顆粒級(jí)配對(duì)粗粒土強(qiáng)度和變形特性的影響

陳愛(ài)軍

(湖南工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院，湘潭 411104)

顆粒級(jí)配對(duì)粗粒土強(qiáng)度和變形特性的影響

陳愛(ài)軍

(湖南工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院，湘潭 411104)

對(duì)摻加不同比例碎石的粗粒土進(jìn)行了大型三軸試驗(yàn)，得到了顆粒級(jí)配對(duì)粗粒土強(qiáng)度和變形特性的影響規(guī)律.在素土中摻加不同比例的碎石可以明顯改善土體的顆粒級(jí)配組成；素土和改良土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為加工硬化型，隨著粗粒含量的增加，同一軸向應(yīng)變對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力增大，圍壓增加也會(huì)導(dǎo)致偏應(yīng)力增大；偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變表現(xiàn)為明顯的雙曲線關(guān)系，初始切線模量和極限應(yīng)力隨著P5含量和圍壓σ3的增加而增大；P5含量的增加有助于提高土樣內(nèi)摩擦角φ和黏聚力C，而含泥量增加會(huì)導(dǎo)致內(nèi)摩擦角φ和黏聚力C減小；低圍壓時(shí)粗粒含量較多的土樣表現(xiàn)出明顯的剪脹，較高圍壓時(shí)產(chǎn)生的體積應(yīng)變較大；徑向應(yīng)變?chǔ)?與軸向應(yīng)變?chǔ)?表現(xiàn)為明顯的拋物線關(guān)系，通過(guò)改進(jìn)的鄧肯-張的E-ν模型得到初始泊松比μi受?chē)鷫汉皖w粒級(jí)配的雙重影響.

級(jí)配；粗粒土；大型三軸試驗(yàn)；變形和強(qiáng)度特性

粗粒土泛指顆粒粒徑變化較大，由塊石、碎礫石、砂粉粒和黏粒等顆粒組成的混合土.從20世紀(jì)80年代以來(lái)，在工程建設(shè)中，粗粒土由于具有易壓實(shí)、透水性強(qiáng)、抗剪強(qiáng)度高、密度大、沉降小和承載力強(qiáng)等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外對(duì)粗粒土的研究主要集中在土石壩堆石料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、強(qiáng)度變形特性和高圍壓的顆粒破碎特性[1-7]，針對(duì)作為鐵路和公路路基填料的粗粒土的研究較少[8-12].堆石料的粒徑相對(duì)較大、細(xì)料含量少且處于高應(yīng)力環(huán)境，而作為路基填料的粗粒土粒徑較小、細(xì)料含量多且承受應(yīng)力較小，因此它們的應(yīng)力應(yīng)變特性也有所區(qū)別.根據(jù)郭慶國(guó)的研究成果[8]，粗粒土的顆粒級(jí)配組成是決定抗剪強(qiáng)度特性的主要因素，因此，針對(duì)鐵路及公路路基填料粗粒土，開(kāi)展顆粒級(jí)配組成對(duì)粗粒土的強(qiáng)度及變形特性研究具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐意義.

在對(duì)粗粒土工程特性的研究中，郭慶國(guó)[8]通過(guò)大量試驗(yàn)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)粗粒土的各項(xiàng)工程特性指標(biāo)首先取決于粗、細(xì)料各占的百分?jǐn)?shù)，當(dāng)粗料含量≤30%時(shí),各項(xiàng)工程特性指標(biāo)主要取決于細(xì)料，當(dāng)30%≤粗料含量≤70%時(shí),工程特性指標(biāo)同時(shí)具有兩種土的性質(zhì)，當(dāng)粗料含量≥70%時(shí)，粗粒土的工程特性指標(biāo)主要取決于粗料.饒錫保[13]認(rèn)為P5含量與土料的擊實(shí)特性、滲透性及強(qiáng)度特性都有一定的相關(guān)性，P5含量與強(qiáng)度參數(shù)關(guān)系密切；凌華[14]研究了顆粒級(jí)配和顆粒破碎對(duì)堆石料動(dòng)靜力特性的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)細(xì)顆粒含量在30%以內(nèi)時(shí),堆石料的強(qiáng)度指標(biāo)和變形參數(shù)隨細(xì)顆粒含量的增加而提高；陳志波[15]采用中三軸和大三軸儀對(duì)寬級(jí)配礫質(zhì)土的強(qiáng)度、應(yīng)力應(yīng)變和鄧肯-張模型參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，指出摻礫量和干密度對(duì)礫質(zhì)土的強(qiáng)度和變形特性有較大影響；李振[16]利用直剪試驗(yàn)研究了兩種粗粒土的細(xì)粒含量和干密度分別對(duì)其抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響以及抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化規(guī)律.綜上所述，粗粒土的顆粒級(jí)配組成對(duì)工程特性有顯著影響，雖然已有研究成果初步探討了摻礫量和細(xì)粒含量對(duì)粗粒土抗剪強(qiáng)度的影響，但對(duì)低應(yīng)力環(huán)境下的路基填料粗粒土仍有待于更深入的研究.本文針對(duì)某種高速鐵路路基不良填料及四種摻加不同碎石得到的改良粗粒土，進(jìn)行大型三軸試驗(yàn)研究，初步得到了顆粒級(jí)配組成對(duì)粗粒土強(qiáng)度和變形特性的影響規(guī)律.

