風(fēng)化巖填料的壓實(shí)變形特性試驗(yàn)研究

屈立勇

(西安公路研究院，陜西西安 710054)

0 引言

基于加快山區(qū)公路發(fā)展建設(shè)和保護(hù)脆弱生態(tài)環(huán)境的目的，風(fēng)化巖已被日益廣泛地用作路堤填料。然而風(fēng)化巖填料不僅具有一般軟巖填料強(qiáng)度低、抗風(fēng)化能力、抗水性及抗變形能力較差等不利的工程性質(zhì)，其填料顆粒微觀結(jié)構(gòu)存在大量的微裂紋及微孔洞等材料缺陷，在外部荷載及自然環(huán)境作用下，填料粒徑組成和結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生較大的變化，使強(qiáng)度與變形特性具有明顯的變異性。因此，隨著風(fēng)化巖作為路堤填料的廣泛應(yīng)用，其壓實(shí)變形特性也愈來愈被工程技術(shù)人員所重視。

大型側(cè)向壓縮試驗(yàn)以一定粒徑組成的混合散粒體為研究對(duì)象，試驗(yàn)過程制樣方便、操作簡(jiǎn)單、耗時(shí)短，且試驗(yàn)的應(yīng)力路徑同路堤填筑及運(yùn)營(yíng)過程中路堤單元的應(yīng)力路徑比較相近，應(yīng)力狀態(tài)接近于靜止土壓力K0狀態(tài)[1]。因此，選用大型側(cè)向壓縮試驗(yàn)來研究山區(qū)風(fēng)化巖填料的壓實(shí)變形特性。目前，關(guān)于大型側(cè)向壓縮試驗(yàn)的研究公路部門開展的較少，甚至在試驗(yàn)規(guī)程中也未涉及，而水利部門研究的則較早，并取得了一定的研究成果。程展林等[2]通過堆石料的壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了壓縮模量隨壓力時(shí)增時(shí)減的波動(dòng)現(xiàn)象，并提出約束條件、粒徑比及顆粒強(qiáng)度與上述現(xiàn)象有很大關(guān)系的結(jié)論。張兵等[3]利用堆石料的壓縮試驗(yàn)分析了級(jí)配、初始孔隙比、巖性及泥巖含量對(duì)填料壓縮性的影響，認(rèn)為顆粒破碎應(yīng)力是堆石料發(fā)生彈塑性變形的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，并提出對(duì)于不同初始孔隙比的同一種堆石料，在極高的應(yīng)力狀態(tài)下它們的壓縮曲線匯聚到唯一的極限壓縮曲線LCC。但上述研究主要反映的是高壓應(yīng)力狀態(tài)下工程性質(zhì)較好的堆石料變形響應(yīng)，而對(duì)低應(yīng)力水平狀態(tài)下工程性質(zhì)較差的強(qiáng)風(fēng)化石料卻研究的較少。為此，借鑒水利部門的研究成果對(duì)風(fēng)化巖填料進(jìn)行了不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)、不同加載間距、不同浸水狀態(tài)及循環(huán)加卸荷載的低壓大型側(cè)向壓縮試驗(yàn)研究，并得到了一些有意義的結(jié)論。

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)述

1.1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)用料取自某高速公路邊坡刷坡強(qiáng)風(fēng)化石料，巖性為千枚巖，試驗(yàn)材料分60 mm～40 mm，40 mm～20 mm，20 mm～10 mm，10 mm～5 mm，＜5 mm 5個(gè)粒組。儀器采用YS50-4型浮環(huán)壓縮儀進(jìn)行，壓縮儀直徑505 mm，高250 mm，千斤頂最大量程2 000 kN，百分表最大量程50 mm，最小刻度分值0.01 mm。

1.2 試驗(yàn)方案

1)不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)下的壓縮試驗(yàn)。受風(fēng)化程度、地質(zhì)構(gòu)造和變質(zhì)作用的影響其粒徑組成、強(qiáng)度與變形特性具有明顯的變異性，碾壓后的路堤有可能形成懸浮—密實(shí)、骨架—密實(shí)與骨架—孔隙結(jié)構(gòu)類型一種或幾種，而不同的結(jié)構(gòu)類型具有不同的變形特性，這對(duì)路堤的長(zhǎng)期穩(wěn)定性極為不利。因此，對(duì)三種不同結(jié)構(gòu)類型的填料按 50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa，800 kPa 進(jìn)行加載。

