不同泥巖比例下粗粒土的顆粒破碎

馬 吉 奇

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

不同泥巖比例下粗粒土的顆粒破碎

馬 吉 奇

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

通過對(duì)混合土料進(jìn)行大型三軸不固結(jié)不排水(UU)壓縮試驗(yàn)，研究了不同泥巖比例對(duì)試料顆粒破碎率的影響，結(jié)果表明隨著泥巖比例的增加，土體的顆粒破碎率呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

粗粒土，應(yīng)力，應(yīng)變，圍壓，顆粒破碎

0 引言

粗粒土由于顆粒間彼此擠壓充填，最終形成一種呈粒狀的散粒體[1]。粗粒土因具有良好的壓實(shí)性能、較高的抗剪強(qiáng)度、高壓縮性、良好的滲透性等工程特性，在地基基礎(chǔ)、大型水利水電土石壩等方面得到廣泛應(yīng)用。自20世紀(jì)中期以來，國內(nèi)外學(xué)者從各個(gè)方面對(duì)粗粒土的強(qiáng)度、應(yīng)力應(yīng)變特征、滲透性等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[2-5]，本文設(shè)定試驗(yàn)方案，研究不同泥砂巖比例下粗粒土的顆粒破碎率。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土料取自我國西南地區(qū)某煤系地層，粒徑大小極不均勻，試料由泥巖、砂巖按照不同比例混合組成，A，B，C三組試樣均為天然含水率，具體配比見表1。

表1 土料樣品情況及摻混要求比例

1.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)通過不固結(jié)不排水剪切(UU)試驗(yàn)，試樣尺寸為直徑300 mm，高600 mm,試驗(yàn)為擊實(shí)試樣，分三層搗實(shí)。

由于土石料的粒徑和試樣尺寸的限制，試驗(yàn)時(shí)首先按照土工試驗(yàn)規(guī)程對(duì)原始級(jí)配進(jìn)行等比例縮尺，同時(shí)保證粒徑小于5 mm的細(xì)粒含量不變，最終縮尺后的試料級(jí)配如表2所示。

表2 試樣級(jí)配

1.3 試驗(yàn)要點(diǎn)

1)試驗(yàn)圍壓：試驗(yàn)周圍壓力σ3分級(jí)為100 kPa，200 kPa，300 kPa，400 kPa。

2)制樣裝填：制樣裝填時(shí)分三層裝填，用夯實(shí)法夯至制樣密度。

3)剪切速率：試驗(yàn)剪切速率按規(guī)程要求，采用每分鐘應(yīng)變?yōu)?.2 mm。按照試驗(yàn)方案要求計(jì)算并稱量試驗(yàn)所要求的實(shí)際土樣重量，混合均勻并分三層振實(shí)。以0.2 mm/min的剪切速率進(jìn)行剪切，到軸向應(yīng)變達(dá)到15%左右為止，試驗(yàn)完畢。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

粗粒土由于粒徑較大，在外部荷載的作用下容易發(fā)生顆粒破碎的現(xiàn)象。顆粒破碎是粗粒土的明顯特征，土體發(fā)生顆粒破碎將導(dǎo)致土體級(jí)配發(fā)生改變，并且土體的物理力學(xué)性質(zhì)也將發(fā)生變化，研究粗粒土的顆粒破碎具有很大的工程意義。關(guān)于顆粒破碎量化指標(biāo)非常多，Marsal[6]提出根據(jù)剪切前后各粒組所對(duì)應(yīng)含量之差的正值之和Bg=∑Wk;Wk=Wki-Wkf。其中，Wki為剪切前級(jí)配曲線上某一粒組的百分含量；Wkf為剪切后級(jí)配曲線上相同粒組的含量。根據(jù)定義，剪切前后級(jí)配曲線各粒組百分含量差值為正，則說明組成該粒組的顆?？倲?shù)減少；剪切前后級(jí)配曲線上各粒組的百分含量差值為負(fù)，則說明組成該粒組的顆?？倲?shù)增多。

