胡 偉，閔 弘，陳 健，盛 謙

(中國科學(xué)院a.武漢巖土力學(xué)研究所；b.巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室,武漢 430071)

碎石對土石混合體無側(cè)限力學(xué)特性影響研究

胡 偉a，b，閔 弘a，b，陳 健a，b，盛 謙a，b

(中國科學(xué)院a.武漢巖土力學(xué)研究所；b.巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室,武漢 430071)

土石混合體通常是構(gòu)成庫區(qū)邊坡、滑坡及壩基的主要巖土體材料,其物理力學(xué)性質(zhì)要較一般的土體或巖體更復(fù)雜,是目前巖土力學(xué)及地質(zhì)工程界共同面臨的難題。通過制備一定含石量的土石混合體試樣進(jìn)行無側(cè)限條件下單軸壓縮試驗,研究了碎石對土石混合體單軸壓縮強(qiáng)度及變形破壞模式的影響；結(jié)合數(shù)值模擬方法,進(jìn)一步分析碎石分布對土石混合體整體強(qiáng)度的影響機(jī)制。研究成果表明:土石混合體的單軸抗壓強(qiáng)度及變形破壞特征受含石量及碎石分布的控制,隨著含石量的增加,單軸抗壓強(qiáng)度降低,破壞模式由單裂紋開裂變?yōu)槎嗔鸭y開裂破壞,同時裂紋貫通時間有所增加。

土石混合體；碎石含量；碎石分布；破壞模式；單軸抗壓強(qiáng)度

2015,32(11):55-61

1 研究背景

第四紀(jì)堆積體在我國廣泛分布。與一般的巖土體不同,構(gòu)成這類地質(zhì)體的主要物質(zhì)為土與塊石的混合物,其中塊石的粒徑較大,從幾厘米到數(shù)米不等,有的甚至超過數(shù)10 m。油新華[1]將這種“由作為骨料的礫石或塊石與作為充填料的黏土和砂組成的地質(zhì)體”稱為“土石混合體”。Goodman[2]刻意忽略地質(zhì)學(xué)上的分類定義,將有工程重要性的塊體鑲嵌在細(xì)粒土體(或膠結(jié)的混和物基質(zhì))中所構(gòu)成的巖土介質(zhì)稱為Bimrocks。

土石混合體不但作為一種常見的地質(zhì)體存在于自然界中,而且由于其獨特的物理力學(xué)性質(zhì)常被作為一種巖土工程材料廣泛應(yīng)用于多種工程建設(shè),特別是在公路路基及土石壩工程中得到廣泛應(yīng)用。

土石混合體的強(qiáng)度主要是由細(xì)粒土和粗粒石料的強(qiáng)度以及土石之間的摩擦強(qiáng)度3部分組成,而這3種強(qiáng)度組成因素對土石混合料整體強(qiáng)度影響的大小又隨土石比、細(xì)粒土的性質(zhì)、粗粒碎石的性質(zhì)不同而不同[3]。在土石混合體變形特性及強(qiáng)度特性研究的基礎(chǔ)上,一些學(xué)者對土石混合體的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了更加細(xì)致的分類,徐文杰等[4]指出土石混合體含石量在25%～75%之間時,其整體強(qiáng)度由土石共同作用；當(dāng)含石量＜25%時,塊石的存在幾乎不會影響其宏觀變形破壞特征,此時整體強(qiáng)度基本取決于土體；當(dāng)含石量＞75%時,塊石與塊石緊密接觸構(gòu)成整個巖土體的骨架,土體部分充填于塊石構(gòu)成的骨架間隙中,此時的宏觀力學(xué)強(qiáng)度主要取決于塊石之間產(chǎn)生的咬合力及摩擦力。董云[5]在對土石混合體擊實試驗的分析基礎(chǔ)上,將含石量＜30%的土石混合體定義為多土類土石混合體；將含石量＞70%的土石混合體定義為多石類土石混合體；將含石量在30%～70%之間的土石混合體定義為適中類土石混合體。

