考慮壓實(shí)度差異的軟巖路堤填料強(qiáng)度與 變形特性試驗(yàn)研究

丁高俊，吳廣懷，明 偉，江洎洧

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，武漢 430010； 2.重慶市水利港航建設(shè)集團(tuán)有限公司，重慶 401120； 3.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

1 研究背景

路堤填筑所需填料往往就近取材，一方面滿足工程經(jīng)濟(jì)的要求；另一方面從環(huán)境保護(hù)的角度，可有效消納工程棄渣便于整體工程的土方平衡。對于周邊主要分布有軟巖地層的工程，在采用其作為路基填料時(shí)，一般會對軟巖填料物理力學(xué)特性進(jìn)行專門科學(xué)試驗(yàn)研究，制定相應(yīng)施工方案使其滿足路堤工程的設(shè)計(jì)要求[1]。

圍繞軟巖路堤填料工程特性及路堤變形等問題，諸多學(xué)者開展了較多研究工作。曹周陽等[2]對軟巖填料進(jìn)行大三軸試驗(yàn)研究認(rèn)為，碾壓破碎率高會影響其強(qiáng)度，但總體呈應(yīng)變硬化特性，嚴(yán)格按施工組織設(shè)計(jì)流程，可用作路堤填料；徐望國等[3]通過大型三軸試驗(yàn)系統(tǒng)研究后認(rèn)為，軟巖填料加筋后黏聚力可得到有效提高，但應(yīng)變硬化特性還是較為明顯的；蔣建清等[4]則從路堤內(nèi)部土壓力及潛在破壞面分布的角度，研究軟巖路堤的變形力學(xué)行為；毛雪松等[5]則從改性手段開展了軟巖填料的路用性和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究；杜秦文等[6]通過兩種壓實(shí)度下的三軸試驗(yàn)提出軟巖料承受圍壓和豎向偏應(yīng)力對填料后期濕化變形有關(guān)鍵影響，這也直接反映出壓實(shí)度-軟巖料變形的密切關(guān)系；曾鈴等[7-8]從軟巖路堤水理特性角度研究了軟巖填料細(xì)觀演化及路堤穩(wěn)定性。

從工程應(yīng)用角度，張靜波等[9]通過對高速公路路堤結(jié)構(gòu)的分析，并著重考慮干濕對軟巖調(diào)料的影響，對軟巖路堤填料做了分級研究；王明皎[10]和羅強(qiáng)等[11]分別結(jié)合泥巖棄渣和全風(fēng)化軟巖填料室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場分層鋪筑試驗(yàn)，提出了適用于軟巖路堤填筑的施工方法、檢測標(biāo)準(zhǔn)以及評價(jià)方法；張莎莎等[12]著重從施工工藝方面提出動(dòng)力觸探快速檢測路基方法；鞠興華[13]則從微觀結(jié)構(gòu)、變形強(qiáng)度特性方面，結(jié)合規(guī)范方法和現(xiàn)場檢測，系統(tǒng)分析了軟巖路堤的沉降變形規(guī)律；Rincon等[14]認(rèn)為微震H/V譜比和圖像熵分析可用于輔助檢測軟巖填筑質(zhì)量。

綜上，目前對于軟巖路堤填筑料的研究，更多關(guān)注于填料自身或在遭受外界環(huán)境變化后的變形力學(xué)特性規(guī)律，在施工與檢測技術(shù)方面也較多關(guān)注于與規(guī)范的對接，較少關(guān)注施工平面不同部位因填料壓實(shí)度差異因素引起的軟巖填料變形及力學(xué)特性差異，而這對于精細(xì)化分析路堤橫斷面的變形具有重要意義。

2 工程概況

某公路擬采用加筋土路堤的形式通過低洼區(qū)段，路堤最大填筑高度約35 m，距離本工程不遠(yuǎn)恰有一大型基坑工程施工，其開挖石渣料方量基本能夠滿足下路堤填方量需要，因此從工程經(jīng)濟(jì)和環(huán)境保護(hù)的角度考慮，選擇將該石渣料作為公路下路堤的填筑料進(jìn)行綜合利用。