2)不同加載間距下的壓縮試驗(yàn)。風(fēng)化巖填料壓實(shí)機(jī)理不同于一般的硬質(zhì)石料和細(xì)粒土，其顆粒強(qiáng)度低，在較低應(yīng)力水平作用下即發(fā)生顆粒破碎。為了充分體現(xiàn)風(fēng)化巖填料的這一特性，試驗(yàn)按50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa，800 kPa 的正常加載及400 kPa之前按間距50 kPa，之后按100 kPa的加載方式對(duì)比進(jìn)行。

3)不同浸水狀態(tài)下的壓縮試驗(yàn)。通過對(duì)飽和與干燥試樣的壓縮試驗(yàn)不僅可以分析了解現(xiàn)場(chǎng)分層碾壓施工過程中加水與否，而且可以研究水—荷載的耦合作用對(duì)風(fēng)化巖填料力學(xué)性能衰變機(jī)理。因此，對(duì)飽和試樣和風(fēng)干試樣分別進(jìn)行50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa，800 kPa 的加載試驗(yàn)。

4)循環(huán)加卸載試驗(yàn)。通過循環(huán)加卸載試驗(yàn)來模擬不同行車荷載下的填方路堤變形情況，試驗(yàn)按100 kPa，200 kPa，300 kPa進(jìn)行加載，待變加載到一定荷載(400 kPa，500 kPa，600 kPa)后，開始逐級(jí)卸載至300 kPa，然后充分進(jìn)行以上步驟，終止壓力為800 kPa，記錄試驗(yàn)過程中不同荷載下的穩(wěn)定變形。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

風(fēng)化巖填料在壓縮試驗(yàn)過程中，變形曲線因加載間距的縮小而呈臺(tái)階狀，壓縮模量陡增突降的波動(dòng)現(xiàn)象更是明顯，詳見圖1。由圖1可以看出，正常加載的變形曲線呈良好的雙曲線型，終止壓力800 kPa的變形僅為6.44 mm，而加載間距變?yōu)?0 kPa～100 kPa時(shí)，不僅其變形均大于正常加載時(shí)相應(yīng)荷載的變形，且變形曲線具有明顯的臺(tái)階狀，如200 kPa～400 kPa段的第一臺(tái)階，600 kPa～800 kPa段的第二臺(tái)階。其原因可能是:1)蠕變變形。加載后的穩(wěn)壓過程是填料內(nèi)部應(yīng)力及顆粒位置逐漸調(diào)整的過程，即填料的蠕變過程，由蠕變公式εf=atn知，蠕變變形隨時(shí)間的增大而增大，加載間距越小，相應(yīng)的加載次數(shù)越多，其蠕變過程進(jìn)行也就較充分完全，故變形大于正常加載時(shí)相應(yīng)荷載的變形。2)碾磨破碎。在一定荷載作用下，顆粒體形成獨(dú)立的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，當(dāng)增加荷載不足以改變此結(jié)構(gòu)時(shí)，變形主要表現(xiàn)為較小的顆粒碾磨破碎變形，壓縮模量陡增，變形曲線出現(xiàn)臺(tái)階狀;反之，將出現(xiàn)局部顆粒擠壓破碎，引起應(yīng)力及顆粒位置重調(diào)整，此時(shí)壓縮模量突降，造成相對(duì)較大的變形，如400 kPa～600 kPa段。