由于大部分土石混合體結(jié)構(gòu)松散,含石量較高的原狀試樣難以獲取,目前關(guān)于含石量對土石混合體強(qiáng)度及變形特性影響的研究中,多使用重塑樣或擾動樣在有側(cè)限或有圍壓條件下開展。對于無側(cè)限條件下進(jìn)行的強(qiáng)度、變形試驗所使用的土石混合體試樣多為含石量較低或使用具有一定膠結(jié)強(qiáng)度細(xì)?；|(zhì)制成的試樣。

已有研究表明,土石混合體在有側(cè)限或有圍壓條件下的強(qiáng)度和變形特性與無側(cè)限條件下的強(qiáng)度和變形特性相差極大。具體表現(xiàn)為:在有側(cè)限條件下土石混合體的壓縮變形量會隨著含石量的增加大大降低,含石量較高的土石混合體在有圍壓條件下所進(jìn)行的壓縮試驗獲得的強(qiáng)度值也高于不含碎石試樣的強(qiáng)度；而在無側(cè)限條件或無圍壓條件下,會出現(xiàn)土石混合體的壓縮強(qiáng)度低于均質(zhì)土樣的現(xiàn)象。廖秋林等[6]使用巖石伺服壓力機(jī)對使用重型擊實儀制備的密實土石混合體試樣進(jìn)行了單軸壓縮試驗,得到的結(jié)果與有圍壓條件下相反,指出在無側(cè)限條件下塊石與土體無膠結(jié),導(dǎo)致了試樣實際承載面積減小,使其抗壓強(qiáng)度與彈模反而低于土體。H.Sonmez等[7]以石膏為基質(zhì)制備不同含石量的Bimrock試樣并進(jìn)行單軸壓縮試驗,擬合得到了含石量與壓縮強(qiáng)度之間的關(guān)系,表明單軸壓縮強(qiáng)度隨含石量的增加而減小,其式為

式中:UCSBimrock為土石混合體單軸壓縮強(qiáng)度；VBP為含石量體積分?jǐn)?shù)；UCSmatrix為土石混合體基質(zhì)單軸壓縮強(qiáng)度。

M.Afifipour等[8]在對不同尺寸高含石量的Bimrock單軸壓縮試驗研究中,同樣擬合得到了相應(yīng)的強(qiáng)度及變形模量與含石量之間的關(guān)系,表現(xiàn)為隨著含石量的增加,強(qiáng)度及變形模量均降低。

以上試驗研究揭示了土石混合體強(qiáng)度參數(shù)與含石量之間的關(guān)系,本文在參考已有研究的基礎(chǔ)上,制備體積含石量在5%～40%之間的低含石量土石混合體重塑樣,開展單軸壓縮試驗和相應(yīng)數(shù)值模擬計算,分析碎石在無側(cè)限條件下對土石混合體力學(xué)特性的影響機(jī)理。

2 單軸壓縮試驗及分析

2.1 試驗方法

土石混合體單軸壓縮試驗可在標(biāo)準(zhǔn)的土壤三軸壓縮儀上進(jìn)行。試驗所使用的試樣為重塑樣,通過圓柱鋼筒制備成高120 mm、直徑60 mm的圓柱試樣。試驗操作如下:

試驗開始時,轉(zhuǎn)動升降手輪讓底座緩慢上升,使試件與加壓板剛好接觸,此時調(diào)整位移表和測力計,使其置0；并設(shè)置好軸向應(yīng)變速率(1 min應(yīng)變?yōu)?%～3%),打開電源開關(guān)進(jìn)行試驗。由于本文試驗加載速率較快,且所使用的試驗機(jī)無法自動完成數(shù)據(jù)記錄,因此采用數(shù)碼相機(jī),對位移百分表及測力計百分表同時拍照,相機(jī)由無線快門控制,通過此方法可以在試驗完成之后再讀取照片中所記錄的數(shù)據(jù)。當(dāng)試件完全破裂或測力計百分表指針變化較小時,即可停止加載。軸向應(yīng)變及應(yīng)力分別按式(2)、式(3)計算。式中:εa為試樣的軸向應(yīng)變；h0為試件初始高度值；Δh為試件的當(dāng)前壓縮位移值；σ為軸向應(yīng)力(kPa)；k為測力環(huán)率定系數(shù)(kN/mm)；R為測力計讀數(shù)(精度0.01 mm)。

