壓實(shí)度對(duì)中風(fēng)化泥質(zhì)頁(yè)巖-粉質(zhì)黏土混合料力學(xué)特性影響試驗(yàn)研究

龔 輝，郭娜娜，張乙彬

(1.貴州橋梁建設(shè)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000；2.貴州橋梁建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550000)

1 引 言

土石混合料是由土和巖塊(碎石)組成的復(fù)合體?；旌狭现型恋姆N類不同，巖塊的種類及含量不同，相應(yīng)強(qiáng)度和變形特征亦不同。其強(qiáng)度參數(shù)不僅取決于土料和石料本身的強(qiáng)度，還受混合料的空隙壓密、粗顆粒的接觸狀態(tài)、細(xì)粒的含水量等眾多因素有關(guān)，但各因素的影響機(jī)制目前并未有統(tǒng)一的結(jié)論，所以目前還沒(méi)有一種理論系統(tǒng)的闡述土石混合料的力學(xué)性質(zhì)。

施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)填方工程質(zhì)量控制主要以壓實(shí)度這一指標(biāo)來(lái)定量，以西南地區(qū)粉質(zhì)黏土為細(xì)料，粗集料成分為中風(fēng)化泥質(zhì)頁(yè)巖經(jīng)人工拌合而成的混合料為研究對(duì)象，先進(jìn)行室內(nèi)大型擊實(shí)試驗(yàn)以模擬達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)不同的壓實(shí)度后進(jìn)行室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)，以研究壓實(shí)度對(duì)混合料整體力學(xué)特性的影響。

2 試驗(yàn)方案

本次室內(nèi)大型擊實(shí)儀主要由三大部分：擊實(shí)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)、升舉和橫移系統(tǒng)。根據(jù)《水電水利工程粗粒土試驗(yàn)規(guī)程》DL/T 5356-2006對(duì)原有的普氏擊實(shí)儀進(jìn)行了擴(kuò)容而成，具體參數(shù)見(jiàn)表1，實(shí)景圖見(jiàn)圖1。擊實(shí)及剪切試驗(yàn)時(shí)采用的細(xì)料含水量為最優(yōu)含水量20%、含石率為50%、粗集料最大粒徑120 mm，級(jí)配按各料組均勻配制的原則進(jìn)行試驗(yàn)制備。

通過(guò)不同錘擊數(shù)激發(fā)不同擊實(shí)功對(duì)應(yīng)不同壓實(shí)度的方法進(jìn)行擊實(shí)度分別為91.8%、94%、97%、100%四個(gè)壓實(shí)度級(jí)別進(jìn)行擊實(shí)后將擊實(shí)儀直接平移到剪切儀上，將擊實(shí)筒上下部分的連接插銷撥出即可進(jìn)行大型直剪試驗(yàn)，見(jiàn)圖2。室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)采用的法向壓力分別取90 kPa、190 kPa、390 kPa。

表1 自行研制的大型擊實(shí)儀各參數(shù)

3 剪切力學(xué)特性

3.1 剪應(yīng)力-位移分析

圖1 土石混合體剪切應(yīng)力-位移曲線

圖1顯示了中風(fēng)化泥質(zhì)頁(yè)巖-粉質(zhì)黏土混合料中不同壓實(shí)度相同法向應(yīng)力作用下的剪切應(yīng)力位移曲線，從圖1可見(jiàn)，壓實(shí)度越高，相同位移對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力越大。但是在剪切后期，壓實(shí)度越高，應(yīng)變軟化越明顯。其原因主要是：密實(shí)度越高，大小塊體間填充越密實(shí)，塊與塊之間嵌固咬合力和摩擦力越大，在剪切力作用下，剪切帶內(nèi)顆粒發(fā)生移動(dòng)或滾動(dòng)，在移動(dòng)或滾動(dòng)完成后，嵌固咬合力迅速降低甚至消失，形成了應(yīng)變軟化現(xiàn)象。相反，密實(shí)度較低時(shí)，剪切過(guò)程呈剪縮規(guī)律，密實(shí)度越剪越高，剪應(yīng)力-位移曲線呈現(xiàn)應(yīng)變硬化，沒(méi)有明顯的峰值強(qiáng)度。

3.2 剪切強(qiáng)度分析

根據(jù)莫爾庫(kù)化強(qiáng)度準(zhǔn)則線性擬合到抗剪強(qiáng)度參數(shù)見(jiàn)表2，其隨壓實(shí)度的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2，從圖2中可見(jiàn)壓實(shí)度越高，塊石間嵌固力越明顯，所得混合料粘聚力越大。但是壓實(shí)度增加，塊石間的嵌固力增加，使得大部分巖塊在剪切過(guò)程中均處于翻越的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，平移和滾動(dòng)較少，壓實(shí)度越高，對(duì)應(yīng)試驗(yàn)得到的混合料宏觀內(nèi)摩擦角越小，而宏觀表現(xiàn)出現(xiàn)的嵌固特性(粘聚力越大)。

表2 不同壓實(shí)度土石混合體剪切強(qiáng)度

圖2 強(qiáng)度參數(shù)與壓實(shí)度關(guān)系

3.3 粗集料的細(xì)觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律與宏觀抗剪強(qiáng)度指標(biāo)關(guān)系探討

