馬捷， 韓文喜,2，李寶成，梁春曉

(1. 成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川成都610059； 2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，四川成都610059)

1 顆粒級(jí)配設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)的粗顆粒土取自貴州龍洞堡機(jī)場棲霞、茅口組灰?guī)r。這種灰?guī)r的平均天然單軸抗壓強(qiáng)度41.23 MPa，平均飽和單軸抗壓強(qiáng)度40.00 MPa。由于本次試驗(yàn)的土料為爆破所得，風(fēng)化程度與磨圓度低，最大粒徑為60.00 mm。

通過對(duì)龍洞堡機(jī)場、承德機(jī)場、攀枝花機(jī)場、三明機(jī)場、九寨機(jī)場、稻城亞丁機(jī)場、康定機(jī)場的填料綜合分析，結(jié)合GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》確定粗粒混合土上下限。本文級(jí)配設(shè)計(jì)以落在粗粒混合土上限以外的級(jí)配曲線為參考。由于著重研究P5含量變化對(duì)灰?guī)r類填料的力學(xué)特性影響，所以保證每組試樣P5含量不同。因而通過經(jīng)篩分后按不同P5值將土樣用干法配制成9種不同級(jí)配，具體各組級(jí)配見表1。

表1 顆粒級(jí)配 單位：%

按下式計(jì)算每組試樣的不均勻系數(shù)Cu與曲率系數(shù)Cc：

(1)

(2)

式中d60——限制粒徑，土的粒徑分布曲線上的某粒徑，小于該粒徑的土粒質(zhì)量為總土粒質(zhì)量的60%；d30——中值粒徑，土的粒徑分布曲線上的某粒徑，小于該粒徑的土粒質(zhì)量為總土粒質(zhì)量的30%；d10——有效粒徑，土的粒徑分布曲線上的某粒徑，小于該粒徑的土粒質(zhì)量為總土粒質(zhì)量的10%。

將計(jì)算結(jié)果總結(jié)至表2。

表2 dmax≤60 mm的級(jí)配特征

2 擊實(shí)試驗(yàn)

從制備好的一份試樣中稱取1/3土量，分3層倒入擊實(shí)筒內(nèi)并將土面整平，分層擊實(shí)，擊實(shí)高度763 mm，每層擊實(shí)次數(shù)為84次。每層擊實(shí)時(shí)，保證擊實(shí)錘在距填料面同一高度處自由鉛直下落。三層擊實(shí)完成后稱試樣總質(zhì)量，之后含水率測定試樣含水率[8-10]。按式(1)計(jì)算擊實(shí)后各試樣的含水率：

(1)

按式(1)計(jì)算擊實(shí)后各試樣的干密度：

(2)

式中ω——含水率，%；m——濕土質(zhì)量，g；md——干土質(zhì)量，g；ρd——干密度，g/cm3；ρ——濕密度，g/cm3。

合成樟腦丸中的對(duì)二氯苯對(duì)眼睛和上呼吸道有刺激性，對(duì)中樞神經(jīng)有抑制作用，會(huì)損害肝和腎。人在接觸高濃度對(duì)二氯苯時(shí)，可出現(xiàn)虛弱、眩暈、嘔吐等癥狀。世界衛(wèi)生組織和國際癌癥研究機(jī)構(gòu)已確認(rèn)，對(duì)二氯苯對(duì)動(dòng)物致癌，對(duì)人類可疑致癌。

對(duì)所有組別的試樣都在5種不同含水率下進(jìn)行擊實(shí)。得到最大干密度與最優(yōu)含水率與P5含量的關(guān)系曲線見圖1。

由圖1可以看出當(dāng)P5在35%～65%范圍內(nèi)時(shí)，最大干密度與最優(yōu)含水率隨著P5含量的增加整體趨勢均為先增后減。最大干密度的峰值為2.36 g/cm3,對(duì)應(yīng)P5為75%，而最優(yōu)含水率的峰值為5.3%，對(duì)應(yīng)P5為55%。根據(jù)分析可以推斷，當(dāng)P5小于75%時(shí)，隨著粗顆粒含量增加，土粒體積占總體積比例逐步增大，土體的最大干密度隨之增加，直至到P5為75%時(shí)，較細(xì)顆粒幾乎剛好可以將較粗顆粒間的空隙填滿，此時(shí)土體最密實(shí)，干密度也最大，而當(dāng)P5大于75%時(shí)，隨著細(xì)顆粒比例減小，較細(xì)顆粒無法將空隙填滿而導(dǎo)致孔隙率上升，最大干密度驟降。