2.2 試樣制備

制備試驗所用粒徑2 mm以下細(xì)粒土的基本物理性質(zhì)如表1所示。所使用碎石粒徑5～10 mm,對其進(jìn)行形狀指標(biāo)統(tǒng)計,如圖1所示,碎石針度(軸徑比)分布呈正態(tài)分布,均值為0.697。

為了保證試樣能夠較好成型,所使用細(xì)粒土為濕土,含水量為7%,低于其塑限,試樣制備完成后放置陰涼處,靜置24 h使其具有一定的強(qiáng)度,不至于在裝樣過程中破碎。

試驗采用體積含石量作為控制指標(biāo)。首先制備含石量為0%的試樣作為參考試樣,獲得土的密度,然后用碎石等體積置換參考試樣中的細(xì)粒土,制備出不同體積含石量試樣,如表2所示。由于所使用的細(xì)粒土黏結(jié)力較弱,難以制備高含石量的試樣,所制備試樣最大體積含石量為40%。

表1 材料屬性Table 1 Properties of materials

圖1 碎石軸徑比統(tǒng)計Fig.1 Statistics of gravel's length-diameter ratio

表2 試樣基本參數(shù)Table 2 Parameters of the samples

2.3 試驗結(jié)果

壓縮試驗過程中使用相機(jī)對試樣進(jìn)行拍照,記錄相應(yīng)測力環(huán)百分表及位移百分表的讀數(shù),按式(2)和式(3)計算繪制相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。同時將試樣不同壓縮變形階段的照片與相應(yīng)數(shù)據(jù)點對應(yīng),所得到的壓縮曲線及試樣變形破壞形態(tài)照片如圖2所示。對于含石量較高的試樣,試樣表面會有部分碎石出露,圖中用藍(lán)色線條標(biāo)記試樣表面碎石與細(xì)粒土之間的接觸縫隙,稱之為原生裂紋,白色線條所標(biāo)記的是在壓縮過程中新產(chǎn)生的裂紋。

圖2 壓縮試驗曲線Fig.2 Curves of compression test

2.3.1 壓縮曲線特征

總結(jié)圖2所示8個試樣的壓縮曲線特征,可以看出土石混合體試樣的壓縮曲線與巖石單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€類似,結(jié)合不同壓縮階段試樣的變形開裂特征,將整個壓縮曲線劃分為5個階段(如圖3所示),其特征描述如下。

圖3 典型壓縮試驗曲線Fig.3 Typical curve of compression test

(1)OA階段:該階段曲線稍向上凹曲。只有小部分試樣中出現(xiàn)此階段,如圖2(f)和2(g)所示試樣,而其它試樣壓縮曲線施壓初始階段并無向上凹曲。

(2)AB階段:該階段接近于直線,此時試樣表面尚未出現(xiàn)明顯的裂縫。

(3)BC階段:該階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。出現(xiàn)峰值,但試樣表面仍未出現(xiàn)明顯裂紋,當(dāng)達(dá)到峰值后繼續(xù)施壓,應(yīng)力開始下降,試樣表面開始出現(xiàn)明顯的裂縫,但未貫通。

(4)CD階段:該階段接近于直線,此時試樣表面的裂隙開始迅速擴(kuò)展直到主要裂隙貫通。

(5)DE階段:該階段試樣主要裂縫已經(jīng)貫通。2.3.2 試樣壓縮變形破壞特征

8個試樣的壓縮曲線形態(tài)基本一致,但試樣的破壞形態(tài)卻有所不同,其試樣壓縮變形破壞形式主要表現(xiàn)為如下2種:

(1)單裂紋開裂破壞。含石量較低(≤10%)的試樣表現(xiàn)為一條主裂紋的貫通破壞,如圖2(a)至圖2(c)所示。

(2)多裂紋碎裂破壞。含石量較高的試樣,在壓縮過程中,表面的裂紋會沿著碎石周圍的原生裂紋展開,最后破壞時,呈多重裂紋碎裂破壞,沒有一個主要的貫通裂紋,如圖2(d)至圖2(h)所示。含石量越高,試樣破裂時裂縫越多且越雜亂。