開挖石渣料母巖巖性為侏羅紀(jì)沙溪廟組紫紅色泥巖，質(zhì)地均一性好，巖性較軟。考慮到下路堤在垂直方向上按50 cm間隔鋪設(shè)土工格柵，以及該軟巖料遇水易崩解的問題，在松鋪分層碾壓之前，首先對填料進(jìn)行二次破碎(圖1)，使其最大塊度基本保持在10 cm以內(nèi)，在灑水促使填料產(chǎn)生一定的預(yù)崩解后，對路堤進(jìn)行碾壓。

圖1 石渣原料及二次破碎待碾的填料Fig.1 Spoil material and secondary crushing filler for rolling

現(xiàn)場采用灌水法對路基填料不同部位的密度進(jìn)行了檢測(表1)，并結(jié)合重型擊實(shí)試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，靠路堤兩側(cè)臨空面約3 m試驗(yàn)點(diǎn)現(xiàn)場干密度為1.95～1.96 g/cm3，對應(yīng)壓實(shí)度>0.93；靠路堤中線部位試驗(yàn)點(diǎn)現(xiàn)場干密度則在1.99～2.01 g/cm3之間，對應(yīng)壓實(shí)度超過0.95?？傮w來看，下路堤碾壓質(zhì)量滿足規(guī)范[15]中壓實(shí)度0.93要求，但干密度明顯呈中部高、兩側(cè)低，且壓實(shí)度相差0.02。

表1 軟巖填料現(xiàn)場檢測試驗(yàn)成果Table 1 Results of field inspection test on soft-rock filler

該現(xiàn)象簡要分析：軟巖路堤分層碾壓過程中，由于填料自身強(qiáng)度較低，難以如硬巖填料形成較為穩(wěn)固的咬合整體，在遠(yuǎn)離路基中心線的兩側(cè)臨空面附近，填料缺乏必要約束，導(dǎo)致其壓實(shí)度低于中線附近。

為研究碾壓后兩側(cè)和中間部位填料工程特性的差異，直接取現(xiàn)場密度檢測挖出的碾壓后填料(圖2)，運(yùn)回室內(nèi)開展大型三軸試驗(yàn)。

圖2 采集的用于室內(nèi)試驗(yàn)的軟巖填料Fig.2 Soft-rock filler collected for indoor test

通過篩分得到圖3所示顆粒級配曲線，顆粒最大粒徑<10 cm。大型三軸試驗(yàn)的試樣尺寸為Ф300 mm×H600 mm，最大顆粒粒徑不超過6 cm。依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)，采用等量替代法進(jìn)行縮尺，即用60～5 mm粒組等量替代>60 mm粒組，保持<5 mm顆粒含量不變，縮尺后的制樣級配曲線一并繪制于圖3中。

圖3 現(xiàn)場及縮尺顆粒級配曲線Fig.3 In-situ and scaled gradation curves

3 軟巖料大型三軸試驗(yàn)

采用長江科學(xué)院YLSZ30-3型粗粒土三軸壓縮儀開展試驗(yàn)，試樣為Ф300 mm×H600 mm的圓柱體，最大圍壓3.0 MPa，最大軸向應(yīng)力21 MPa，最大行程300 mm，設(shè)備情況如圖4所示。

圖4 高壓粗粒土三軸壓縮試驗(yàn)儀Fig.4 High pressure triaxial apparatus for coarse grained soil

參照現(xiàn)場檢測成果，選取0.93和0.95兩種壓實(shí)度制樣開展試驗(yàn)，對應(yīng)的制樣控制干密度分別為1.944、1.985 g/cm3。大三軸試樣高度為60 cm，為提高試樣的均一性，將備樣料按照級配分為三份，用于3層擊實(shí)，下部兩層適當(dāng)欠壓1～2 mm，并將表面拋毛，繼續(xù)上部試樣的擊實(shí)，有助于提高試樣的整體性，避免試樣特性在分層處出現(xiàn)不連續(xù)。