P5含量在一定范圍內(nèi)，最優(yōu)含水率整體隨著P5含量增大而減小。當(dāng)P5含量未達(dá)到75%臨界值時(shí)，隨著粗顆粒含量增加，較之單位體積細(xì)顆粒表面積減小，對(duì)水顆粒吸附力小而含水率降小。但此細(xì)顆粒仍能完全填滿粗顆粒間的空隙，為粗細(xì)顆?；旌献饔?，故而最優(yōu)含水率減小較為緩慢；當(dāng)P5含量超過75%臨界值時(shí)，此時(shí)細(xì)料含量過少而不能完全填充粗料間的空隙，粗顆粒起控制性作用，對(duì)水分子吸附力大大降低，并且P5含量的增加的同時(shí)單位體積內(nèi)顆粒表面積減小不大，故而最優(yōu)含水率減小幅度很?。划?dāng)P5含量約為75%，為上述2種情況的臨界點(diǎn)。其中P5含量為55%時(shí)，最優(yōu)含水率為最大值，這是因?yàn)榇藭r(shí)細(xì)顆粒含量達(dá)到較值為45%，并且小于0.25 mm的顆粒含量最大為20%，其他級(jí)配基本低于10%，其對(duì)水分子吸附力更強(qiáng)，最優(yōu)含水率最大。

通過擊實(shí)試驗(yàn)的結(jié)果總結(jié)與分析可以得到，當(dāng)P5含量在35%～85%范圍內(nèi)，當(dāng)P5為55%時(shí)，土體對(duì)水分的吸附能力最強(qiáng)，最優(yōu)含水率達(dá)到峰值；當(dāng)P5含量為75%時(shí)，土體最大干密度達(dá)到峰值，土體密實(shí)度最大，并在此時(shí)擁有較小的最優(yōu)含水率，由此可見P5為75%時(shí)級(jí)配良好。

3 大型三軸試驗(yàn)

本次試驗(yàn)采用不固結(jié)不排水試驗(yàn)(UU)，使測得試樣總抗剪強(qiáng)度參數(shù)適用于土體受力而孔隙壓力不消散的情況，所取得的試驗(yàn)成果，常用于對(duì)土石壩、填方施工期的穩(wěn)定性分析(總應(yīng)力法)[9]。依據(jù)重型擊實(shí)試驗(yàn)得到的每個(gè)填料級(jí)配設(shè)計(jì)下最大干密度和最優(yōu)含水率，將壓實(shí)度控制為0.95，試樣含水率控制為最優(yōu)含水率，以此來研究A—I共9組填料級(jí)配特征的不同對(duì)粗顆粒土強(qiáng)度特性的影響。

