粗粒含量對砂泥巖類填料力學性質的影響研究

徐 俊，韓文喜，吳亞東，易琳力，孫 晨

(1.成都理工大學環(huán)境與土木工程學院，四川成都610031；2.地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都610031；3.中國建筑西南勘察設計研究院，四川成都610059)

0 引 言

砂頁巖型填料為砂巖和泥巖互層構造地層，機械開挖爆破后，獲得的砂頁巖混合粗粒材料廣泛分布在成都和重慶的砂頁巖夾層結構地層中，以重慶地區(qū)為例，據《重慶地質圖(比例尺 1∶500 000)》，三疊紀、侏羅系和白堊系地層砂泥巖層間結構總厚度達2～6 km。在實際的開挖過程中，很難將兩者完全分開，因此將兩者的混合物用作主要建筑材料，并廣泛用于機場填充、水利大壩、公路和鐵路路基等項目。在實際的機場高填方項目中，填充材料的最大粒徑超過1 000 mm，最小粒徑小于0.075 mm。在大粒徑范圍內，不同粒徑的顆粒含量孔隙特性不同，特別是粒徑大于5 mm的粗顆粒含量對填料的力學性能有顯著影響，對建筑物的穩(wěn)定性和沉降變形影響巨大。

在水土堆石壩的填筑工程以及鐵路和公路的道路填筑中，關于土石混合料的強度和變形特性的文獻相對較多。凌華等[1]利用大型三軸排水剪切試驗探究了不同巖性及密度的條件下細粒含量對抗剪強度特性的影響。王光進等[2]采用FLAC軟件模擬礫石粗粒土的三軸壓縮試驗得出，在相同的粒徑級配條件下，粗粒土內摩擦角隨粗粒含量增大而明顯增大。杜俊等[3]采用室內中型直剪儀研究了粗粒含量對堆石體剪切特性的影響。王光進等[4]利用大型直剪試驗研究了粗粒含量對試樣抗剪強度參數(shù)以及顆粒破碎特性的影響。但是，目前國內外的研究學者都以機場高填方工程中的頁巖型填料為具體研究對象，有關粗顆粒含量對其力學性能影響的相關文獻很少。張文學[5]研究了戈壁地區(qū)高速公路粗粒土填料的力學特性發(fā)現(xiàn)，粗粒土含量越大，擊實后干密度越大。李振等[6]研究了粗顆粒組分含量對中細砂抗剪強度的影響發(fā)現(xiàn)，在同一級配下，增加粗顆粒含量，各組混合砂樣抗剪強度均表現(xiàn)出先降低后升高的趨勢[7-10]。本文針對不同粗粒含量的砂泥巖填料采用不同的試驗方法(常規(guī)三軸試驗、三軸壓縮試驗、離散元模擬三軸試驗等)，對粗粒含量對機場高填方砂泥巖類填料力學性質的影響進行研究。

1 試驗設計

1.1 試樣制備

根據建設單位的詳勘報告，試驗材料取自重慶江北國際機場東航站區(qū)及第三跑道建設項目料源，主要取自侏羅系沙溪廟組的風化砂質泥巖、中風化砂巖和中風化泥巖，以及分布厚度較薄的粉質粘土。測試材料取自砂巖和泥巖爆破材料。根據重慶機場3個料源場的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，砂巖質量占總質量的30%時，接近于實際的建筑填充料。因此，本文分別對現(xiàn)場取樣的砂巖和泥巖爆破材料進行篩選，按一定的比例進行混合，按砂巖與泥巖質量比為3∶7均勻混合制成試驗樣品。根據規(guī)格，樣品的自然水分含量為2.5%。

1.2 試樣級配設計及試驗方法

根據MH/T 5035T—2017《民用機場高填方工程技術規(guī)范》對填料類別的分類，設計的試驗方法及試樣數(shù)量見表1，級配見圖1。為了研究粒徑大于5 mm的粗顆粒含量P5對于土石混合料力學性質的影響，本文針對P5分別為70%、50%和30%設計了3種級配，分別進行了試驗研究。

表1 試樣數(shù)量及研究方法

圖1 顆粒級配

2 試樣強度變形特性試驗研究

2.1 常規(guī)三軸試驗、三軸壓縮試驗

試驗設計試樣為高140 mm、直徑70 mm的圓柱形試樣，并根據95%的壓實度秤取相應質量的土料，取最優(yōu)含水率，采用三瓣膜法擊實器分層裝料、壓實。樣品制備完成后，將乳膠膜置于膜接收管上，并分別在100、200 kPa和300 kPa的壓力下置于MTS三軸試驗機的壓實室中進行試驗。級配5偏應力與軸向應變的關系見圖2。從圖2可知，級配5土料并沒有明顯的偏應力峰值。因此，將軸向應變達到15%時的偏應力值作為試樣的破壞強度值。不同圍壓下試樣的破壞強度值及壓縮模量見表2。

