寬級配粗粒土壓縮變形特性試驗研究

杜 俊，朱維偉，沈興剛

(昆明學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 云南 昆明 650214)

近些年來，水庫大壩建設(shè)高度不斷增加，由于土石壩具有適應(yīng)不同的壩址條件、就地取材、結(jié)構(gòu)簡單、便于施工等優(yōu)點，已成為高壩建設(shè)中的主要壩型[1]。廣泛應(yīng)用于筑壩填料的粗粒土是一類粒徑相差懸殊的寬級配礫石土，其顆粒組成極為分散、粗細(xì)顆粒占比變化較大，工后沉降變形一直是影響壩體安全運行的關(guān)鍵問題[2-4]。實踐證明，粗粒土工程特性很大程度上受粗細(xì)顆粒占比控制，土體所表征的各種變形和強度特征均是顆粒結(jié)構(gòu)體系演化所形成的，其復(fù)雜性導(dǎo)致了土體工程力學(xué)特性的模糊性和不確定性。

粗粒土中粗顆粒排列緊密且相互接觸形成骨架，細(xì)顆粒隨機填充于骨架的孔隙中，土中孔隙結(jié)構(gòu)的變化是影響粗粒土力學(xué)性質(zhì)的主要原因[5-8]。Miller等[9]最早開展了不同粗粒含量土石混合體的三軸壓縮試驗，并指出粗顆粒含量增加到50%～70%，土體的內(nèi)摩擦角增加較大，且黏聚力隨之降低。趙明華等[10]采用室內(nèi)大型直剪儀研究表明，級配良好條件下，隨著土體中顆粒不均勻程度的增大，土體的抗剪強度先增大后減小，且土體級配的連續(xù)性對抗剪強度影響較小，在諸多影響因素中，含石量是影響土體抗剪強度特性最主要的因素。唐建一等[11]采用大型單剪儀對21組土石混合體進行試驗，得出土體的孔隙比對其抗剪強度有影響，且隨著土體中含石量的增加，土石混合體中的結(jié)構(gòu)形式及主導(dǎo)顆粒也相應(yīng)的發(fā)生變化。Mokwa等[12]對14種不同級配粗粒土開展?jié)B透試驗，研究表明孔隙的變化及其孔隙結(jié)構(gòu)特征是影響土體滲透特性的關(guān)鍵。陳志波等[13]采用擊實試驗研究了寬級配礫質(zhì)土隨粗料含量變化的懸浮-密實、密實-骨架和骨架-空隙3種不同結(jié)構(gòu)，以及摻礫量對土體最大干密度和顆粒破碎的影響。馮瑞玲等[14]采用表面振動壓實試驗分析了土樣級配特性對粗粒土壓實效果的影響，建立了粗粒土最大干密度與級配特征之間的經(jīng)驗方程。崔凱等[15]采用粗粒土固結(jié)儀對川西地區(qū)混合土進行試驗，并指出粗顆粒含量與礦物成分對土體壓縮性有影響，且粗粒含量增大，土體難以被壓縮，富含高嶺石的混合土承壓特性較強。雖然，國內(nèi)外學(xué)者圍繞粗粒土土體結(jié)構(gòu)對其力學(xué)性質(zhì)影響開展了豐富的試驗和理論研究，主要集中在粗粒土的強度特性，對粗粒土壓縮變形研究相對較少。作為一種廣泛應(yīng)用于填筑工程的土料，粗粒土壓縮特性也是實踐應(yīng)用中非常重要的一個力學(xué)性質(zhì)，因此開展粗粒土的壓縮變形研究是十分必要的。其次，對于寬級配粗粒土土體結(jié)構(gòu)特征、填筑密度、含水率等因素對土體壓縮特性的影響機理也尚不明確，有待進行深入研究。

綜上，粗粒土是碎散顆粒的集合體，級配特征是影響其結(jié)構(gòu)特性的主要因素，對于不同的土體結(jié)構(gòu)，即使壓縮變形中土體孔隙變化相同，土體的相對密實狀態(tài)與承載特性也各不相同。因此，為了分析粗粒土結(jié)構(gòu)特征對其壓縮變形與承載特性的影響，本研究綜合填筑密度與含水率的變化，設(shè)計不同粗粒含量土體的側(cè)限壓縮試驗，探究土體結(jié)構(gòu)演變對其壓縮特性的影響規(guī)律及其形成機理，以期為該類土料在筑壩工程實踐應(yīng)用中提供科學(xué)的指導(dǎo)。

