壓實(shí)度對(duì)筑堤用土石混合料力學(xué)特性影響研究

廖穎娟

土石混合體是一種以土體和塊石為主的第四紀(jì)松散堆積體，是介于土體與破碎巖體之間的特殊地質(zhì)體。含石率較低的土石混合體不僅有較高的強(qiáng)度，而且滲透性也滿足設(shè)計(jì)要求，因此低含石率土石混合體在堤壩中應(yīng)用非常廣泛。由于施工質(zhì)量差異，現(xiàn)場(chǎng)土石混合體壓實(shí)度存在較大差異，需對(duì)不同壓實(shí)度的土石混合體力學(xué)性能開(kāi)展專項(xiàng)研究。

一、研究現(xiàn)狀

土石混合體結(jié)構(gòu)特征極為復(fù)雜，其物理力學(xué)特性與塊石含量、顆粒形狀、空間分布及排列方式等有關(guān)。徐文杰等通過(guò)對(duì)天然含水條件與浸水條件的土石混合體進(jìn)行大型原位水平推剪試驗(yàn)，研究了不同狀態(tài)下土石混合體的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，并通過(guò)三維數(shù)值分析對(duì)土石混合體的破壞機(jī)理進(jìn)行了探討。舒志樂(lè)等基于100余組粒度分析試驗(yàn)，引入多重分形理論研究了土石混合體抗剪強(qiáng)度、分維值與含石率三者之間的關(guān)系，結(jié)果表明土石混合體通常具有二重分維值，而級(jí)配最優(yōu)的土石混合體只具有一重分維值，抗剪強(qiáng)度、分維值與含石率三者呈拋物線性關(guān)系。金磊等提出了一種可隨機(jī)生成不規(guī)則塊石三維離散元建模技術(shù)，基于該技術(shù)對(duì)不同含石量土石混合體進(jìn)行了三維離散元模擬，結(jié)果表明含石率增大，塊石周邊微裂紋所占比例增大，剪切帶分布趨于無(wú)規(guī)律，土石混合體強(qiáng)度增大。廖秋林等對(duì)土石混合體重塑樣的制備方法與流程進(jìn)行了研究，初步制定了制備土石混合體重塑樣的基本流程，并對(duì)土石混合體無(wú)側(cè)限應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)^(guò)程線進(jìn)行了研究，認(rèn)為塊石所形成的骨架結(jié)構(gòu)對(duì)土石混合體的力學(xué)特性具有重要影響。劉新榮等研究了土石混合體填筑路堤非線性沉降特性，基于此建立了考慮材料非線性的蠕變模型，并通過(guò)建立的蠕變模型擬合試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行參數(shù)反演，效果良好。徐文杰等以梨園電站壩前土石混合體邊坡為研究對(duì)象分析了不同水位條件下及庫(kù)水位驟降時(shí)考慮流—固耦合的邊坡穩(wěn)定性。綜上所述，大量專家學(xué)者對(duì)土石混合體物理力學(xué)特性及細(xì)觀機(jī)理開(kāi)展了大量研究，然而對(duì)壓實(shí)度對(duì)土石混合體力學(xué)特性影響研究尚不夠充分。本文通過(guò)對(duì)壓實(shí)度為 0.84、0.87、0.90、0.93 和 0.96 的土石混合體進(jìn)行三軸壓縮和滲透試驗(yàn)，分析壓實(shí)度對(duì)土石混合體抗剪強(qiáng)度、變形模量與滲透性的影響。

二、試驗(yàn)土料與試驗(yàn)程序

試驗(yàn)土料取自于某河堤料場(chǎng)，含石率為19.8%，土料最大粒徑為20mm，通過(guò)室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)確定土石混合體最大干密度為1.95g/cm3，最優(yōu)含水率為12.6%，計(jì)算壓實(shí)度為0.84、0.87、0.90、0.93和 0.96 的土石混合體干密度為 1.64、1.70、1.76、1.81 和 1.87。

三軸壓縮試驗(yàn)在應(yīng)變控制式三軸壓縮儀上開(kāi)展，試樣采用擊實(shí)法制備，試樣尺寸直徑×高=101mm×200mm，試驗(yàn)圍壓為 100kPa、200kPa、300kPa 和 400kPa，試樣采用真空抽氣飽和與水頭飽和聯(lián)合的方式進(jìn)行飽和，當(dāng)試樣上排水均勻流出清水時(shí)認(rèn)為試樣飽和完成，試樣飽和后進(jìn)行固結(jié)，固結(jié)完成標(biāo)準(zhǔn)為上、下排水管讀數(shù)基本保持穩(wěn)定，試樣飽和后進(jìn)行剪切，試樣剪切速率為1mm/min，試樣應(yīng)變值達(dá)到15%時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。