路堤最大填筑高度約35 m，軟巖料位于下路堤，上部為密度相對較大的碾壓砂巖碎石上路堤和路面結(jié)構(gòu)，考慮自重和分層超載碾壓，試驗(yàn)選取的四級圍壓分別為0.2,0.4,0.6,0.8 MPa。

下路堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮了排水問題，設(shè)置了盲溝和埋管，同時(shí)垂向每間隔50 cm鋪設(shè)有一層土工格柵，總體具有較好的排水性，因此試驗(yàn)按照飽和固結(jié)排水(CD)條件進(jìn)行控制。對制備完畢試樣采用砂性加速排水技術(shù)，自試樣底部向上均勻打設(shè)9個(gè)直徑1 cm的貫穿砂孔(面積置換率1%)，并且在后續(xù)軸向壓縮過程中將加載速率控制在0.3 mm/min，可提升試樣飽和固結(jié)效率和排水效果。試驗(yàn)以15%軸向應(yīng)變?yōu)榻K止條件，軸向壓縮行程90 mm，單個(gè)試樣剪切時(shí)間為5 h。

4 強(qiáng)度特性分析

由固結(jié)排水(CD)三軸壓縮試驗(yàn)，得到0.93和0.95兩種壓實(shí)度條件下軟巖填料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示，圖6繪制了對應(yīng)的莫爾應(yīng)力圓及強(qiáng)度包線，三軸試驗(yàn)后軟巖料狀態(tài)如圖7所示，表2對試樣基本情況和強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。

圖5 2種壓實(shí)度下試樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.5 Relations of stress versus strain under two compaction degrees

圖6 莫爾圓及非線性強(qiáng)度擬合曲線Fig.6 Mohr’s circles and non-linear strength fitting curves

圖7 三軸試驗(yàn)后軟巖料狀態(tài)Fig.7 Status of soft-rock filler after triaxial test

表2 軟巖填料抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Table 2 Shear strength parameters of soft-rock filler

從強(qiáng)度和應(yīng)力特性角度做如下簡要分析：

(1)0.93和0.95兩個(gè)壓實(shí)度下試樣的內(nèi)摩擦角分別為24.6°和27.8°，從表觀上看，靠中線附近填料較兩側(cè)高13%，結(jié)合應(yīng)力曲線分析不難看出，2種壓實(shí)度下試樣在15%應(yīng)變均未達(dá)到峰值偏應(yīng)力，按標(biāo)準(zhǔn)[16]皆選取15%應(yīng)變對應(yīng)的偏應(yīng)力繪制莫爾應(yīng)力圓并得到相應(yīng)強(qiáng)度指標(biāo)。

(2)該軟巖泥質(zhì)含量高，遇水軟化劇烈，顆粒機(jī)械咬合效應(yīng)很弱，因此黏聚力主要反映了顆粒間的黏連關(guān)系，從結(jié)果看兩個(gè)壓實(shí)度下試樣的黏聚力非常接近，均在50 kPa左右，表明在充分飽和并經(jīng)歷大變形后，顆粒間的黏連關(guān)系發(fā)揮程度是基本相同的，圖7所示為不同壓實(shí)度試驗(yàn)后的試樣，表現(xiàn)出較好的黏性。

(3)軟巖料在15%大應(yīng)變過程中皆呈應(yīng)變硬化特性，且從其強(qiáng)度參數(shù)來看設(shè)計(jì)路堤的抗滑穩(wěn)定性滿足要求，可認(rèn)為在松鋪分層平面壓實(shí)度存在差異時(shí)，變形應(yīng)視為該軟巖路堤的主要工程問題。

