有效地改善了碎石土的顆粒級(jí)配，使之更易達(dá)到密實(shí)狀態(tài)。另外，圍壓越大，碎石土級(jí)配改善越明顯。

表6 顆粒破碎試驗(yàn)粗粒料級(jí)配指標(biāo)變化情況

3 結(jié)論

本文運(yùn)用顆粒破碎試驗(yàn)對(duì)碎石土的強(qiáng)夯加固細(xì)觀機(jī)理開展了研究，得到如下認(rèn)識(shí)，供同類工程設(shè)計(jì)和施工參考。

(1)試驗(yàn)揭示了相對(duì)顆粒破碎率與圍壓的正相關(guān)關(guān)系，并確定了合理的擬合公式。這也指示強(qiáng)夯造成的壓力越大，顆粒破碎程度越深。

(2)隨著圍壓水平的提高，相對(duì)顆粒破碎率增幅逐漸收窄，即隨著強(qiáng)夯能級(jí)的提高，顆粒破碎程度逐漸加深，最終趨于穩(wěn)定。

(3)峰值內(nèi)摩擦角會(huì)隨著顆粒破碎的增加而降低，這一強(qiáng)度參數(shù)的弱化在碎石土的工程處理中應(yīng)該引起充分的重視。

(4)試樣干密度和孔隙比分別隨著相對(duì)顆粒破碎率的增加而線性增加和減小，體現(xiàn)了碎石土隨著強(qiáng)夯作用而逐漸密實(shí)的過程，這是強(qiáng)夯提高碎石土工程性能的主要細(xì)觀機(jī)理。

(5)強(qiáng)夯作用引起的碎石土顆粒破碎提高了細(xì)顆粒比例，明顯改善了碎石土的顆粒級(jí)配情況，使之更易達(dá)到密實(shí)狀態(tài)，這是強(qiáng)夯處理碎石土的重要細(xì)觀機(jī)理。