表2 試樣破壞強度值及壓縮模量

圖2 級配5應力-應變關系

根據不同圍壓下試樣的破壞強度值，應用摩爾-庫倫準則繪制摩爾圓(見圖3)。計算級配5土料的粘聚力為10.43 kPa、內摩擦角為19.97°。

圖3 級配5應力摩爾圓

利用YS-30A型應力路徑控制大型三軸剪切試驗機進行三軸試驗。每1個級配分別在圍壓100、200 kPa和300 kPa條件下進行三軸壓縮試驗。每次試驗后進行1次篩分試驗，以便后續(xù)進行填料破碎性的研究。從試驗結果可以發(fā)現(xiàn)，級配2～4在不同圍壓下均表現(xiàn)出剪脹現(xiàn)象，應力-應變關系見圖4。從圖4可知，在每1級配條件下，試樣均表現(xiàn)出通常散粒土石混合料的三軸壓縮應力-應變曲線特征，且3組試驗在100 kPa圍壓下均有軟化現(xiàn)象，峰值強度均出現(xiàn)在軸向應變?yōu)?%左右，偏應力隨著軸向應變繼續(xù)增大開始下降，在軸向應變達到10%左右時趨于穩(wěn)定。級配4的軟化現(xiàn)象最明顯，級配2較級配3的軟化現(xiàn)象明顯，這一現(xiàn)象并沒有與試樣中粗顆粒含量P5表現(xiàn)出線性相關關系。分析認為，試樣中粗顆粒含量并不是直接影響試樣的強度軟化特性，而是與細顆粒等不同粒徑構成不同的孔隙特征影響試樣的強度軟化特性，可能與試驗過程中大顆粒的剪切破碎有關。

圖4 級配2～4應力-應變關系

在不同圍壓條件下，每1級配試樣的破壞強度以及壓縮模量見表3。根據不同圍壓下試樣的破壞強度值，應用摩爾-庫倫準則并繪制摩爾圓(見圖5)，分別計算各組試樣的抗剪強度參數(shù)，計算結果見表4。

表3 試樣破壞強度及壓縮模量

圖5 級配2～4應力摩爾圓

表4 試樣抗剪強度參數(shù)

2.2 離散元模擬三軸試驗研究

級配1是石料粒徑顆粒占多數(shù)的散粒體，顆粒之間的粘聚力可以不計。因此，采用非粘結線性接觸模型，模型本構關系見圖6。圖6中，Ks、Kn分別為彈簧的切向、法向模量；ηn為阻尼，Un為兩顆粒之間法向相對位移量。

圖6 顆粒接觸本構模型

為消除邊界效應，保持與室內三軸試樣的一致性，在離散元模擬中，建立高徑比為2∶1的圓柱形試樣。級配1的石料需考慮三軸壓縮試驗的尺寸效應，確定試樣最短邊即試樣直徑與最大粒徑比值為5。因此，確定模擬的三軸試驗尺寸直徑為1 000 mm、高為2 000 mm。

由級配1的級配曲線確定每組粒徑范圍內質量含量，即可確定相應粒徑范圍內土顆粒所占試樣總體積的體積含量。然后，以每組粒徑范圍的平均粒徑為圓球顆粒的直徑計算出顆粒數(shù)目，再在PFC軟件中隨機生成。在級配1曲線中，1～5 mm粒徑范圍內土體質量僅占5%，但計算所得顆粒數(shù)目達到300多萬顆，大大降低了計算效率。因此，在模擬時最小粒徑取5 mm。

對于級配1試樣模擬所需的細觀參數(shù)，本文通過先模擬級配2試樣并不斷調整細觀參數(shù)和試算，使模擬得到的級配2試樣的應力-應變曲線與實際室內試驗相吻合時，用所得的細觀參數(shù)來獲取。再將這組參數(shù)代入級配1試樣的離散元模擬中。

建立尺寸與室內三軸壓縮試驗試樣尺寸相一致的高600 mm、直徑300 mm的圓柱形試樣，分別在100、200 kPa和300 kPa圍壓條件下進行3次模擬試驗，導出計算結果繪制應力-應變曲線，與級配2試樣室內三軸壓縮試驗的應力-應變曲線對比(見圖7)。從圖7可知,離散元模擬三軸壓縮試驗的應力-應變曲線與室內試驗基本一致，差別在于離散元模擬的應力-應變曲線表現(xiàn)出硬化特性；室內三軸壓縮試驗得出的應力-應變曲線，特別是在100 kPa圍壓條件下表現(xiàn)出明顯的軟化特性。主要是因為在離散元模擬中，替代土顆粒的是規(guī)則的剛性圓球，實際上土顆粒是具有棱角且不規(guī)則的。在剪切過程的后期，尤其是粒徑較大的土顆?？赡茈S著繼續(xù)剪切發(fā)生破碎，破碎成較小粒徑的顆粒填充試樣中的孔隙，不像模擬時試樣的壓密僅僅是通過圓球顆粒之間相對位置發(fā)生滑移而實現(xiàn)的理想狀態(tài)。