1 試驗(yàn)土料

試驗(yàn)土料分素土和改良土，素土呈棕黃色，散粒狀，無(wú)明顯黏結(jié).根據(jù)素土的顆粒組成和《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10001-2005)[17]的規(guī)定，這種土為粉砂，屬于C組不良填料.我國(guó)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》(TB 10020-2009)規(guī)定：當(dāng)選用C組填料時(shí)，應(yīng)根據(jù)填料性質(zhì)進(jìn)行改良.本試驗(yàn)采用物理改良的方法，在素土中分別摻入20%、40%、60%和80%的粒徑介于5～40 mm的碎石,經(jīng)摻配得到改良土1、改良土2、改良土3和改良土4，素土、摻配碎石及改良土的土性和級(jí)配參數(shù)見(jiàn)表1、表2和圖1所示.

表1 素土及碎石物理參數(shù)

表2 試驗(yàn)土樣的級(jí)配參數(shù)

圖1 試驗(yàn)土樣級(jí)配曲線

表1～表2說(shuō)明，素土的塑性指數(shù)大于10且含泥量(小于0.1 mm顆粒含量)[8]高達(dá)21.28%，摻入碎石后的改良土應(yīng)具有部分黏性；隨著碎石摻量的增加，土料的不均勻系數(shù)Cu明顯提高有助于改善素土的級(jí)配組成，改良土4的Cu和Cc分別比改良土3的減小和增大.依據(jù)表2數(shù)據(jù)和文[17]可以判定改良土2～改良土4都為礫類(lèi)土，屬于B組填料，可以用作高速鐵路基填料并符合壓實(shí)性能要求.從圖1可以發(fā)現(xiàn)，素土摻入不同比例的碎石后，級(jí)配曲線中段部分明顯下移，但5～1 mm段曲線比較平坦，這與文[8]的研究成果是相符的.

2 試驗(yàn)方法

本文采用SZ30-4大型三軸儀進(jìn)行固結(jié)排水剪切試驗(yàn)(CD試驗(yàn))，試樣尺寸Φ300×600，土樣顆粒最大粒徑為60 mm，壓實(shí)度控制為95%.先按預(yù)計(jì)含水量和碎石含量配制混合料，然后根據(jù)要求干密度分6次稱料倒入安裝在壓力室底座上的鋼模內(nèi)(橡皮膜套在鋼模內(nèi)壁)，每層土料刮平后擊實(shí)厚度控制在10 cm左右.制樣完成后進(jìn)行抽氣飽和,即在真空泵作用下，連續(xù)抽氣使試樣內(nèi)部保持-90 kPa 1 h，隨后打開(kāi)進(jìn)水閥門(mén)讓土樣由下而上開(kāi)始飽和，直到試樣上部出水，持續(xù)20 min，停止抽氣，然后改用水頭飽和法進(jìn)行飽和，直至孔隙壓力系數(shù)B大于等于0.95為止.

固結(jié)方法為各向等壓固結(jié)，作為路基填料的法向應(yīng)力通常較低[9]，因此采用較低固結(jié)圍壓，分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa，固結(jié)過(guò)程中可以根據(jù)試樣的排水量獲得試樣的體積變化，在固結(jié)過(guò)程中當(dāng)孔隙水壓力uw消散至小于0.02σ3時(shí)即認(rèn)為固結(jié)完成.固結(jié)完成后馬上施加軸向壓力進(jìn)行剪切，為有利于孔隙水壓力的消散，且根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)確定剪切速率為0.5 mm/min.關(guān)于破壞標(biāo)準(zhǔn)的確定，若應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)峰值，則峰值主應(yīng)力差為破壞標(biāo)準(zhǔn)；若應(yīng)力應(yīng)變曲線未出現(xiàn)峰值，則以軸向應(yīng)變15%對(duì)應(yīng)的主應(yīng)力差為破壞標(biāo)準(zhǔn).