1 粗粒土側(cè)限壓縮試驗

1.1 試驗儀器

試驗采用昆明學(xué)院巖土工程試驗中心的YS50-4A大型粗粒土壓縮試驗機，見圖1。儀器采用浮環(huán)式試樣筒，液壓油缸加載，專用電液比例伺服閥穩(wěn)定固結(jié)壓力，壓力穩(wěn)定精度±0.5%F.S，拉拔式位移計測定試樣沉降量，位移計分度值0.01 mm，試驗測試數(shù)據(jù)由計算機自動采集與存儲。本儀器尺寸Φ504.6 mm×300 mm，可測定最大粒徑60 mm，應(yīng)力水平為3.5 MPa，總荷載700 kN的粗粒土壓縮特性指標(biāo)。

圖1 粗粒土側(cè)限壓縮試驗機

1.2 試驗材料與級配設(shè)計

試驗材料取自云南臨滄大橋坡水庫筑壩堆石料，該土料為一種人工爆破和加工的碎石料，其母巖為弱風(fēng)化花崗巖，巖石平均飽和單軸抗壓強度50 MPa，軟化系數(shù)0.79，比重2.70。為滿足室內(nèi)壓縮機填料需求(儀器高度與試樣最大粒徑之比4～6)，依據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[16](GB/T 50123—2019)，對現(xiàn)場土體級配按等量替代法進行縮尺處理，顆粒最大粒徑60 mm。為研究寬級配粗粒土由于粗顆粒含量引起的土體結(jié)構(gòu)特征變化進而對土體壓縮特性的影響，在級配縮尺后，依據(jù)粗粒含量P5(土樣中大于5 mm的顆粒質(zhì)量百分?jǐn)?shù))[17]，設(shè)計4個試驗級配，分別取P5為：20%、40%、60%、80%。上述試驗土樣級配曲線見圖2。

圖2 試驗土樣顆粒級配累計曲線

1.3 試驗方案設(shè)計與實現(xiàn)

經(jīng)測定試驗土樣最大干密度2.03 g/cm3、最優(yōu)含水率4.3%。為了探究粗粒含量P5、填筑密度ρ、含水率ω對粗粒土壓縮特性的影響規(guī)律，以標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗得到的土樣物理指標(biāo)為控制條件，分別設(shè)計土樣壓縮試驗密度2.12 g/cm3、1.94 g/cm3，含水率4.3%、3.1%，并結(jié)合前文確定的土樣級配條件，制備16組壓縮試驗土樣。試驗方案設(shè)計見表1。

表1 粗粒土固結(jié)試驗參數(shù)

試驗時對土樣進行風(fēng)干、篩分，依據(jù)級配與含水率制備土樣，待土樣裝入儀器后，啟動試驗機對土樣預(yù)加3 kPa～5 kPa壓力，再架設(shè)位移傳感器，并將位移計清零。試驗中，豎向荷載按50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa、1 600 kPa逐級加載，每級壓力下土樣變形每小時變化不大于0.05 mm時，視為土樣壓縮穩(wěn)定，即可施加下一級壓力，直至預(yù)設(shè)加載過程完成。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 粗粒土壓縮變形性質(zhì)

表2是各試驗土樣加載壓縮穩(wěn)定后的變形量。圖3是10#土樣分級加載變形隨時間累積的s-t曲線，其余土樣與其相似。

表2 土樣分級加載壓縮穩(wěn)定變形量

由圖3可知，土樣壓縮變形s-t曲線呈“階梯狀”變化。隨時間與荷載的逐漸增加，土樣總的壓縮變形量增大。這是由于，粗粒土多呈單粒結(jié)構(gòu)，隨荷載的逐級增加，土顆粒間產(chǎn)生相對的滑移與滾動，直至達(dá)到比較密實、穩(wěn)定的位置。這個過程中，壓應(yīng)力小，土的壓縮變形不顯著，其原因是土顆粒剛度較大，豎向受力后，顆粒間的相互運動微弱，而壓應(yīng)力增大，外力對土顆粒的做功增強，顆粒間的相對滑動劇烈，且當(dāng)應(yīng)力超過土顆粒強度極限時，顆粒間還將產(chǎn)生相互的擠壓破碎，破碎的巖屑進一步填充于大顆?？紫吨?，累積變形量增加，使得土樣更加密實。

