渣場松散碎石土應力-應變特性研究

王家輝，江洎洧，饒錫保，黃 帥，周欣華

(1.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010；2.長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，武漢 430010)

1 研究背景

隨著國家經(jīng)濟建設的發(fā)展，各種公路、水利、鐵路和機場等基礎(chǔ)工程設施建設不斷增加。建設過程中通常會產(chǎn)生大量棄土棄渣形成渣場。渣場通常分布在公路、鐵路沿線，由廢棄的碎石、土體以及其他物質(zhì)組成，結(jié)構(gòu)上具有一定的粗粒土性質(zhì)。由于很多臨時渣場沒有經(jīng)過碾壓等工藝處理，而是直接堆積，所以具有多孔隙、非飽和、低強度的特點[1]，容易產(chǎn)生滑坡等地質(zhì)災害。近年來，由于生態(tài)建設的需要，很多臨時性渣場都要改造成永久性渣場并且實行生態(tài)護坡，而且新渣場的選址和堆置高度不僅要滿足水土保持技術(shù)規(guī)范設計[2]要求，而且還要滿足水土流失防治和渣場邊坡安全穩(wěn)定要求[3-5]。因此需要全面了解并掌握渣場松散碎石土的物理力學性質(zhì)和其他相關(guān)特性。近年來，國內(nèi)外學者對碎石土的物理力學性質(zhì)以及渣場整體的穩(wěn)定和變形方面進行了深入研究，取得了一定的成果。程展林等[6]基于鄧肯-張模型和 Rowe 剪脹方程，建立了體變模量KP、剪脹模量Kq、剪切模量G三參量與應力狀態(tài)的關(guān)系，初步提出了一種新的非線性剪脹模型。張嘎等[7]研究了粗粒土的應力-應變特性及鄧肯-張模型的適用性，并基于試驗結(jié)果提出了新的體變描述公式，在未增加模型參數(shù)的條件下提出了鄧肯-張模型的改進模型。姜景山等[8]設計并開展了粗粒土二維模型試驗，觀察到顆粒的運動, 定性地分析了試樣的受力變形特征。石熊等[9]采用大型三軸剪切儀對素土和復合礫土進行三軸剪切試驗，在試驗基礎(chǔ)上提出軸向應變與側(cè)向應變的二次函數(shù)關(guān)系，建立了體積應變與軸向應變的函數(shù)方程，并對試樣三軸試驗的體積應變和切線泊松比進行預測。朱俊高等[10]利用堆石料的E-ν和E-B模型參數(shù)計算了各自對應的泊松比，進行了比較分析，又對鄧肯E-ν和E-B兩種模型自身理論公式所反映的泊松比的差異進行了分析，最后利用堆石料心墻壩有限元計算結(jié)果分析了壩體內(nèi)不同位置處的應力水平和泊松比的差異。譚鵬[1]通過現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗，獲得了典型棄渣土的物理力學特性，得出了渣土體相關(guān)力學參數(shù)，并通過數(shù)值模擬分析了棄土場失穩(wěn)破壞機理，提出了棄土場穩(wěn)定性分析方法和不同利用方式下棄土場相應的壓實控制標準。孫朝燚等[11]研究了坡體走向?qū)吰路€(wěn)定性的影響，并借助ANSYS 建立三維模型，利用FLAC3D 強度折減法分析邊坡潛在破壞機制，提出考慮走向夾角因素的不平衡推力法，并基于走向夾角和邊坡傾角不同的組合關(guān)系分析了棄渣場邊坡穩(wěn)定性。肖志紅[12]運用顆粒流、重度增加法及邊坡的監(jiān)測算法，研究了不同顆粒粒徑對渣場邊坡穩(wěn)定性的影響。

本文從某堆積渣場邊坡頂部和底部分別取得碎石土試樣，基于現(xiàn)場賦存狀態(tài)最大限度復原棄場碎石土料的天然相對密度，以此來開展大型三軸剪切試驗，得到了松散碎石土的應力-應變特性關(guān)系以及實測泊松比和應力水平的關(guān)系，并分析了鄧肯-張模型對松散碎石土的適用性。研究結(jié)論有助于為渣場邊坡設計以及變形穩(wěn)定性計算提供依據(jù)。