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力應(yīng)變特性

土樣在100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa圍壓的主應(yīng)力差(σ1-σ3)與軸向應(yīng)變?chǔ)?的曲線如圖2所示.圖2顯示，不同土料在四種圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系存在一致性，即軸向應(yīng)變?chǔ)?隨著主應(yīng)力差值(σ1-σ3)的增加而增大，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為加工硬化型，沒(méi)有明顯的應(yīng)力峰值，呈現(xiàn)出塑性破壞的特征；而且，隨著P5含量的增加，相同ε1對(duì)應(yīng)的主應(yīng)力差是提高的，說(shuō)明P5含量增加有利于提高粗粒土強(qiáng)度；圍壓增大時(shí)，同一軸向應(yīng)變對(duì)應(yīng)的主應(yīng)力差也明顯增加.同時(shí)，應(yīng)用鄧肯-張雙曲線模型擬合應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系相關(guān)性較好，鄧肯-張雙曲線模型較適合描述加工硬化型的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[13].

圖2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

采用鄧肯-張雙曲線模型的公式(1)擬合主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線，式中a為初始切線模量Ei的倒數(shù)，b是極限應(yīng)力差(σ1-σ3)lim的倒數(shù)，因此根據(jù)a和b可以計(jì)算各種土樣在不同圍壓下的Ei和(σ1-σ3)lim，根據(jù)Ei和(σ1-σ3)lim與P5的關(guān)系繪制圖3.

圖3 初始模量和極限應(yīng)力差與P5的關(guān)系

(1)

圖3表明，初始切線模量Ei與P5含量線性相關(guān)性較好， 在相同圍壓時(shí)Ei隨著P5含量的增加而增大，在相同P5含量時(shí)圍壓升高會(huì)導(dǎo)致Ei增大，說(shuō)明P5含量越多導(dǎo)致土樣剛度越大并提高土體的抗變形能力.極限應(yīng)力差(σ1-σ3)lim與P5的關(guān)系也表現(xiàn)出同樣的性質(zhì)，只是在P5達(dá)到70%以后(σ1-σ3)lim趨于穩(wěn)定，摻加過(guò)多粗粒含量對(duì)于提高土的承載能力不是很明顯.

3.2 強(qiáng)度特性

圖4 土料莫爾圓及強(qiáng)度包線

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，含較多細(xì)粒的素土及改良土1和改良土2直線擬合較好，改良土3和改良土4由于含粗粒較多而導(dǎo)致直線擬合較差.具有黏性的粗粒土的抗剪強(qiáng)度分為黏聚分量、剪脹分量和摩擦分量[18]，黏聚分量在極小的應(yīng)力下就發(fā)揮到最大后并不再上升或有些降低，摩擦分量與正應(yīng)力成正比，剪脹分量只有在粗粒含量多低圍壓下作用明顯，剪脹提供的強(qiáng)度分量在圍壓較大時(shí)迅速降低導(dǎo)致強(qiáng)度包線彎曲，因此改良土3和改良土4的強(qiáng)度包線呈現(xiàn)曲線特征.抗剪強(qiáng)度參數(shù)黏聚力C及內(nèi)摩擦角φ與顆粒級(jí)配的關(guān)系如圖5所示.

圖5 C和φ與顆粒級(jí)配的關(guān)系

圖5表明隨著粗粒含量的增加，土樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)都是增大的.內(nèi)摩擦角φ隨粗顆粒含量增加而線性增大，這與李遠(yuǎn)耀[19]通過(guò)大量統(tǒng)計(jì)得到的結(jié)果是相同的；黏聚力C只有在P5含量超過(guò)30%才增加較明顯，P5含量達(dá)到60%以后黏聚力的增加較少.同時(shí)，隨著土中含泥量的增加,抗剪強(qiáng)度參數(shù)都是減小的,但是減小的規(guī)律也不一樣,內(nèi)摩擦角φ是隨含泥量增加呈線性減小,黏聚力C在含泥量從13%～17%之間減小較明顯.在偏應(yīng)力作用下，粗粒土的內(nèi)摩擦角主要是由粗顆粒之間的相互摩擦來(lái)提供，因此粗顆粒含量越多則摩擦角越大，含泥量越多則內(nèi)摩擦角越小.黏聚力主要包括兩部分[14]，一部分是細(xì)粒粒間吸引力，另一部分是粗粒之間的咬合力，當(dāng)粗顆粒含量較少時(shí)，粗顆粒被細(xì)粒所包圍，黏聚力以粒間吸引力為主，而粒間吸引力主要與細(xì)粒土的含水量、礦物成分和塑性指數(shù)有關(guān)，因此粗粒含量的增加對(duì)黏聚力影響不大；當(dāng)粗粒含量增加到30%以上，細(xì)粒土不能完全填充粗顆粒之間的空隙而使得粗顆粒直接接觸，此時(shí)黏聚力以粗粒之間的咬合力為主，粗粒含量越多則咬合力越大，但當(dāng)粗顆粒增加到55%～60%以上后，土中大部分是粗顆粒，咬合力趨于平衡，黏聚力不再隨著粗粒含量的增加而顯著增大.含泥量對(duì)黏聚力的影響機(jī)理類(lèi)似，當(dāng)土中粗粒含量較多時(shí)含泥量的增加對(duì)咬合力的影響不大，只有當(dāng)含泥量增加到10%～15%以上，細(xì)粒含量超過(guò)50%，造成粗顆粒之間不能直接接觸，含泥量增加導(dǎo)致咬合力急劇降低，但當(dāng)土中細(xì)顆粒較多把粗顆粒隔開(kāi)時(shí)，土中黏聚力以粒間吸引力為主，含泥量的增加對(duì)黏聚力的影響不明顯.