圖3 土樣(10#)分級加載的s-t累積曲線

為進一步分析土樣的壓縮變形過程，以初始孔隙比0.313的四個土樣(3#、7#、11#、15#)為例，分析土樣有效壓應(yīng)力增量與垂直應(yīng)變增量之比，即壓縮模量Es的變化過程，見圖4。由圖4可知，隨豎向應(yīng)力的增加，土的壓縮模量Es的增大速率逐漸減緩?？梢哉J(rèn)為，土體在側(cè)限應(yīng)力條件下，隨豎向應(yīng)力增加，土粒間的接觸越來越緊密，土樣越難產(chǎn)生新的壓縮，單位荷載對應(yīng)的土樣壓縮變形量逐漸減小。由于土的壓縮是土中孔隙流體減小所形成的，一定應(yīng)力范圍內(nèi)，土中的孔隙被擠密，土顆粒本身不會被壓縮，進而土樣存在壓縮的極限體積，其壓縮模量逐漸趨向一個穩(wěn)定值。當(dāng)應(yīng)力超過一定范圍后，土顆粒逐漸被壓碎，土體變形繼續(xù)增加，到土粒間的接觸非常緊密后，土樣已幾乎沒有壓縮的余地，壓縮模量將趨向于固體礦物的模量。

圖4 土樣(3#、7#、11#、15#)各級荷載下Es-P曲線

2.2 結(jié)構(gòu)特征對土的壓縮變形影響

按式(1)計算各級配土樣分級加載穩(wěn)定后的孔隙比e，并繪制e-p關(guān)系曲線，見圖5。

圖5 不同級配相同初始孔隙比土樣e-p曲線

(1)

式中：ei為每級壓力下土的孔隙比；e0為土的初始孔隙比；si為每級壓力下土樣的壓縮量，mm；H為土樣的初始高度，mm。

分析圖5可知，隨豎向應(yīng)力的增大，各級配土樣孔隙比逐漸減小，土樣更加密實。相同初始孔隙比土樣在豎向荷載小于200 kPa，土樣的孔隙比變化差異性小，各級配土樣壓縮變形較為接近。豎向荷載大于200 kPa，各級配土樣孔隙比變化差異性逐漸明顯，至加載1 600 kPa穩(wěn)定時，粗粒含量20%土樣的孔隙比變化均最小，粗粒含量60%土樣的孔隙比變化均最大。對比可見，初始孔隙比相同的不同級配土體，隨粗粒含量的增加，孔隙比呈現(xiàn)為先增大后減小的變化趨勢?？梢哉J(rèn)為，這種壓縮變形的差異是由粗粒土骨架結(jié)構(gòu)的疏密狀態(tài)所決定的。

含水率和密度相同的4個級配土樣，雖然其初始孔隙比相同，但土骨架的初始疏密程度不同。由文獻(xiàn)[18]分析可知，土的孔隙比相同，土顆粒越均勻，土樣越密實。分析試驗級配可知，當(dāng)土樣粗粒含量P5分別為20%、40%、60%、80%時，其不均勻系數(shù)依次為19.67、35.71、77.40、28.88，表征出相同初始孔隙比的4種級配土體，粗粒含量越小或越大時，其土顆粒的均勻程度越高。因此，相同試驗條件下，粗粒含量60%的土樣，其不均勻系數(shù)最大，土體的初始結(jié)構(gòu)最為疏松，易于壓密，粗粒含量40%土樣次之，而粗粒含量20%和80%土樣，在壓縮試驗前的填筑中，已處于相對密實狀態(tài)，故難以被壓縮。這種現(xiàn)象，在筆者進行試驗裝樣時，也有相同的發(fā)現(xiàn)。即粗粒含量60%的土樣經(jīng)分層裝填后，略微擊實即可達(dá)到預(yù)定的填土高度，而粗粒含量20%和80%的土樣需要經(jīng)過多次錘擊才可達(dá)到預(yù)定的填土高度。