2 試驗對象與試驗內(nèi)容

試驗對象為取自某機場工程爆破開挖堆積的渣場邊坡。分別在邊坡坡頂和坡底2處各隨機選5個點分別采集了試樣，如圖1所示，并進行室內(nèi)顆分、擊實、大型三軸試驗。

圖1 坡頂和坡底料

由于大型三軸剪切試驗儀器對試樣粒徑的限制，其最大允許粒徑為6 cm,所以需對試樣進行縮尺處理。渣場料主要為巖體爆破開挖料，巖性均勻，且基本無黏粒，為保證試驗成果的可靠性，采用相似級配法按照0.5的縮尺系數(shù)進行縮尺可滿足試驗要求。繪制縮尺后級配曲線如圖2，并計算不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc，見表1。

圖2 坡頂料與坡底料級配曲線

表1 兩種料的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)

由圖2和表1分析可知：①2種料不均勻系數(shù)差異不大，且均為級配良好碎石土；②坡底料的曲率系數(shù)顯著大于坡頂料，其與渣料的重力拋(滾)落分選有一定關(guān)系。

渣場邊坡料的最大特點是未經(jīng)人工碾壓，結(jié)構(gòu)較松散?，F(xiàn)場難以準確測試其密度及相對密度等物理指標，需結(jié)合試樣狀態(tài)特性，通過室內(nèi)試驗來確定松散碎石渣料的相對密度范圍。

該渣場已堆積形成約2年，據(jù)現(xiàn)場踏勘，其狀態(tài)描述如下：渣料自身已基本具有相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，但固結(jié)變形尚未徹底完成。通過室內(nèi)試驗反復嘗試得到：

(1)渣料在相對密度Dr約為0.50時基本具有相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

(2)渣料在上覆自重荷載作用下會固結(jié)穩(wěn)定，在(1)的基礎(chǔ)上施加150 kPa上覆壓力后，試樣主固結(jié)變形穩(wěn)定后的相對密度Dr約為0.63。

據(jù)此，2種料分別按照以上2個相對密度制樣并開展后續(xù)三軸試驗研究，能夠較好地反映松散渣料的實際狀態(tài)。制樣指標如表2所示。

表2 試樣制備指標統(tǒng)計

大型三軸剪切試驗儀器采用長江科學院和四川大學華西巖土儀器研究所聯(lián)合研發(fā)的YLSZ30-3大型三軸儀。試樣的尺寸為Φ30 cm×60 cm。按試驗要求的粒徑尺寸、干密度和級配曲線，計算并稱取試驗所需的各層不同粒徑的試樣，混合均勻后分層裝料擊實，直至裝樣完成。

采用各向等壓固結(jié)排水剪切的試驗方法，對坡頂、坡腳兩處相對密度土料(Dr=0.50、0.63)分別進行三軸剪切試驗。試驗加載采用應變控制式，以軸向變形速率為0.5 mm/min進行剪切，直至應力-應變曲線達到峰值或軸向應變達15%時停止剪切。由于渣料分布于近地表，所以圍壓選取不宜過大。試驗選取的4級圍壓分別為0.1、0.2、0.3、0.4 MPa，可基本覆蓋試樣的實際賦存應力范圍。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 應力-應變關(guān)系曲線

通過三軸試驗得到的4組試樣的應力-應變關(guān)系如圖3所示。

圖3 應力-應變關(guān)系曲線

坡頂料和坡底料應力-應變曲線有所不同。前者均呈應變硬化特性。而坡底料隨著相對密度Dr由0.50增至0.63后，從應變硬化轉(zhuǎn)變?yōu)閼冘浕?，尤其坡底?接近常規(guī)碾壓的粗粒土應力-應變曲線形態(tài)，在軸向應變4%左右達到偏應力峰值。分析其原因如下：

(1)坡頂料密度小、孔隙相對大，隨應變增加，孔隙一直被壓縮，強度在增加，所以表現(xiàn)出應變硬化現(xiàn)象。

(2)坡底料與坡頂料在同一相對密度下試樣實際干密度更大，級配相對更好，隨著應變增加，更易達到最密實狀態(tài)，繼而能出現(xiàn)應變軟化現(xiàn)象。

結(jié)果表明：渣場松散碎石土在剪切過程中一直處于壓密狀態(tài)，基本呈現(xiàn)應變硬化特性，在級配良好且在自重荷載作用下穩(wěn)定時(坡底料Dr=0.63)才會出現(xiàn)應變軟化現(xiàn)象。

由圖3還可以看出：松散碎石土初始剛度都較小，取工程數(shù)值計算常用軸向應變?yōu)?%時對應的割線模量E與初始切線模量Ei進行比較，比值如表3所示。由表3可知E/Ei大致隨圍壓增加而增加，但隨Dr增大減小。對于坡頂料和坡底料1，選取E進行數(shù)值計算是合適的；對坡底料2，其應力變形特性已接近密實狀態(tài)粗粒土，可按照初始切線模量Ei進行取值。