圖7 級配2試樣室內試驗與模擬試驗結果對比

室內三軸壓縮試驗與模擬的三軸壓縮試驗應力-應變曲線在偏應力迅速上升后會表現(xiàn)出不同的特性，偏應力由快速變化到緩慢變化時即應力-應變曲線的拐點，對應的軸向應變均在5%左右，并且偏應力峰值相差并不大，初始模量也很相近，室內試驗與模擬試驗的應力-應變曲線總體上是一致的?？梢哉J為，離散元模擬時選取的細觀參數(shù)是正確的。具體的細觀參數(shù)見表5。表5中，kn為兩接觸顆粒之間的法向接觸剛度系數(shù)；ks為兩接觸顆粒之間的切向接觸剛度系數(shù)；μ為兩接觸顆粒之間摩擦系數(shù)；ρ為顆粒圓球的密度；k_wall為墻體的剛度。

表5 離散元模擬細觀參數(shù)

將得出的細觀參數(shù)代入建立的級配1試樣的模擬模型中，分別在100、200 kPa和300 kPa圍壓條件下進行3次模擬試驗，導出計算結果并繪制級配1試樣的應力-應變曲線，見圖8。通過圖8可以得出級配1試樣在不同圍壓條件下的壓縮模量以及破壞強度，見表6。根據不同圍壓下試樣的破壞強度值，應用摩爾-庫倫準則繪制摩爾圓，見圖9，計算級配1試樣的抗剪強度參數(shù)。級配1試樣的內摩擦角為58.14°，粘聚力為167.30 kPa。

圖8 級配1應力-應變關系

表6 級配1試樣破壞強度及壓縮模量

圖9 級配1應力摩爾圓

3 粗粒含量對砂泥巖類填料力學性質的影響

3.1 對應力-應變特性的影響

根據不同級配試樣試驗所繪制的應力-應變曲線得到主應力差(σ1-σ3)表示的每組試樣的強度破壞值，繪制試樣強度破壞值與級配之間的關系圖，見圖10。從圖10可知，每組級配試樣圍壓越大，強度破壞值就越大。級配1～ 5試樣的粗粒土含量逐步減小，試樣的強度破壞值也逐步降低?？梢哉J為，試樣粗粒土含量與強度破壞值呈正相關。

圖10 強度破壞值與級配的關系

級配2～4試樣的試驗方法和控制因素等均是相同的，僅是粗顆粒含量P5不同。繪制級配2～4試樣強度破壞與粗粒土含量關系曲線，見圖11。從圖11可知，3組級配試樣在任一圍壓下的強度破壞值均隨P5的增大而增大，然而試樣強度破壞值對于P5的敏感性有較大差異。P5增大到60%時，峰值強度提高速度隨著粗顆粒含量增大而加大。分析認為，P5增大到60%時，粗顆粒表現(xiàn)出一定的骨架作用，細顆粒土僅僅起到填充作用。由于粗顆粒外形的棱角狀，剪切過程中顆粒間需要交叉并經歷較大的滑移路徑，以重新排列填充顆粒間空隙，直至粗顆粒發(fā)生破碎，因此剪切強度顯著提高。

圖11 強度破壞值與粗顆粒土含量的關系

3.2 對抗剪強度特性的影響

根據試驗得到的不同級配試樣的抗剪強度參數(shù)，繪制抗剪強度參數(shù)與級配的關系曲線，見圖12。從圖12可知，級配1～5試樣的粘聚力和內摩擦角都是逐步減小的。可以認為，隨粗顆粒含量P5的增加，砂泥巖類填料的抗剪強度參數(shù)也越大，兩者呈正相關。

圖12 抗剪強度參數(shù)與級配的關系

粗顆粒含量P5對內摩擦角與粘聚力的影響是不同的。試樣內摩擦角與P5之間的關系類似于試樣強度破壞值與P5之間的關系。P5增大到60%時，內摩擦角的提高隨著粗顆粒含量增大而變化顯著。分析認為，當P5增大到60%時，粗顆粒間相互嵌入咬合并表現(xiàn)出骨架作用，在剪切過程中，顆粒間咬合力顯著增加并表現(xiàn)為內摩擦角明顯提高。