滲透試驗(yàn)在常水頭滲透試驗(yàn)儀上開(kāi)展，試樣采用擊實(shí)法制備，試樣尺寸直徑×高=100mm×50mm，試樣裝填前先用黏土在儀器周邊均勻涂抹一遍，防止水從土石混合體與儀器之間滲出。試樣裝填完成后，用蒸餾水將試樣淹沒(méi)浸泡5天后開(kāi)展?jié)B透試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)記5次，取其平均值為試驗(yàn)結(jié)果。

三、試驗(yàn)結(jié)果與分析

1.抗剪強(qiáng)度

根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程SL237-1999，取土石混合體應(yīng)變值12%為其抗剪強(qiáng)度值，土石混合體抗剪強(qiáng)度與壓實(shí)度關(guān)系曲線如圖1所示，可以看出隨壓實(shí)度增大土石混合體抗剪強(qiáng)度逐漸增大，這是由于壓實(shí)度越大，土石混合體結(jié)構(gòu)越緊密，孔隙越小，土顆粒間相對(duì)滑動(dòng)越不容易；土石混合體抗剪強(qiáng)度與壓實(shí)度呈明顯對(duì)數(shù)關(guān)系，可以擬合為：

圖1 土石混合體抗剪強(qiáng)度與壓實(shí)度關(guān)系曲線圖

圖2 土石混合體變形模量與壓實(shí)度關(guān)系曲線圖

圖3 土石混合體滲透系數(shù)與壓實(shí)度關(guān)系曲線圖

式中：qf為土石混合體抗剪強(qiáng)度；A、B為試驗(yàn)參數(shù)，此次試驗(yàn)A=3112kPa、B=880kPa，m為土石混合體壓實(shí)度，擬合曲線相關(guān)系數(shù)大于0.96，擬合效果良好。

2.變形模量

由圖2可知，隨壓實(shí)度增大，土石混合體變形模量逐漸增大，這是由于土石混合體越密實(shí)，土體抵抗變形能力越強(qiáng)，在外荷作用下土石混合體越不容易發(fā)生變形；此外土石混合體越密實(shí)，土體與塊石間接觸越緊密，剪切過(guò)程中，土體與塊石間微裂紋越不容易形成。土石混合體變形模量與壓實(shí)度亦呈明顯對(duì)數(shù)關(guān)系，可以擬合為：

式中：E為土石混合體變形模量；C、D為試驗(yàn)參數(shù)，此次試驗(yàn)C=213.2MPa、D=55.9MPa，m為土石混合體壓實(shí)度，擬合曲線相關(guān)系數(shù)大于0.96，擬合效果良好。

3.滲透系數(shù)

由圖3可知隨土石混合體壓實(shí)度增大，土石混合體滲透系數(shù)逐漸降低，這是由于土體越密實(shí)，土顆粒間空隙越小，土體滲流通道越小，滲流路徑越長(zhǎng)，此外土顆粒間距越小，土體分子間作用力越強(qiáng)，土體滲流阻力越明顯。

土石混合體滲透系數(shù)與壓實(shí)度呈冪函數(shù)關(guān)系，可以擬合為：

式中：k為土石混合體滲透系數(shù)；P、Q為試驗(yàn)參數(shù)，此次試驗(yàn)P=3E-6、Q=-30.6MPa，m為土石混合體壓實(shí)度，擬合曲線相關(guān)系數(shù)為0.95。

四、結(jié)論

通過(guò)對(duì)壓實(shí)度為 0.84、0.87、0.90、0.93和0.96的筑堤用土石混合體進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)與滲透試驗(yàn)，研究了土石混合體抗剪強(qiáng)度、變形模量、滲透性與壓實(shí)度的關(guān)系。結(jié)果表明，隨壓實(shí)度增大，土石混合體抗剪強(qiáng)度與變形模量增大，而滲透系數(shù)逐漸減小。土石混合體抗剪強(qiáng)度、變形模量與壓實(shí)度關(guān)系式可通過(guò)對(duì)數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，滲透系數(shù)與壓實(shí)度關(guān)系式可通過(guò)冪函數(shù)進(jìn)行擬合，擬合相關(guān)系數(shù)均大于等于0.95，擬合效果良好，可供土石混合體筑堤設(shè)計(jì)與驗(yàn)收參考■