根據(jù)SL 237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定，本次6組試驗(yàn)，每組3個(gè)試樣，分別在不同恒定周圍壓力100、200、300 kPa(即最小主應(yīng)力σ3)下施加軸向壓力(即主應(yīng)力差σ1-σ3)，進(jìn)行剪切至破壞，之后按摩爾-庫侖強(qiáng)度理論求得抗剪強(qiáng)度參數(shù)。試驗(yàn)過程按以下步驟實(shí)施：首先根據(jù)試驗(yàn)要求，通過前面擊實(shí)試驗(yàn)得到的最大干密度和最優(yōu)含水率，以壓實(shí)度0.95為標(biāo)準(zhǔn)，按試樣尺寸依據(jù)計(jì)算得到每個(gè)試樣所需質(zhì)量和配置最優(yōu)含水率所需水量，并用噴水壺灑水至最優(yōu)含水率，攪拌均勻留置備用在底座上用橡皮管扎好乳膠膜，安裝成型筒，將橡皮膜外翻在成型筒上，并使其順直和緊貼成型筒內(nèi)壁，之后將黑色2 mm厚橡皮膜分2塊相互交叉緊貼乳膠膜放入。為防止粗顆粒離析，試樣分6層裝填，每層擊實(shí)至相應(yīng)高度后，對(duì)表面刨毛，再裝填下一層，如此繼續(xù)，直至最后一層裝填完成，其表面應(yīng)整平，無突出顆粒，加上土工布和試樣帽，扎緊乳膠膜，再去掉成型筒安裝壓力室，旋緊連接螺栓，向壓力室注水。注水完成后，在壓力室上方固定位移傳感器，以測軸向位移。開啟供油開關(guān)，將圍壓進(jìn)水開關(guān)打開，使壓力值達(dá)到預(yù)定數(shù)值后擰緊。試驗(yàn)具體過程見圖2—5。

試驗(yàn)開始時(shí)，手動(dòng)調(diào)速閥控制速度為1.5 mm/min，試驗(yàn)過程中，不斷控制圍壓進(jìn)排水開關(guān)，保持圍壓在一定數(shù)值，同時(shí)做好軸向荷載和軸向變形記錄；分別在不同恒定圍壓下施加軸向壓力(即主應(yīng)力差σ1-σ3)，進(jìn)行剪切至破壞，之后按摩爾-庫侖強(qiáng)度理論求得抗剪強(qiáng)度參數(shù)。增加圍壓使壓力值達(dá)到預(yù)定數(shù)值并在試驗(yàn)過程中保持圍壓穩(wěn)定，選取軸向應(yīng)變15%對(duì)應(yīng)的主應(yīng)力差作為破壞強(qiáng)度值。得到各試樣的應(yīng)力峰值σ1、σ3總結(jié)至表3。

以法向應(yīng)力σ為橫坐標(biāo)，剪應(yīng)力τ為縱坐標(biāo)，在橫坐標(biāo)上以(σ1+σ3)/2為圓心，(σ1-σ3)/2為半徑繪制摩爾圓，作不同圍壓下莫爾圓包線進(jìn)行線性擬合并得到線性方程

σ=τtanφ+c

(3)