2.3.3 試樣表面裂紋貫通時間

壓縮曲線CD階段為試樣表面新生裂紋出現(xiàn)到表面主要裂紋貫通的階段,該階段應(yīng)力基本上呈直線下降。對于不同含石量的試樣,壓縮曲線CD階段歷時長短不一。其中含石量0%和5%的試樣主裂紋貫通時間分別為3 s和2 s；含石量10%,15%,20%試樣完成CD階段分別歷時24,47,48 s；含石量25%, 30%,40%試樣完成CD階段分別歷時24,30,22 s。

2.3.4 試樣壓縮強(qiáng)度特征

壓縮試驗曲線中,取軸向應(yīng)力的峰值作為試樣的單軸壓縮強(qiáng)度。不同含石量試樣的單軸壓縮強(qiáng)度值總結(jié)見表3。

由圖4可以看出,隨著含石量的增加,試樣整體的單軸壓縮強(qiáng)度逐漸降低,特別是含石量達(dá)到25%之后,其強(qiáng)度值下降幅度較含石量較低時更大。

表3 單軸壓縮強(qiáng)度值Table 3 Values of uniaxial compressive strength

圖4 含石量與峰值強(qiáng)度值關(guān)系曲線Fig.4 Curve of volumetric block portion vs.peak strength

2.4 結(jié)果分析

所制備的低含石量土石混合體試樣單軸壓縮試驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線均表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型,且其應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)相似。但不同含石量試樣其變形破壞特征、試樣表面裂紋貫通時間以及試樣壓縮強(qiáng)度參數(shù)隨含石量的改變有所變化。

對于不含碎石的均質(zhì)試樣,其整體結(jié)構(gòu)完整均勻,壓縮破壞模式為單一裂紋的貫通開裂破壞。當(dāng)試樣中加入碎石,相較均質(zhì)試樣而言,碎石的存在破壞了試樣的整體結(jié)構(gòu)性。碎石與細(xì)粒土之間的接觸面膠結(jié)力較弱,且碎石與細(xì)粒土的力學(xué)性質(zhì)懸殊,在受壓狀態(tài)下兩者的響應(yīng)并不協(xié)調(diào),容易導(dǎo)致碎石與細(xì)土分離。當(dāng)含石量較低時,其影響尚不明顯,但隨著含石量的增加,碎石與細(xì)粒土之間的接觸面愈來愈多,在試樣受壓時,裂紋首先會沿著土石接觸面擴(kuò)展開,表現(xiàn)為多裂紋的碎裂破壞。

土石混合體試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與典型巖石單軸壓縮全過程類似,表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型。壓縮過程經(jīng)歷5個階段,其中OA段為初始壓密階段,試樣中具有張開性的裂紋受壓閉合,形成早期的非線性變形,應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈上凹型。對于含石量較高的試樣,土石接觸面之間裂紋縫隙更多,其壓縮曲線OA段更加明顯,文中含石量＞25%的試樣其壓縮曲線OA段明顯上凹。

應(yīng)力-應(yīng)變曲線AB段為彈性變形階段,該階段呈近似直線關(guān)系；BC段試樣內(nèi)部開始出現(xiàn)破裂,特別是土石接觸面等薄弱位置裂紋發(fā)展迅速。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值時,試樣仍能保持整體狀,內(nèi)部裂紋尚未擴(kuò)展至試樣表面。當(dāng)達(dá)到C點時,表面裂紋開始出現(xiàn),至D點時表面裂紋快速發(fā)展形成宏觀的斷裂面。對于均質(zhì)試樣及含石量較小的試樣(含石量＜5%),其表面出現(xiàn)裂紋到裂紋完全貫通歷時較短,類似完整巖石試樣壓縮發(fā)生的脆性破壞；而含石量較高的試樣(含石量＞5%),其CD段歷時明顯增加。對于含石量較高的試樣,其內(nèi)部土石接觸弱面較多,在試樣受壓的過程中,土石接觸面的破壞及碎石的翻滾摩擦不斷消耗能量,因而其峰后應(yīng)力跌落緩慢；而對于含石量較少的試樣,在壓縮過程中內(nèi)部產(chǎn)生的裂紋相對較少,集聚的能量在突然釋放從而使應(yīng)力在峰值之后迅速跌落。