3.3 變形特性

試樣的體積應(yīng)變?chǔ)舦與軸向應(yīng)變?chǔ)?關(guān)系如圖6所示.

圖6 體積應(yīng)變與軸向應(yīng)變的關(guān)系

圖6表明，素土在各種圍壓下體積應(yīng)變都隨著軸向應(yīng)變的增加而增大的，即素土的體積變形具有典型的剪縮特性，這是由于素土的顆粒組成以細(xì)粒為主導(dǎo)致的.

圍壓100 kPa和400 kPa的徑向應(yīng)變?chǔ)?(以增大為正)與軸向應(yīng)變?chǔ)?的關(guān)系如圖7所示.

當(dāng)圍壓為100 kPa時(shí)，改良土1和改良土2沒(méi)有明顯的剪脹，而改良土3和改良土4表現(xiàn)為先剪縮后剪脹的特點(diǎn)，尤其是改良土4的剪脹性最顯著，低圍壓時(shí)，改良土3和改良土4以粗顆粒為主，土中孔隙較多，隨著偏應(yīng)力的增大，細(xì)顆粒先填充土中孔隙導(dǎo)致剪縮，偏應(yīng)力再增大時(shí)，由于圍壓小使得相鄰顆粒容易彼此翻越而產(chǎn)生剪脹[1，9].

隨著圍壓升高(200 kPa～300 kPa)，體積應(yīng)變隨著軸向應(yīng)變的增加而增大，改良土4和改良土3的體積應(yīng)變達(dá)到峰值后減小，改良土1和改良土2的體積應(yīng)變一直隨著軸向應(yīng)變的增加而增加或趨于穩(wěn)定，說(shuō)明偏應(yīng)力增大使體積壓縮到一定程度后粗顆粒含量較多更容易導(dǎo)致相鄰顆粒彼此翻越.

圍壓增加到400 kPa時(shí)，改良土的體縮特征明顯，而且改良土4的體積收縮最大.改良土4的粗顆粒含量最多，粗顆粒以棱角分明的碎石為主，碎石在較大的偏應(yīng)力作用下容易崩角破碎，所以在較高應(yīng)力環(huán)境下粗粒土較容易產(chǎn)生較大變形而對(duì)工程結(jié)構(gòu)帶來(lái)潛在的隱患.改良土2和改良土1的體積應(yīng)變都比素土的小，說(shuō)明摻加適量的粗顆粒在較高應(yīng)力環(huán)境下有利于改善土體的變形性能.

圖7 圍壓100 KPa時(shí)ε3～ε1的關(guān)系

從圖7(a)可以明顯發(fā)現(xiàn)ε3/ε1與ε3不存在線性關(guān)系，即徑向應(yīng)變?chǔ)?與軸向應(yīng)變?chǔ)?的關(guān)系不符合鄧肯-張E-ν模型的雙曲線假定；仔細(xì)分析圖7(b)的曲線，采用折線關(guān)系[10]處理ε3～ε1不太合理，而ε3與ε1的拋物線關(guān)系非常明顯，相關(guān)性較好，因此可以采用式(2)修正鄧肯-張E-ν模型并求出切線泊松比μt用式(3)表示.