5 變形特性分析

圖8為2個(gè)壓實(shí)度條件下填料軸應(yīng)變-體積應(yīng)變ε1-εv關(guān)系曲線，可以看出：

圖8 2種壓實(shí)度下ε1-εv關(guān)系曲線Fig.8 Relations of ε1 versus εv under two compaction degrees

(1)2個(gè)壓實(shí)度條件下，試樣體積應(yīng)變均呈現(xiàn)大變形壓縮特性。

(2)壓實(shí)度為0.93時(shí)，軟巖填料的體積應(yīng)變εv與圍壓σ3基本無關(guān)，4條ε1-εv關(guān)系曲線重合度高度一致，其表明試樣大變形過程呈整體性壓密，泥巖顆粒自身強(qiáng)度較低加之飽和固結(jié)后進(jìn)一步軟化，且結(jié)構(gòu)不及壓實(shí)度為0.95時(shí)的致密，對應(yīng)球應(yīng)力下顆粒骨架達(dá)不到壓曲轉(zhuǎn)動(dòng)即自身破碎，當(dāng)軸應(yīng)變達(dá)6%對應(yīng)體縮均>3%，15%軸應(yīng)變對應(yīng)體縮在3.5%左右。

(3)壓實(shí)度為0.95時(shí)，軟巖填料體縮趨勢與圍壓σ3呈正相關(guān)，對比相對壓實(shí)度為0.93時(shí)的情形，壓實(shí)度為0.95時(shí)的結(jié)構(gòu)致密性更好，大變形球應(yīng)力下整體壓密特性減弱，但同樣由于顆粒自身強(qiáng)度的軟弱而使得顆粒破碎先于顆粒骨架力鏈壓曲，破碎引起的體縮相較轉(zhuǎn)動(dòng)引起的體脹占主導(dǎo)地位，大變形過程體脹趨勢始終未得呈現(xiàn)。

以上對2個(gè)壓實(shí)度軟巖料體變特性的分析從機(jī)理上可支撐現(xiàn)場對石渣料采取二次破碎+灑水預(yù)加濕碾壓方案的合理性，從施工工藝上盡可能做到對軟巖料變形的透支。但從體變特性來看，壓實(shí)度差異造成的變形規(guī)律不同，需從變形參數(shù)上得到反饋。

基于以上判斷，繪制兩個(gè)壓實(shí)度條件下球應(yīng)力p-體積應(yīng)變εv關(guān)系曲線如圖9所示，作如下分析：

(1)軸向15%大應(yīng)變?nèi)^程，p-εv很好地服從線性關(guān)系，Duncan等[17]曾假設(shè)體積模量B與偏應(yīng)力(σ1-σ3)無關(guān)，而僅隨固結(jié)壓力σ3而變，并提出了E-B模型，但也補(bǔ)充提到：對大多常規(guī)土顆粒材料，這種線性擬合并不能很好滿足大應(yīng)變?nèi)^程。而從本研究軟巖填料兩個(gè)壓實(shí)度的試驗(yàn)結(jié)果來看，p-εv全過程曲線卻能很好滿足線性關(guān)系，即鄧肯E-B模型適用于描述軟巖填料變形力學(xué)關(guān)系。

(2)在圖9的基礎(chǔ)上，提取并繪制兩個(gè)壓實(shí)度條件下不同圍壓時(shí)體積模量B與圍壓σ3的關(guān)系，如圖10所示，發(fā)現(xiàn)對同一種壓實(shí)度的軟巖料體積模量B與σ3仍能服從線性關(guān)系。該發(fā)現(xiàn)對于簡化工程計(jì)算具有顯著意義，即該材料在做工程變形計(jì)算時(shí)，可認(rèn)為是一種線性壓硬性材料，構(gòu)建線性函數(shù)關(guān)系即可對其變形做出較為準(zhǔn)確的估算。

圖9 2種壓實(shí)度下球應(yīng)力p-εv關(guān)系曲線Fig.9 Relations of p versus εv under two compaction degrees