在土石混合體的含石量對其宏觀力學(xué)性質(zhì)的影響研究中,不同的試樣及試驗條件得到的結(jié)論不盡相同。李興瑞[9]在有圍壓條件下進(jìn)行不同含石量土石混合體壓縮試驗中得出主應(yīng)力差隨著含石量增高得到提升的結(jié)論；徐文杰等[10]使用數(shù)值方法對含石量在30%～60%之間的土石混合體進(jìn)行單軸和雙軸壓縮試驗?zāi)M時得出隨著含石量的增加試樣彈性模量及單軸抗壓強(qiáng)度呈上升趨勢的結(jié)論。而廖秋林等[6]在土石混合體單軸抗壓強(qiáng)度試驗中得出土石混合體的單軸抗壓強(qiáng)度均明顯低于土體的結(jié)論。本文所進(jìn)行不同含石量土石混合體單軸壓縮試驗中,得出的結(jié)論是:隨著碎石含量的增加,土石混合體單軸抗壓強(qiáng)度降低。參考已有文獻(xiàn)對土石混合體含石量對其力學(xué)特性影響的相關(guān)分析,對本文所得含石量的增加使得土石混合體單軸壓縮強(qiáng)度降低的機(jī)理可做如下分析:

隨著含石量的增加,土石混合體的結(jié)構(gòu)特征發(fā)生改變,當(dāng)含石量增加到一定程度時,試樣中的碎石會出現(xiàn)局部的相互接觸,在沒有側(cè)限約束及圍壓的條件下,由于土體與碎石之間的膠結(jié)很弱,在外力作用下無膠結(jié)的碎石之間很容易發(fā)生相對滑動,從而帶動其附近的土體變形、破壞,導(dǎo)致試樣整體破壞,使得土石混合體的單軸壓縮強(qiáng)度反而低于均質(zhì)土體,含石量的增加使得土石混合體變得結(jié)構(gòu)松散,從而單軸壓縮強(qiáng)度隨著含石量的增加而降低。對于有圍壓及側(cè)限的條件下,碎石之間可以形成穩(wěn)定碎石骨架,從而大大提升土石混合體的抗壓強(qiáng)度。

3 單軸壓縮試驗數(shù)值模擬

在單軸壓縮試驗過程中,可以觀察試樣表面裂紋的發(fā)展?fàn)顟B(tài)和最終的破壞形態(tài)以及碎石表面露頭之間的關(guān)系,但是無法觀察試樣內(nèi)部裂紋貫通過程以及裂紋發(fā)展與碎石分布之間的關(guān)系。而利用數(shù)值模擬分析可以進(jìn)一步研究土石混合體單軸壓縮試驗過程中內(nèi)部破壞特征。

本文使用Rocscience公司開發(fā)的Phase2有限元軟件,建立含碎石試樣的數(shù)值分析模型,進(jìn)行土石混合體單軸壓縮試驗?zāi)M,研究碎石分布與試樣內(nèi)部裂紋擴(kuò)展之間的關(guān)系及碎石分布對土石混合體單軸壓縮強(qiáng)度的影響。

3.1 數(shù)值計算模型

首先建立含石量為0%的均質(zhì)試樣模型進(jìn)行無側(cè)限壓縮試驗的模擬,然后對不同含石量試樣進(jìn)行壓縮試驗?zāi)M,分別分析均質(zhì)試樣與含石試樣的破壞模式,計算模型如圖5所示。采用摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)來模擬試樣。與無側(cè)限壓縮試驗相同,數(shù)值模擬中,采用位移控制方式對試樣進(jìn)行軸向加載,通過定義多個分析步,不同分析步位移控制值隨分析步而增加,實現(xiàn)位移加載過程。

圖5 基本數(shù)值模型Fig.5 Numerical model

計算模型所取試樣高度為120 mm,寬度60 mm。在試樣上下分別設(shè)置2個高度為10 mm的高彈性模量的材料區(qū),來模擬試驗中加載墊片；墊片材料與試樣之間設(shè)置節(jié)理單元,模擬試樣與墊片之間的接觸。