(2)

(3)

式中：D和T為試驗(yàn)參數(shù)，T等于初始泊松比μi.表3列出了圍壓分別為100 kPa和400 kPa時(shí)五種土樣所對(duì)應(yīng)的D和T的擬合值，可見(jiàn)D、T與試驗(yàn)圍壓σ3和土樣顆粒級(jí)配有關(guān)，400 kPa圍壓的μi值要比100 kPa圍壓的μi值小，說(shuō)明圍壓增大會(huì)抑制試樣的橫向變形；除素土外，400 kPa圍壓的μi值隨著粗粒含量增加而減小，100 kPa圍壓的μi值都隨粗粒含量增加而增大，粗粒含量對(duì)初始泊松比的作用受?chē)鷫捍笮∮绊?，圍壓較大時(shí)粗顆粒可以抑制橫向變形，圍壓小時(shí)粗粒含量越多反而會(huì)導(dǎo)致橫向變形愈大.

表3 試驗(yàn)參數(shù)D和T

4 結(jié) 論

本文采用大型三軸試驗(yàn)對(duì)素土及摻加不同比例碎石的改良土的強(qiáng)度和變形特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

(1)以細(xì)粒含量為主的素土經(jīng)摻加不同比例的碎石可以明顯改善土體的顆粒級(jí)配組成，不均勻系數(shù)Cu明顯提高，但摻加過(guò)多的碎石對(duì)改善顆粒級(jí)配不利.

(2)素土和改良土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為加工硬化型，沒(méi)有明顯峰值應(yīng)力；隨著粗粒含量增加，同一軸向應(yīng)變對(duì)應(yīng)的主應(yīng)力差增大；圍壓增加也會(huì)導(dǎo)致主應(yīng)力差增大；主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變表現(xiàn)為雙曲線關(guān)系，初始切線模量Ei和極限應(yīng)力(σ1-σ3)lim隨著P5含量和圍壓σ3的增加而增大；

(3)隨著P5含量的增加，土樣內(nèi)摩擦角φ線性增加，P5含量在30%～60%范圍時(shí)黏聚力c增大明顯；隨著含泥量的增加,內(nèi)摩擦角φ呈線性減小,黏聚力c在含泥量從13%～17%之間減小較明顯；

(4)圍壓較低時(shí),顆粒級(jí)配是影響體積變形性能的主要因素，粗粒含量較多的土樣表現(xiàn)出先剪縮后剪脹的特點(diǎn)，粗粒含量少的土樣表現(xiàn)為體積收縮；圍壓較高時(shí)，隨著軸向應(yīng)變?cè)龃篌w積收縮增加，且摻碎石越多產(chǎn)生的體積應(yīng)變?cè)酱?；?～ε1具有明顯的拋物線關(guān)系，通過(guò)改進(jìn)的鄧肯-張E-ν模型得到的初始泊松比μi受?chē)鷫汉皖w粒級(jí)配的雙重影響，圍壓是影響μi的主要因素；

(5)根據(jù)顆粒級(jí)配對(duì)粗粒土強(qiáng)度變形特性的影響規(guī)律，在細(xì)粒土中摻入適當(dāng)粗顆粒(碎石)可以改善顆粒級(jí)配組成和強(qiáng)度變形特性，摻加過(guò)多的粗顆粒容易產(chǎn)生過(guò)大的體積變形和不經(jīng)濟(jì)性.

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TheInfluenceofParticleGradationonStrengthandDeformationCharacteristicsofCoarse-grainedSoil

CHEN Ai-jun

(School of Architecture Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China)

Large triaxial tests of coarse grained soil mixed with different proportions of gravel have been performed, which obtains the effect law of particle gradation on strength and deformation characteristics of coarse grained soil. Mixing different proportions of gravel into the natural soil can significantly improve the particle size distribution. The stress-strain relationship of natural soil and improved soil work is hardening. With the increase in coarse content, the same axial strain corresponds to the deviator stress increases. The increase of confining pressure will increases the deviator stress. Deviatoric stress and axial strain show a hyperbolic relationship. Initial tangent modulus and ultimate stress increase as the increase of P5 content and confining pressure. The increase of P5content helps to improve the internal friction angle and cohesion. The increase of clay content decreases the angle of internal friction and cohesion. As low confining pressure, the soil samples with more coarse content show significant dilatancy; as high confining pressure, the volumetric strain increases; the relationship of radial strain with the axial strain performs parabolic. By improving Duncan-Chang E-ν model, the initial Poisson’s ratio is affected by the confining pressure and the particle size distribution.

gradation; coarse-grained soil; large-scale triaxial test; strength and deformation characteristics

TU411

A

1671-119X(2017)03-0075-07

2017-03-08

陳愛(ài)軍(1974-)，男，博士研究生，副教授，研究方向：特殊土處理.