對比粗粒含量20%和80%土樣的壓縮變形，細(xì)粒含量多的土樣在相同初始孔隙比條件下，其側(cè)限壓縮變形量最小。其大致可以認(rèn)為，一方面，同體積內(nèi)細(xì)顆粒數(shù)量較多，且土顆粒比較均勻，顆粒間多為剛性接觸，加之土顆粒小、棱角不顯著，受壓不易產(chǎn)生破碎。另一方面，土顆粒粒徑小，顆粒數(shù)量多，其比表面積大，土樣與剛性試驗筒側(cè)壁的摩阻力較大，其壓縮變形量小，孔隙比變化也小。其次，粗粒含量80%的土樣，粗顆粒增多，顆粒形狀極不規(guī)則，顆粒間多為點接觸，試驗加載中，顆粒間常發(fā)生擠壓破碎，碎裂的巖屑填充于粗顆粒之間，土樣產(chǎn)生一定的壓縮變形。

采用土的三相比例關(guān)系計算試驗后土樣對應(yīng)的孔隙率和干密度，見表3和表4。由表3可得：初始孔隙率相同的不同級配土體，隨粗粒含量的增加，其壓縮后的孔隙率呈先減小后增大的趨勢，在粗粒含量60%時，壓縮后的土體孔隙率最小，土樣更為密實。由表4可得：各試驗條件下，粗粒含量60%的粗粒土經(jīng)壓縮穩(wěn)定后，其對應(yīng)的土體干密度最大。由文獻(xiàn)[19]分析可知，干密度對粗粒土力學(xué)性質(zhì)有影響，干密度越大，土體的強度高、變形小、滲透低。

表3 試驗土樣壓縮穩(wěn)定的孔隙率

表4 試驗土樣壓縮穩(wěn)定的干密度

由此分析可知，初始孔隙率相同、級配不同的土樣，粗、細(xì)顆粒占比不等，所構(gòu)成的土骨架結(jié)構(gòu)也各不相同。其中，粗粒含量60%的土體，經(jīng)壓縮固結(jié)后，孔隙率減小最大，土中孔隙體積最小，粗顆粒起骨架作用，細(xì)顆粒又能填充孔隙，兩者互相充填和緊密接觸，形成穩(wěn)定的受力土骨架結(jié)構(gòu)。

2.3 粗粒土骨架結(jié)構(gòu)壓縮特征

顆粒級配影響土的壓縮特性，其根本原因在于土的結(jié)構(gòu)差異。粗粒土是一類碎散塊石與土顆粒組成的復(fù)雜集合體，粒組分布范圍較廣，具有寬級配特征，不同粒組的相對含量，以及粗細(xì)顆粒的占比對其力學(xué)性質(zhì)影響較大。粗粒土中顆粒之間的相互排列與聯(lián)結(jié)形式構(gòu)成不同的土體骨架結(jié)構(gòu)，且不同類型的土骨架受外荷載作用后，其內(nèi)部顆粒間的相互接觸、摩擦、咬合特征也各不相同，進而使得其抵抗外部荷載變形的能力各異。筆者結(jié)合前述試驗現(xiàn)象與結(jié)果，綜合粗細(xì)顆粒的充填接觸關(guān)系，將粗粒土的土骨架結(jié)構(gòu)形態(tài)劃分為：粗粒懸浮結(jié)構(gòu)、粗粒咬合結(jié)構(gòu)、粗粒架空結(jié)構(gòu)，見圖6。

對應(yīng)本次試驗結(jié)果，分析圖6可得： 圖6(a) 當(dāng)土體中粗粒含量小于20%時，粗粒懸浮于細(xì)顆粒中，土為基質(zhì)，塊石為充填物，荷載作用下粗粒之間作用微弱，其更多表現(xiàn)為土的特性，且土體強度主要由細(xì)粒的聯(lián)結(jié)作用決定，將其稱為粗粒懸浮結(jié)構(gòu)。圖6(b) 當(dāng)土體中粗粒含量占60%～80%，粗粒之間多為點-點接觸或面-面接觸，細(xì)粒充填于粗粒之間的孔隙中，粗細(xì)顆粒嵌合交錯，受力時粗粒發(fā)生翻滾、移動，逐漸被壓密，外荷載主要由粗粒形成的骨架結(jié)構(gòu)承擔(dān)，故將其稱為粗粒咬合結(jié)構(gòu)。圖6(c) 當(dāng)土體中粗粒含量大于80%，粗粒之間形成的孔隙增大，細(xì)顆粒不能完全填充于粗粒之間，且粗粒呈架空結(jié)構(gòu)，外荷載作用下粗粒間的翻滾、摩擦劇烈，土體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，常產(chǎn)生較大的壓縮變形，將其稱為粗粒架空結(jié)構(gòu)。