1)顆粒破碎量化分析。

根據(jù)破碎率指標(biāo)的定義，得出各粒組的破碎指標(biāo)，如表3所示。

表3 不同泥、砂巖比例下的顆粒破碎率

根據(jù)表3可知，土體在剪切過程中，隨著圍壓的增大，顆粒破碎率呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，因?yàn)閲鷫涸酱?，顆粒之間接觸越密實(shí)，土顆粒更容易發(fā)生破碎，最終導(dǎo)致整體破碎率增大。在三軸剪切過程中顆粒的整體破碎情況是粗顆粒破碎，細(xì)顆粒增加。統(tǒng)計(jì)圍壓在400 kPa下，A,B,C三組試料各粒組的破碎率如表4所示。在圍壓為400 kPa下，以顆粒粒徑d為橫坐標(biāo)，剪切前后各粒組的顆粒破碎率為縱坐標(biāo)，見圖1。

表4 不同粒組的顆粒破碎率 %

根據(jù)圖1分析，對(duì)B0與d的關(guān)系可以采用三次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，擬合的關(guān)系如下：

B0=Ad3+Bd2+Cd+D。

其中，A,B,C,D均為各項(xiàng)系數(shù)，分別為-0.000 1，0.019 4,-1.070 6,20.834。

根據(jù)該方程可求得各個(gè)粒組的顆粒破碎率B0，將各粒組的顆粒破碎率相加，就可以得到整體破碎率，可以對(duì)試樣的整體破碎率進(jìn)行大致的預(yù)測(cè)。

2)泥巖含量對(duì)顆粒破碎的影響。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得，隨著泥巖比例的增加，土體的顆粒破碎率呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。根據(jù)試樣在圍壓為400 kPa下，統(tǒng)計(jì)不同泥巖與砂巖比例下試樣的破碎率(見表5)。因?yàn)楫?dāng)泥巖含量增加到一定值，泥巖顆粒的強(qiáng)度小于砂巖顆粒的強(qiáng)度，泥巖顆粒首先發(fā)生破碎，分散于土顆粒之間的空隙，減少了粗顆粒之間的接觸點(diǎn)，土體的顆粒破碎率也隨著減小(見圖2)。

表5 不同泥巖與砂巖比例下試料的顆粒破碎率

3 結(jié)語

就本次試驗(yàn)土料，建立了各組粒組的破碎率方程，根據(jù)此方程可求得各個(gè)粒組對(duì)應(yīng)的破碎率，將其相加后可得到整體破碎率，可以對(duì)試樣的整體破碎率進(jìn)行大致的預(yù)測(cè)。試驗(yàn)表明，隨著泥巖比例的增加，土體的顆粒破碎率呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

[1] 郭慶國.粗粒土的工程特性及應(yīng)用[M].鄭州：黃河水利出版社，1998.

[2] 張啟岳，司洪洋.粗顆粒土大型三軸壓縮試驗(yàn)的強(qiáng)度與應(yīng)力—應(yīng)變特性[J].水利學(xué)報(bào)，1982(9)：22-31.

[3] 柏樹田，周曉光.堆石在平面應(yīng)變條件下的強(qiáng)度和應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1991,13(4)：33-40.

[4] 王朝東，潘招湘，喻小生.在普通土大三軸儀上進(jìn)行土的應(yīng)力路徑試驗(yàn)的探索[J].巖土力學(xué)，1991,12(1)：57-63.

[5] 盧廷浩，錢玉林.寬級(jí)配礫石土的應(yīng)力路徑試驗(yàn)及其本構(gòu)模型驗(yàn)證[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)，1996,24(2)：74-79.

[6] Marsal R J. Large-scale testing of rockfills materials[J].Journal of the soil mechanics and foundation engineering ASCE,1967,93(2):27-44.

Coarse-grain soil particle breakage under different mudstone ratio

Ma Jiqi

(ChinaCoalScienceIndustryGroupXi’anAcademyCo.,Ltd,Xi’an710077,China)

Through carrying out consolidated untrained triaxial compression test (UU) of concrete mixture, the thesis studies the impact of different mudstone ratio upon particle breakage ratio. Results show that: the coarse-grain soil particle breakage ratio will reduce with the mudstone ratio increasing.

coarse-grain soil, stress, strain, confining pressure, particle breakage

2015-02-04

馬吉奇(1987- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)11-0048-02

TU411

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