表3 不同圍壓下軸向應變?yōu)?%時E/Ei值

對于松散碎石土而言，整個過程呈應變硬化，鑒于實際工程往往對變形具有控制性要求，分別選取應變3%、5%、10%和15%時對應的內(nèi)摩擦角φ，并計算其與最大值φmax的比值，如表4。

表4 不同應變程度下φ/φmax值

由表4可知：φ隨變形增加一直在增大，且隨Dr增加也呈增大趨勢，這與一般碾壓碎石土應變軟化的特性顯著不同。除坡底料2外，其余試樣在應變?yōu)?%時偏應力僅達到強度極限的60%左右，在應變?yōu)?%時能達到80%左右，而坡底料2在應變3%時即達到89%的強度。

目前，針對渣場邊坡強度參數(shù)的取值并沒有明確的規(guī)范。參考土工試驗規(guī)程直剪試驗對于無峰值強度時取剪切位移4 mm(即應變6.5%)所對應的剪應力為抗剪強度[13]，并考慮渣場永久性邊坡工程中對松散碎石土的變形要求較嚴格，所以建議取應變?yōu)?%～5%時得到的φ值作為工程計算值。

圖4 體應變及徑向應變與軸向應變關(guān)系曲線

3.2 體應變及徑向應變與軸向應變關(guān)系曲線

繪制試樣剪切過程中體應變εv以及徑向應變εr隨軸向應變εa發(fā)展的關(guān)系曲線，如圖4所示。觀察發(fā)現(xiàn)，處于相對穩(wěn)定狀態(tài)(Dr=0.50)和自重荷載下穩(wěn)定狀態(tài)(Dr=0.63)的坡頂料在剪切過程中均呈持續(xù)剪縮特征。當軸向應變<4%時，不同圍壓下試樣的剪縮體應變差異不明顯；當軸向應變超過4%時，不同圍壓下試樣剪縮體應變開始出現(xiàn)明顯不同，圍壓越大則體應變越大。在相對穩(wěn)定狀態(tài)下，坡底料剪切時也呈剪縮特征，但其剪切體應變隨圍壓的差異在剪切早期就能明顯表達；處于自重荷載下穩(wěn)定狀態(tài)時，坡底料在低圍壓下剪切會出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象，在更高圍壓下剪切則會過渡到剪縮。分析其原因：

(1)同一相對密度下，坡頂料密度較小、孔隙較大，結(jié)構(gòu)更為松散。在變形過程中，孔隙被壓縮，直觀體現(xiàn)為體縮。變形初期由于結(jié)構(gòu)太過松散，土體剪脹性反映不充分，各圍壓下試樣的體應變曲線趨于一致。

(2)坡底料級配曲率系數(shù)與坡頂料具有較大差異，與其經(jīng)過重力的拋落分選有直接關(guān)系。相同相對密度時，坡底料密度顯著大于坡頂料，顆粒骨架具有更好的穩(wěn)定性和咬合性。在Dr=0.5時，其體應變曲線雖仍整體呈現(xiàn)剪縮，但隨圍壓梯度變化已具有一定分化，而在Dr=0.63時，由于力鏈結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，體應變在大軸向應變階段已具有剪脹趨勢。

綜上：從應變關(guān)系特性看，松散碎石土大變形過程以顆粒平動作用引起的體縮為主，特別在相對密度較低時，體應變曲線具有顯著一致性，隨著分選特性更好以及相對密度的適當提高，其大變形過程中的剪脹特性方能逐步發(fā)揮。另據(jù)試驗過程中的觀察和試驗完畢后對試樣級配的簡單分析來看，松散土的顆粒破碎效應基本可忽略。

3.3 松散碎石土的泊松比特性

結(jié)合以上4組試驗成果，分析實測泊松比-應力水平關(guān)系，并與工程科研中使用較為廣泛的鄧肯-張E-ν和E-B模型[14]進行對比，研究其在描述松散碎石土變形特性方面的適用性。

3.3.1 鄧肯-張E-ν和E-B模型

E-ν模型中，切線彈性模量Et和泊松比νt分別為：

(1)

(2)

其中S為應力水平，νi為初始泊松比：

(3)

(4)

參數(shù)A展開為

(5)

式中：σ1、σ3為大、小主應力；pa為大氣壓力；c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角；D、F、G、K、n、Rf為模型參數(shù)。E-B模型切線彈性模量也由式(1)確定，體積變形模量Bt由式(6)確定，即

(6)

式中Kb和m為模型參數(shù)。從而νt可表示為

(7)