圖10 2種壓實(shí)度下體積模量B-σ3關(guān)系曲線Fig.10 Relations of B versus σ3 under two compaction degrees

(3)若考慮巖土力學(xué)試驗(yàn)中試樣個(gè)體之間的誤差因素，兩條擬合直線的斜率初步可視為平行關(guān)系，其意義應(yīng)當(dāng)與試樣本身的特性(例如相同巖性、相同級配下)存在密切關(guān)系，這種共性有助于工程上對人工顆粒材料變形參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)性描述。

據(jù)以上試驗(yàn)成果和對變形擬合關(guān)系的分析，獲取了兩個(gè)壓實(shí)度下軟巖填料的鄧肯-張E-B模型參數(shù)(見表3)，可大致直觀看出兩個(gè)壓實(shí)度下試樣的變形參數(shù)差異是不可忽略的，這有助于客觀真實(shí)地計(jì)算分析路堤各個(gè)時(shí)期的變形規(guī)律。

表3 軟巖料鄧肯-張E-B模型參數(shù)Table 3 Parameters of soft-rock filler in Duncan-Chang E-B model

6 結(jié) 論

本文以軟巖路基填筑中較易忽略的一個(gè)問題為切入點(diǎn)，即滿足設(shè)計(jì)壓實(shí)度，但碾壓施工平面上不同部位壓實(shí)度存在差異這個(gè)問題，從軟巖料強(qiáng)度和變形特性的角度開展試驗(yàn)研究，初步得到以下結(jié)論：

(1)由于不同部位填料所受邊界約束條件存在差異，加之顆粒自身強(qiáng)度較低導(dǎo)致的鎖固效應(yīng)較差，靠路堤中線和兩側(cè)臨空面填料壓實(shí)度分別約為0.95和0.93，滿足設(shè)計(jì)要求，但客觀上存在差異。

(2)分別以0.93和0.95的壓實(shí)度制樣開展大型三軸固結(jié)排水試驗(yàn)，壓實(shí)度0.95條件下摩擦角φ較壓實(shí)度0.93約高13%，黏聚力基本相同，約為50 kPa，且兩者大應(yīng)變過程皆呈應(yīng)變硬化特性。

(3)壓實(shí)度0.93下體變與圍壓基本無關(guān)，從機(jī)理上試樣呈整體壓密；壓實(shí)度0.95下體縮趨勢與圍壓σ3呈正相關(guān)，但總體未呈現(xiàn)體脹。主要機(jī)理為顆粒自身強(qiáng)度軟弱而使顆粒破碎先于顆粒骨架力鏈壓曲，且相對松散的壓實(shí)度0.93的試樣在球應(yīng)力作用下其大變形壓密更為顯著。

(4)2種壓實(shí)度下p-εv曲線及B-σ3曲線均很好滿足線性擬合關(guān)系，采用鄧肯-張E-B模型可較好描述其變形力學(xué)特性，同時(shí)初步判斷認(rèn)為當(dāng)試樣本身特性具有共性時(shí)(例如相同巖性、相同級配下)，在一定的壓實(shí)度范圍內(nèi)B-σ3曲線斜率具有一致性，該結(jié)論有助于通過構(gòu)建線性函數(shù)關(guān)系對軟巖填料的變形做出較準(zhǔn)確的估算。

總體來看，目前相關(guān)規(guī)范對壓實(shí)度關(guān)注度較高，而對平面碾壓壓實(shí)度的差異關(guān)注不足，這種差異對路基未來變形發(fā)展和演化的潛在影響是存在的。

本文僅基于現(xiàn)場檢測對0.93和0.95兩種壓實(shí)度做了初步試驗(yàn)研究，后續(xù)擬從理論研究的角度適當(dāng)開展擴(kuò)充試驗(yàn)，探討軟巖填料應(yīng)力變形規(guī)律。