式中τ——剪應(yīng)力；σ——軸向應(yīng)力；c——內(nèi)聚力；φ——內(nèi)摩擦角。

總結(jié)得出9組試樣莫爾圓包絡(luò)線方程見表4。

分別繪制c、φ值隨P5含量變化曲線見圖6,由圖6可以看出當(dāng)P5在35%～85%范圍內(nèi)時(shí)，內(nèi)摩擦角隨著P5含量的增加整體趨勢均為先增后減。φ的峰值為43°,對(duì)應(yīng)P5為75%；而黏聚力隨著P5含量的增加整體趨勢為先減后增，c的最低值為16.8 kPa，對(duì)應(yīng)P5為55%。通過對(duì)以上結(jié)果的分析及對(duì)圖1、2進(jìn)行對(duì)比可以推斷：當(dāng)P5小于75%時(shí)，隨著粗顆粒含量增加，粗顆粒土逐漸形成“土骨架”，土粒之間的嵌固作用逐漸增強(qiáng)，從而使土體的內(nèi)摩擦角增加。而由擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果可知當(dāng)P5達(dá)到75%時(shí)，土體達(dá)到最密實(shí)狀態(tài)，可以推測此時(shí)粗細(xì)顆粒共同抵抗外部剪切荷載，土粒間的嵌固最緊實(shí)，內(nèi)摩擦角達(dá)到最大，而當(dāng)P5含量大于75%時(shí)，隨著P5含量的增加，細(xì)顆粒含量減少致使孔隙增多，土體密實(shí)度降低，從而導(dǎo)致土顆粒間的嵌固作用下降，從而φ值有所降低；當(dāng)P5小于55%時(shí)，粗顆粒土試樣中的黏聚力主要為細(xì)顆粒之間的膠結(jié)力提供，會(huì)隨著粗顆粒含量的增多，細(xì)顆粒間的膠結(jié)作用不斷減小，當(dāng)P5為55%時(shí)，由擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果推測此時(shí)土體內(nèi)部具有最大的內(nèi)表面積，則此時(shí)細(xì)顆粒間的接觸最不充分，顆粒間的吸引、連接作用最弱。當(dāng)P5大于55%時(shí)，粗顆粒增加以至相互接觸，土體中黏聚力開始由粗顆粒間的咬合作用和細(xì)顆粒間的黏聚力共同提供，且隨著粗料含量的增加，粗顆粒之間相互接觸產(chǎn)生咬合作用，因此粗顆粒土試樣的黏聚力不斷增大。由此可以看出，由于內(nèi)摩擦角受顆粒間尤其是粗粒間嵌固作用影響較大，因而粗顆粒含量對(duì)內(nèi)摩擦角起關(guān)鍵作用；而粗顆粒土的內(nèi)聚力在細(xì)顆粒含量較高時(shí)由細(xì)顆粒含量主導(dǎo)，而在粗顆粒較多時(shí)，受粗細(xì)顆粒共同影響。當(dāng)P5為75%左右可保證在較高的黏聚力下有最大的內(nèi)摩擦角，從而有較高的抗剪強(qiáng)度。

表4 9組試樣莫爾圓包絡(luò)線方程

4 結(jié)語

本文通過對(duì)一定級(jí)配范圍內(nèi)的粗顆粒土進(jìn)行不同設(shè)計(jì)級(jí)配的配置，以得到9種具有不同P5含量的粗顆粒土試樣。并通過擊實(shí)試驗(yàn)得到9種試樣最優(yōu)含水率與最大干密度，通過大型三軸試驗(yàn)得到9種試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，得到以下結(jié)論。

a) 通過擊實(shí)試驗(yàn)可得，當(dāng)P5含量在35%～85%之間時(shí)，灰?guī)r質(zhì)粗顆粒土的最大干密度與最優(yōu)含水率隨P5含量的增加呈先增后減的非線性趨勢。其中最大干密度的臨界值對(duì)應(yīng)P5為75%，表明在此種級(jí)配下土體達(dá)到最密實(shí)程度；最優(yōu)含水率的峰值對(duì)應(yīng)P5為55%，由此推斷此種級(jí)配下土體對(duì)水分的吸附能力最強(qiáng)。

b) 通過大型三軸試驗(yàn)可得，當(dāng)P5含量在35%～85%之間時(shí)，灰?guī)r質(zhì)粗顆粒土的內(nèi)摩擦角隨P5含量的增加呈先增后減的趨勢，臨界值對(duì)應(yīng)P5為75%；內(nèi)聚力則呈先減后增的趨勢，臨界值P5為55%。通過以上變化趨勢與擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析可以看出：粗顆粒土在最密實(shí)的情況下，內(nèi)部顆粒間嵌固作用最強(qiáng)，內(nèi)摩擦角最大；粗顆粒土在單位體積內(nèi)顆粒表面積最大，內(nèi)部細(xì)顆粒接觸程度最低，膠結(jié)作用最小，黏聚力最小。

c) 通過對(duì)2種試驗(yàn)結(jié)果的綜合分析，當(dāng)粗顆粒土的P5為75%時(shí)，土體在保持吸附水分能力在較低水平的情況下?lián)碛凶畲蟮拿軐?shí)程度、最大內(nèi)摩擦角與較高的黏聚力。由此可以做出評(píng)價(jià)：當(dāng)P5在35%～85%范圍內(nèi)，P5為75%時(shí)級(jí)配最為良好，并表現(xiàn)出較好的抗剪性能，對(duì)于土石壩等應(yīng)力水平較高的大型填方工程，此種級(jí)配有利于工程穩(wěn)定性。