水—荷載的耦合作用一直是造成風(fēng)化巖填料力學(xué)性能衰變的主要因素，因此開展浸水前后的壓縮變形試驗(yàn)是十分必要的，其試驗(yàn)結(jié)果見圖2。由圖2a)看出:在荷載小于200 kPa范圍內(nèi)，飽和試樣的壓縮變形接近風(fēng)干試樣的壓縮變形，而隨著豎向荷載的增大，變形差值逐漸增大，終止壓力800 kPa的變形差值達(dá)5.23 mm，幾乎為干燥試樣的總壓縮變形的一半，這說明風(fēng)化巖路堤施工期對(duì)填料灑水碾壓有助于路堤的壓實(shí)。同時(shí)由圖2b)看出，干燥試樣的壓縮模量變化具有明顯的波動(dòng)性，而飽和試樣的壓縮模量則隨荷載增大而增大。這說明水—荷載的耦合作用易弱化顆粒間的接觸應(yīng)力，加大顆粒集合體的組構(gòu)形變。究其原因:1)風(fēng)化作用使風(fēng)化巖一般都含有親水礦物，水的存在會(huì)加速顆粒的膨脹、崩解，使骨架顆粒的強(qiáng)度降低;2)風(fēng)化巖填料顆粒本身含有較多的微裂隙及裂紋，水、荷載的耦合作用使微裂隙及裂紋邊緣在加載時(shí)產(chǎn)生瞬間張拉力，加速顆粒裂隙及裂紋的擴(kuò)展貫通，最終發(fā)生顆粒破碎;3)風(fēng)化巖填料的壓縮過程是荷載產(chǎn)生塑性功轉(zhuǎn)化為顆粒破碎耗能與滑移摩擦耗能的過程，水的作用使滑移摩擦角φf降低，顆粒組構(gòu)易于改變。上述試驗(yàn)結(jié)果也解釋了現(xiàn)場(chǎng)采用風(fēng)化巖填料修筑的施工便道會(huì)在降雨后一段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大沉降變形的原因。

圖3為風(fēng)化巖填料的循環(huán)卸載—再加載曲線，從圖3中可以看出，在本次低應(yīng)力水平試驗(yàn)范圍內(nèi)，每次卸載后的回彈變形均較小，最大不超過0.8 mm，基本為不可恢復(fù)的塑性變形，這與文獻(xiàn)[3]的試驗(yàn)規(guī)律一致，但未出現(xiàn)明顯屈服點(diǎn)，每次再加載路徑均未沿著卸載路徑進(jìn)行，而是隨著循環(huán)次數(shù)的增加，相應(yīng)荷載下的變形增量逐漸增大(見圖4)，這可能與風(fēng)化巖填料自身的工程特性有很大的關(guān)系。風(fēng)化巖填料不同于鈣質(zhì)砂，其顆粒強(qiáng)度低、粒徑大，受多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和變質(zhì)作用的影響，其顆粒內(nèi)部存在微裂紋及微孔洞等材料缺陷，在低應(yīng)力循環(huán)荷載反復(fù)作用下造成顆粒及結(jié)構(gòu)疲勞損傷的加劇，促使新裂隙及裂紋的不斷產(chǎn)生，舊裂隙及裂紋反復(fù)擴(kuò)展連通，引發(fā)試樣顆粒斷裂破碎、試樣顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，結(jié)果導(dǎo)致隨著循環(huán)次數(shù)的增加，相應(yīng)荷載下的變形增量逐漸增大，終止壓力變形大于圖3中常規(guī)加載的終止壓力變形。這說明風(fēng)化巖路堤在行車荷載作用下產(chǎn)生較大的沉降變形。

3 結(jié)語

1)在低應(yīng)力水平范圍內(nèi)，不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)填料的壓縮變形曲線形態(tài)略有不同，骨架—孔隙結(jié)構(gòu)填料的變形曲線形態(tài)呈輕微的上凸型，變形較小，而其他兩種結(jié)構(gòu)填料的變形曲線則呈明顯的下凹型，且變形相對(duì)較大。

2)風(fēng)化巖填料在壓縮試驗(yàn)過程中，變形曲線因加載間距的縮小而呈臺(tái)階狀，壓縮模量陡增突降的波動(dòng)現(xiàn)象更是明顯。

3)水—荷載的耦合作用一直是造成風(fēng)化巖填料力學(xué)性能衰變的主要因素，因此在現(xiàn)場(chǎng)施工中應(yīng)加強(qiáng)風(fēng)化巖路堤的防排水處理。

4)風(fēng)化巖填料自身的工程力學(xué)性質(zhì)較差，在循環(huán)卸載—再加載作用下易加大試樣的壓縮變形，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，相應(yīng)荷載下的變形增量逐漸增大，這說明行車荷載對(duì)風(fēng)化巖路堤的工后沉降有較大的影響。

5)在風(fēng)化巖填料壓縮試驗(yàn)過程中，壓縮模量隨壓力時(shí)增時(shí)減的波動(dòng)現(xiàn)象，這不僅與約束條件、粒徑比及顆粒強(qiáng)度相關(guān)，而且與試樣的結(jié)構(gòu)狀態(tài)、加載間距、密度與水—荷載的耦合作用也有很大的關(guān)系。

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