土石混合料中的巖塊在剪切過(guò)程中無(wú)外乎三種運(yùn)動(dòng)方式：滑移、滾動(dòng)、翻越。當(dāng)然這是在巖塊在剪切過(guò)程中不發(fā)生剪碎的前提下的幾種方式?；衅毡檎J(rèn)為，翻越產(chǎn)生的剪切阻力在宏觀上主要表現(xiàn)為類似于細(xì)料粘聚力c，而滑動(dòng)與滾動(dòng)產(chǎn)生的剪阻力在宏觀上則表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角φ，隨著剪切過(guò)程的進(jìn)行，粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ勢(shì)比發(fā)生變化

τ(σn,x)=σntan(φ(x))+c(x)

(1)

式中：τ(σn,x)為剪切位移為x時(shí)，法向應(yīng)力為σn對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力，取其峰值作用剪切強(qiáng)度值，kPa；σn為剪切面上的法向應(yīng)力，kPa；φ(x)為剪切位移為x時(shí)的內(nèi)摩擦角分量，最大值記為φmax；c(x)為剪切位多為x時(shí)的粘聚力分量，最大值記為cmax；

由式1可以看出，若能獲得剪切位移為x時(shí)的一系列不同法向應(yīng)力σn對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力τ(σn,x)，并對(duì)τ(σn,x)-σn進(jìn)行線性回歸，即可得到對(duì)應(yīng)的φ(x)和c(x)，進(jìn)而掌握φ(x)和c(x)隨著剪切位移的變化規(guī)律。但是本文的剪切試驗(yàn)是采用應(yīng)力控制，所以不同法向應(yīng)力σn的剪切位移互不相同，為此在數(shù)據(jù)分析之前進(jìn)行線性插值得到同一剪切位移x時(shí)的一系列不同法向應(yīng)力σn對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力τ(σn,x)。

圖3為不同壓實(shí)度混合料剪切過(guò)程中的內(nèi)摩擦角發(fā)揮情況，壓實(shí)度為91.8%和94%的混合料內(nèi)摩擦角發(fā)揮過(guò)程基本一致，均呈雙曲線型，在剪切位移達(dá)到45 mm時(shí)內(nèi)摩擦角達(dá)到峰值，隨后有細(xì)微的軟化，當(dāng)壓實(shí)度提升到97%時(shí)，剪切位移才21 mm時(shí)內(nèi)摩擦角已達(dá)到峰值，隨后內(nèi)摩擦角基本保證不變至40 mm后發(fā)生細(xì)微的軟化。而當(dāng)壓實(shí)度為100%時(shí)，內(nèi)摩擦角一開(kāi)始即急劇增長(zhǎng)，隨后發(fā)生驟降，發(fā)生起伏。未出現(xiàn)前述的雙曲線型發(fā)展趨勢(shì)。

圖3 不同壓實(shí)度對(duì)應(yīng)混合料的內(nèi)摩擦角發(fā)揮情況

圖4為不同壓實(shí)度混合料的粘聚力發(fā)揮過(guò)程，從圖4可見(jiàn)，壓實(shí)度越高，前期粘聚力增長(zhǎng)越快，而且壓實(shí)度越高，剪切后期嵌固力發(fā)生了應(yīng)變軟化現(xiàn)象越明顯，壓實(shí)度為91.8%和94%的嵌固力剪切后期基本無(wú)變化，而壓實(shí)度為97%的混合料嵌固力后期下降9.83%，壓實(shí)度為100%，嵌固力后期下降43.44%。

圖4 不同壓實(shí)度對(duì)應(yīng)混合料的粘聚力發(fā)揮情況

4 結(jié) 論

(1)壓實(shí)度對(duì)土石混合體的宏觀力學(xué)性質(zhì)影響

較大，壓實(shí)度越高，相同位移對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力越大。但是在剪切后期，壓實(shí)度越高，應(yīng)變軟化越明顯。

(2)壓實(shí)度越高，塊石間嵌固力明顯提升，所得混合料粘聚力很大。但是壓實(shí)度增加，塊石間的嵌固力增加，使得大部分巖塊在剪切過(guò)程中均處于翻越的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，平移和滾動(dòng)較少，對(duì)應(yīng)試驗(yàn)得到的混合料宏觀內(nèi)摩擦角越小

(3)壓實(shí)度不同，混合料剪切過(guò)程中的內(nèi)摩擦角和各有不同，壓實(shí)度為91.8%和94%的混合料內(nèi)摩擦角發(fā)揮過(guò)程基本一致，均呈雙曲線型，當(dāng)壓實(shí)度提升到97%時(shí)，剪切位移才21 mm時(shí)內(nèi)摩擦角已達(dá)到峰值，隨后內(nèi)摩擦角基本保證不變至40 mm后發(fā)生細(xì)微的軟化。

(4)壓實(shí)度越高，前期粘聚力增長(zhǎng)越快，而且壓實(shí)度越高，剪切后期嵌固力發(fā)生了應(yīng)變軟化現(xiàn)象越明顯。