圖6 粗顆粒排列接觸的結(jié)構(gòu)特征

2.4 粗粒土壓縮變形的影響因素分析

為分析試驗因素(粗粒含量P5、含水率ω、填筑密度ρ)對土體壓縮變形的影響，依據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制級配土體最終壓縮量的變化曲線，見圖7。

圖7 不同粗粒含量土體的壓縮變形規(guī)律

由圖7可知：

(1) 相同填筑密度ρ與含水率ω條件下，隨土樣中粗粒含量的增大，土體的壓縮變形先增加后減小，這與前述分析一致，是由不同級配土體土骨架初始的疏密狀態(tài)所致。

(2) 圖7中曲線①與②、③與④為相同填筑密度、不同含水率土體壓縮量的變化曲線。在試驗設(shè)計含水率范圍內(nèi)，同一級配、相同填筑密度的土樣，隨含水率增大壓縮變形量增大。其原因是，一方面，增大粗粒土中的含水率，水膜厚度增加，顆粒間的阻力降低，顆粒之間更易壓密。另一方面，密度相同、含水率大的土體，其干密度較小，土顆粒間的孔隙較大，且土樣欠密實，易壓密。

(3) 圖7中曲線①與③、②與④為相同含水率、不同填筑密度土體壓縮量的變化曲線。同一級配、相同含水率的土樣，隨填筑密度的增大壓縮變形量減小。其原因是，含水率相同的土體，密度大，土體干密度也大，顆粒間的孔隙小，土樣密實，難壓縮。

為確定各影響因素的主次關(guān)系，對粗粒含量P5、含水率ω與填筑密度ρ進行影響因素的極差分析，計算各因素極差依次為12.62、5.05、22.02。試驗因素的極差值越大，表征該因素的變化對試驗結(jié)果影響越大，因素越重要。因此，對影響因素按照極差大小排序為：填筑密度ρ>粗粒含量P5>含水率ω。即，側(cè)限壓縮試驗中，粗粒土的初始密度對土的壓縮變形影響最大，其次是粗粒含量，含水率對粗粒土壓縮變形的影響最小。就含水率ω與填筑密度ρ對比而言，雖然土中含水率的增加，有利于顆粒間的相對滑動與擠密，但相比填筑密度的初始大小，其影響土的壓縮變形有一定的局限性。

3 結(jié) 論

(1) 顆粒級配是影響粗粒土壓縮特性的主要因素。相同初始孔隙比條件下，粗粒含量60%的土體顆粒不均勻程度最大，初始結(jié)構(gòu)最為疏松，壓縮變形最大。對比粗粒含量20%與80%的粗粒土，后者粗顆粒含量較多，當(dāng)土中應(yīng)力超過一定范圍時，粗顆粒常發(fā)生破碎，碎裂的巖屑進一步充填于孔隙中，其壓縮變形量大于前者。

(2) 粗粒土中塊石主要起到骨架作用，若按粗細(xì)顆粒的充填接觸關(guān)系，可將粗粒土的土骨架結(jié)構(gòu)劃分為：粗粒懸浮、粗粒咬合與粗粒架空三類。隨粗粒土粗粒含量的增多，當(dāng)粗粒含量達(dá)到60%時，其內(nèi)部塊石接觸充分，且相互咬合、摩擦，能形成最優(yōu)土骨架，以抵抗外部荷載變形。

(3) 粗粒含量P5、初始密度ρ、含水率ω是影響粗粒土壓縮變形的三個主要因素。按照各因素極差主次關(guān)系排序可知：填筑密度ρ>粗粒含量P5>含水率ω。