P5對粘聚力的影響則表現(xiàn)出相反的情況。在P5增大到60%時，粗顆粒表現(xiàn)出骨架作用，但細顆粒只填充大顆粒之間的孔隙，粘聚力僅僅表現(xiàn)為粗顆粒之間的接觸與摩擦，因此P5即使再增大，粘聚力也基本沒有變化。P5在60%以下時，細顆粒開始起作用，粘聚力表現(xiàn)為粗顆粒與細顆粒、細顆粒與細顆粒、粗顆粒與粗顆粒之間的接觸咬合以及顆粒之間的摩擦，因此隨著粗顆粒含量減小，粘聚力開始出現(xiàn)顯著變化?？梢哉J為，砂泥巖類填料的粘聚力由細顆粒含量控制，抗剪強度參數(shù)、內摩擦角由P5控制。

3.3 對顆粒破碎特性的影響

對級配2～4試樣進行試驗的篩分，再將Marsal[11]定義的破碎率Bg作為顆粒破碎程度的度量，得出試樣在不同圍壓下的顆粒級配及顆粒破碎率，見表7。從表7可知，試驗后小于5 mm的細顆粒含量顯著增加，級配4試樣細顆粒含量增加幅度最小，而級配2試樣增加的幅度最大。分析認為，級配4試樣細顆粒含量最小為70%，粗顆粒含量最小為30%，粗顆粒部分懸浮在細顆粒中，最不容易發(fā)生破碎。級配2試樣的顆粒破碎程度最大，在三軸壓縮試驗后期，破碎而成的小粒徑顆粒更容易填充大顆粒之間的孔隙，并引起試樣內部顆粒重新發(fā)生滑移排列，宏觀上表現(xiàn)出更為明顯的軟化現(xiàn)象。

表7 試樣顆粒級配及顆粒破碎率

根據表7中計算的不同圍壓下各級配試樣的破碎率，繪制級配與破碎率的關系曲線，見圖13。從圖13可知，試樣的破碎率也隨著粗顆粒含量的增大而增大，各級配試樣的整體破碎率隨著圍壓增大而增大。同時，由粗顆粒含量不同引起的破碎率變化幅度明顯大于由圍壓變化引起的破碎率變化幅度。在砂泥巖填料中，粗顆粒的含量相較于壓力大小導致試樣破碎的效果更為顯著。結合砂泥巖類填料顆粒破碎結果與三軸試驗中試樣的抗剪強度、峰值強度參數(shù)等結果可以看出，試樣更高破碎率對應更大的抗剪強度參數(shù)及更高的峰值強度。

圖13 試樣破碎率與級配的關系

3.4 對壓縮特性的影響

根據各級配試樣三軸壓縮試驗的應力-應變曲線求得壓縮模量Es，繪制壓縮模量Es與級配之間的關系曲線，見圖14。從圖14可知，各組級配試樣的壓縮模量都隨圍壓變大而變大，隨級配1～5試樣的粗粒土含量減小呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢?？梢哉J為，試樣粗粒土含量P5與壓縮模量呈正相關。根據分析，隨著粗粒土含量的增加，分布在樣品剪切面上的粗顆粒的數(shù)量也增加，大顆粒之間的接觸、摩擦與咬合作用增強，使得試樣產生同樣的剪切變形時所需的剪應力增大。因此，試樣表現(xiàn)出壓縮模量隨著粗粒土含量的增大而增大的現(xiàn)象。當P5低于60%時，粗顆粒與細顆粒共同作用構成試樣，即使當粗顆粒含量更少時，粗顆粒懸浮在細顆粒中，試樣的剪切面上分布的均是細顆粒，這種情況下，隨著粗顆粒含量的減少，壓縮模量下降的趨勢趨于平緩。

圖14 試樣壓縮模量與級配的關系

4 結 語

本文基于重慶機場高填方砂泥巖類填料設計了5組級配試樣，通過擊實試驗、三軸試驗、三軸壓縮試驗以及離散元模擬三軸試驗等，對粗粒含量對機場高填方砂泥巖類填料力學性質的影響進行了研究，得出以下結論：

(1)砂泥巖類填料試樣的壓縮模量、內摩擦角、強度破壞值與填料的粗粒含量呈正相關。粗粒含量P5低于60%時，試樣的力學參數(shù)數(shù)值隨粗粒含量變化不太顯著，P5增大到60%時，隨著粗顆粒含量的增加，上述參數(shù)值開始顯著增大。

(2)砂泥巖類填料試樣的粘聚力與粗粒含量呈正相關。P5增大到60%之前，試樣的粘聚力隨粗粒含量增大變化顯著。P5增大到60%之后，試樣的粘聚力基本不隨粗粒含量變化而變化。

(4)試樣粗粒含量越大，顆粒的破碎程度越大，試樣更高破碎率對應著更大的抗剪強度參數(shù)及更高的峰值強度。同時，試樣的應力-應變曲線表現(xiàn)出更強的軟化現(xiàn)象。