數(shù)值計算中采用的各材料力學(xué)參數(shù)見表4。計算結(jié)果中,以墊片材料豎向方向的平均應(yīng)力為軸向應(yīng)力,結(jié)合相應(yīng)的位移值繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線,如圖6所示。

表4 數(shù)值模型參數(shù)Table 4 Parameters of numerical model

數(shù)值模擬均質(zhì)試樣的單軸壓縮試驗,得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈脆性破壞模式,其形式與單軸壓縮試驗中含石量0%試樣的壓縮曲線類似,應(yīng)力達(dá)到峰值之后迅速下跌到殘余值,但由于所采用的數(shù)值模型本構(gòu)的局限,難以完全與實際壓縮曲線完全匹配。通過數(shù)值模型在壓縮過程中塑性區(qū)的擴(kuò)展,來研究試樣的破壞模式,如圖7所示。圖7(a)對應(yīng)壓縮曲線中的峰值,圖7(b)對應(yīng)曲線中峰值的下一計數(shù)點,圖7(c)對應(yīng)曲線中最后的計數(shù)點,從所列圖中可以知,塑性區(qū)在達(dá)到應(yīng)力峰值之后迅速貫通,其塑性區(qū)呈交叉狀,符合均質(zhì)體彈塑性解析解結(jié)果,應(yīng)力曲線上表現(xiàn)為應(yīng)力值的陡跌。所建立的均質(zhì)試樣數(shù)值模型較好地模擬了單軸壓縮試驗中含石量0%試樣的壓縮破壞形式。

圖6 均質(zhì)試樣壓縮曲線Fig.6 Compression curve of homogeneous sample

圖7 均質(zhì)試樣數(shù)值模擬塑性區(qū)擴(kuò)展Fig.7 Numerical simulation of plastic zone expansion of homogeneous sample

3.2 含碎石試樣數(shù)值試驗分析

通過在均質(zhì)試樣中定義不同的材料區(qū)來模擬試樣中所包含的碎石,通過Phase2中的節(jié)理模型來模擬土與碎石的接觸面。通過設(shè)置碎石在均質(zhì)試樣模型中的不同空間分布來分析其對數(shù)值試樣整體強(qiáng)度及壓縮試驗中塑性區(qū)擴(kuò)展的影響,圖8所示建立了3個石塊在均質(zhì)試樣中的5種不同分布模型。

圖8 含碎石數(shù)值試樣Fig.8 Samples containing gravels with different spatial distribution

采用與均質(zhì)試樣相同的加載控制,對含碎石的數(shù)值模型進(jìn)行單軸壓縮試驗?zāi)M,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖9所示。

與均質(zhì)數(shù)值模型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線不同,含碎石的數(shù)值模型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為應(yīng)力達(dá)到峰值之后并未迅速跌落到殘余值,而是一個緩慢下降到殘余值的過程,由于碎石影響,數(shù)值試樣塑性區(qū)的貫通變?yōu)橐粋€漸進(jìn)的過程。以碎石在試樣中傾斜分布的試樣1的塑性區(qū)發(fā)展為例,從圖10中可以看出,由于模型中定義的碎石與均質(zhì)土體石之間的接觸模型強(qiáng)度參數(shù)值較低,首先在碎石周圍出現(xiàn)了局部的屈服,隨著應(yīng)變的增加,碎石周圍的塑性區(qū)開始擴(kuò)展至相互連通,最后擴(kuò)展到邊界達(dá)到整體貫通。

圖9 數(shù)值試樣壓縮曲線Fig.9 Compression curves of different samples

圖10 試樣1塑性區(qū)擴(kuò)展Fig.10 Extension of plastic zone for sample 1

圖11 不同碎石分布試樣最終塑性區(qū)Fig.11 Ultimately plastic zone of samples with different spatial distribution of gravels