綜上確定的4組料鄧肯-張模型參數(shù)如表5所示。

表5 4種料的鄧肯-張模型參數(shù)

3.3.2 實測泊松比的確定

3.3.3 鄧肯-張模型泊松比與實測泊松比的比較

圖5給出了坡頂料、坡底料用鄧肯張E-ν和E-B模型計算得到的泊松比與實測泊松比曲線。

圖5 不同圍壓下鄧肯-張模型泊松比與實測泊松比曲線

鄧肯張E-ν和E-B模型計算得到的泊松比ν都隨應力水平S的增加而增大，與文獻[7]和文獻[11]中的試驗結(jié)果一致。對于E-ν模型，同一應力水平S下ν隨圍壓的增大而減小；而對E-B模型；除坡底料2外同一應力水平下ν基本不隨圍壓而變化。

分析其原因，從E-B模型計算公式(7)可以看出：

由圖5可以看出：

(1)對于坡頂料，實測泊松比隨應力水平大致呈線性關(guān)系，初始泊松比小，且泊松比與圍壓關(guān)聯(lián)不大，表明大變形過程主要以軸向壓縮為主，側(cè)向應變效應較弱，符合松散碎石土變形特性，采用鄧肯-張E-B模型能夠更好地描述其泊松比-應力水平的關(guān)系。

(2)對于坡底料，實測泊松比曲線隨應力水平也大致呈直線型，但與坡頂料的差異在于，其與圍壓的關(guān)系具有聯(lián)動性。同一應力水平下，圍壓越大，泊松比越?。粐鷫涸酱?，初始泊松比也越小。鄧肯-張E-ν模型對其具有較好的適用性。

初步分析認為造成這種差異的根本原因是坡底料在形成時經(jīng)過充分的重力分選，大粒徑顆粒會滾落到坡底，造成其級配曲線中大中粒徑顆粒含量多，所以能形成更為穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，與坡頂松散體比較具有一定粗粒土的性質(zhì)。但是鄧肯-張E-B和E-ν模型分別對渣場松散坡頂和坡底料的普遍適用性這一現(xiàn)象還有待后續(xù)研究繼續(xù)揭示。

4 結(jié) 論

通過對該渣場邊坡松散碎石土的4組大型三軸及其它試驗的分析和研究可以得出以下結(jié)論：

(1)在直接測試渣場原狀松散碎石土物理特性較為困難的情況下，根據(jù)對其實際賦存狀態(tài)的推算，并通過試驗認為渣場邊坡松散碎石土相對密度大致在0.50～0.63之間。且從級配來看，坡頂料和坡底料由于堆積形成過程的差異，坡底料經(jīng)歷了拋落的重力分選，主要體現(xiàn)在曲率系數(shù)的較大差異，在對渣場松散料的研究中，空間分布的差異性較為明顯。

(2)邊坡松散碎石土基本呈應變硬化特性，無顯著峰值，且初始剛度小?？紤]到工程實際中，往往以一定的應變作為控制條件。初步提出取應變?yōu)?%對應的割線模量作為數(shù)值計算模量E參數(shù)，并按照3%～5%應變對應的偏應力計算內(nèi)摩擦角φ。此控制標準還應以工程要求的應變量為準，在此僅從機理上做了初步分析說明。

(3)根據(jù)實測泊松比與鄧肯-張E-B和E-ν模型對比認為，對于坡頂料，泊松比可通過E-B模型

的計算公式來確定；對于坡底料，E-ν模型適用性比較好。這一現(xiàn)象對所有渣場松散體而言是否具有普遍性適用性還有待進一步研究。

(4)從實測泊松比與應力水平曲線可以看出，邊坡坡頂?shù)淖冃我猿两禐橹?，而坡底處?cè)向變形在低應力水平下即發(fā)展較快，這將是造成渣場松散邊坡破壞的主要因素之一。因此，在棄渣場松散邊坡穩(wěn)定分析中，應采取差異性的分析思路，坡頂應著重解決沉降問題，而坡腳應以防止側(cè)向變形破壞為主。

總體來看，渣場松散碎石土所展現(xiàn)出的物理力學特性與典型粗粒土存在較大差異。且渣場邊坡渣料的變形力學特性在空間分布上也存在較大差異，除去結(jié)構(gòu)松散的特性外，重力拋(滾)落的分選作用不容忽視，造成了不同部位渣料級配特征的差異。

研究得到的初步結(jié)論有助于為渣場邊坡設計及變形穩(wěn)定性計算提供一定參考。目前，松散碎石土渣料物理力學特性的研究相對較少，后續(xù)還將開展更為深入的研究。