不同碎石分布的模型,其塑性區(qū)最終的形態(tài)如圖11所示及得到的壓縮強(qiáng)度值不相同,如表5所示。碎石的加入改變了試件的單軸壓縮強(qiáng)度使其低于均質(zhì)試件。對于含石量一樣但碎石分布不同的試樣,其單軸壓縮強(qiáng)度又有不同,5個試樣中碎石傾斜分布得到強(qiáng)度最低而碎石豎直分布得到強(qiáng)度最高,對照均質(zhì)試樣壓縮過程中塑性區(qū)的分布來看,傾斜分布的碎石完全在均質(zhì)試樣塑性區(qū)的范圍內(nèi),減少了塑性區(qū)擴(kuò)展的范圍從而使其承載力過早喪失。

表5 數(shù)值試樣強(qiáng)度值Table 5 Strength values of different samples

4 結(jié) 論

(1)無側(cè)限壓縮試驗表明土石混合體表面裂紋的發(fā)展受含石量及碎石分布的影響,在達(dá)到峰值強(qiáng)度時,表面不會出現(xiàn)新的裂紋。數(shù)值模擬分析表明塑性區(qū)的發(fā)展受所含碎石分布的影響,不同的碎石分布,最終塑性區(qū)的形態(tài)不同；應(yīng)力到達(dá)峰值時,其內(nèi)部塑性區(qū)未擴(kuò)展到試樣表面。

(2)不同含石量的土石混合體的無側(cè)限壓縮強(qiáng)度及破壞模式不同,其中均質(zhì)試驗及低含石量(含石量＜15%)的試樣壓縮破壞模式表現(xiàn)為試樣表面只有1條主要裂紋的貫通破壞。隨著含石量的增加,試樣壓縮破壞模式由1條主要裂紋的貫通破壞變?yōu)樗槭浇脑剂鸭y的擴(kuò)展,然后顆粒之間的原始裂紋逐漸貫通。

(3)不同含石量的土石混合體無側(cè)限壓縮曲線其應(yīng)力下降的直線段(CD)歷時不同。含石量較小時,裂紋迅速貫通；含石量增加時,原始裂紋之間的漸進(jìn)貫通過程時試樣破壞類似延性破壞；當(dāng)含石量較高時,土石原始裂紋之間的貫通距離減小,裂紋貫通的時間開始減小,但其貫通歷時仍較長。

(4)土石混合體的力學(xué)特性具有明顯的結(jié)構(gòu)效應(yīng)。由于碎石與土之間的膠結(jié)力較弱,碎石的存在破壞了試樣的整體性,無側(cè)限條件下土石混合體壓縮強(qiáng)度較均質(zhì)土樣低。

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(編輯:姜小蘭)

Study on the Effect of Gravel on Unconfined Mechanical Properties of Soil-rock Mixture

HU Wei1,2,MIN Hong1,2,CHEN Jian1,2,SHENG Qian1,2
(1.Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430071,China；2.State Key Laboratory of Geo-mechanics and Geo-technical Engineering, Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430071,China)

Soil-rock mixture is usually the main material for reservoir slope,landslide and dam foundation.The physical and mechanical properties of soil-rock mixture are more complicated than common soil mass or rock mass, which is a difficult problem for researchers in the fields of rock mechanics,soil mechanics and geological engineering.In order to study the effect of gravel on uniaxial compressive strength and the mode of deformation failure of soil-rock mixture,we carried out unconfined uniaxial compression test by making mixture with certain rock block proportion.Combined with numerical method,the effect of spatial distribution of gravel on mixture's overall strength was analyzed.The results show that,rock block proportion and spatial distribution of gravel have significant impact on uniaxial compressive strength and characteristics of deformation failure in soil-rock mixture.Uniaxial compressive strength declines with the increase of rock block proportion,at the same time,failure mode changes from single-crack failure to multi-crack failure,and time of propagation and coalescence of cracks increases.

soil-rock mixture；gravel content；gravel distribution；failure mode；uniaxial compressive strength

TU443

A

1001-5485(2015)11-0055-07

10.11988/ckyyb.20140465

2014-06-06；

2014-10-30

胡 偉(1987-),男,湖北應(yīng)城人,博士研究生,主要從事巖土工程試驗測試及理論研究,(電話)15807187905(電子信箱) 827034782@qq.com。