溫石磊 陳筱竹 王琛

文章為了研究不同礫石含量下土石混合料的壓實(shí)性質(zhì)：密度、孔隙比和沉降量的變化，利用改裝后的蠕變儀分別對(duì)礫石含量為0～100 %，含量間隔為10 %的土石混合料進(jìn)行了靜壓試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：土石混合料的孔隙比小于黏土和礫石的孔隙比，其干密度大于黏土和礫石的干密度;礫石含量為70 %左右時(shí)，土石混合料壓密前后的干密度均達(dá)最大值，孔隙比達(dá)最小值，最終沉降量達(dá)最小值;在礫石中孔隙完全由黏土體積填充時(shí)，礫石-黏土的二元混合物存在理論最小孔隙比，隨著法向壓力的增大，土石混合料的孔隙比趨近于這一最小值;在法向壓力400 kPa下，礫石含量為71 %時(shí)達(dá)到最小孔隙比，與試驗(yàn)中礫石含量為70 %時(shí)孔隙比最小具有一致性。

土石混合料; 礫石含量; 壓密; 干密度; 孔隙比

TU 521?? A

[定稿日期]2021-08-02

[作者簡(jiǎn)介]溫石磊（1996～），男，在讀碩士，研究方向?yàn)榇至Ｍ恋墓こ绦再|(zhì)。

土石混合料是一種由粗顆粒與細(xì)顆粒組成的二元混合物，分布和應(yīng)用廣泛。不同分布與應(yīng)用的土石混合料的粗顆粒含量是不同的，其中粗顆粒含量變化范圍可認(rèn)為是0～100 %。例如：作為高土石壩心墻防滲料的礫石土，大于5 mm的礫石含量不應(yīng)大于50 %，一般控制在20 %～50 %[1-2];三峽庫區(qū)多個(gè)滑坡的滑帶土粗顆粒含量從8 %～45 %不等[3];崩積體礫石含量最高可達(dá)90 %[4]。

不同礫石含量的土石混合料會(huì)呈現(xiàn)出不同的物理力學(xué)性質(zhì)。在土石混合料的密實(shí)程度方面，礫石含量對(duì)土石混合料最大干密度影響大，在工程建設(shè)中需分析礫石含量對(duì)土石混合料最大干密度的影響，以保證土石混填路基的質(zhì)量。

近年來，許多學(xué)者開展了關(guān)于粗顆粒含量對(duì)土石混合料的密度等方面的研究。胡華昌[5]分別采用相似級(jí)配法、剔除法與等量替代法對(duì)同種土石混合料進(jìn)行了處理，通過試驗(yàn)指出采用相似級(jí)配法處理的土石混合料的最大干密度和最優(yōu)含水率高于剔除法與等量替代法處理的級(jí)配料，探討了縮尺方法對(duì)土石混合料最大干密度的影響。王團(tuán)結(jié)[6]在不考慮含水率時(shí)假定粗細(xì)顆粒密度相等，通過以孔隙率作為壓實(shí)質(zhì)量的量化評(píng)價(jià)指標(biāo)的模擬試驗(yàn)指出孔隙率隨著顆粒最大粒徑和粗顆粒相對(duì)含量增大而減小，同時(shí)隨著孔隙率的減小，土石混合料干密度線性減小。曹光栩等[7]指出土石混合填料中石料含量達(dá)到70 %～80 %時(shí)，填料的密度達(dá)最大值，并且表現(xiàn)出較小的壓縮性。廖秋林[8]指出雖然土石混合料壓密主要是土體的壓密，但是塊石等粗顆粒直接影響其壓密效果，在無側(cè)限條件下，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)塊石等粗顆粒與土體并無膠結(jié)，在土石混合料中塊石等粗顆粒形成骨架結(jié)構(gòu)是土石混合料的一個(gè)重要的力學(xué)性質(zhì)。Vallejo和Mawby[9]通過試驗(yàn)證明了孔隙率對(duì)粗細(xì)顆?；旌狭系目辜魪?qiáng)度的影響，指出了孔隙率的大小是由粗細(xì)顆粒的相對(duì)含量決定的，并在粗顆粒達(dá)到76 %左右時(shí)趨向于一個(gè)理論最小孔隙率。

本文主要研究土石混合料在靜壓條件下的壓密性質(zhì)，研制壓密容器并改裝蠕變?nèi)S儀作為靜壓加載系統(tǒng)，對(duì)0～100 %礫石含量的土石混合料采用砝碼加載的方式進(jìn)行壓密試驗(yàn)。分析土石混合料在靜壓過程中礫石含量Pg與干密度ρd、孔隙比e、最終沉降量s間的關(guān)系。

1 土石混合料靜壓試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)土料

試驗(yàn)土料為兩河口高心墻堆石壩的心墻防滲料，由黏土與灰色板巖礫石共同組成，礫石粒徑dg>2 mm，黏土粒徑dc<2 mm，板巖相對(duì)密度Gg=2.75。參照兩河口心墻料礫平均線擬定試驗(yàn)礫石級(jí)配曲線，原土料最大粒徑Dmax=100 mm，為滿足徑徑比n≤5的要求，試驗(yàn)土料最大粒徑應(yīng)為dmax=20 mm，故對(duì)原級(jí)配曲線進(jìn)行縮尺處理。首先采用相似級(jí)配法，得到處理后的級(jí)配曲線如圖1。在對(duì)原級(jí)配縮尺2.5倍后，最大粒徑由100 mm變?yōu)?0 mm，此時(shí)仍不滿足徑徑比n≤5的要求，故對(duì)處理后的級(jí)配曲線再進(jìn)行剔除法處理，得到最終的試驗(yàn)礫石級(jí)配曲線，其中中礫占79.02 %，細(xì)礫20.98 %，不均勻系數(shù)Cu=3.75，曲率系數(shù)Cc=1.1，分類定名為級(jí)配不良礫GP，級(jí)配曲線如圖1所示。

黏土相對(duì)密度GS=2.70，最大粒徑2 mm，其中砂粒占7.4 %，粉粒占67.1 %，黏粒占25.5 %。采用液限塑限聯(lián)合測(cè)定法得黏土液限wl=44.3 %，塑限wp=26.3 %，塑性指數(shù)Ip=18.0，分類定名為低液限黏土CL，級(jí)配曲線如圖2所示。試驗(yàn)共分為11組，礫石含量依次為0～100 %，11組試驗(yàn)土樣級(jí)配見圖3。

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器由蠕變?nèi)S儀改裝而成，分為加載系統(tǒng)、壓力容器系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)3個(gè)部分。加載系統(tǒng)采用杠桿施加砝碼來實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的軸向穩(wěn)壓加載，其中杠桿動(dòng)力臂比阻力臂為12。壓力容器系統(tǒng)為內(nèi)徑200 mm、內(nèi)部高度110 mm、厚度10 mm的鋼桶與一個(gè)可拆卸提手的的蓋板組成，蓋板厚度為10 mm，以蓋板中心為圓心，半徑50 mm與100 mm處開有兩圈小孔，內(nèi)圈4個(gè)，外圈8個(gè)，開孔用于試樣飽和與排水。位移測(cè)量采用百分表，總荷載為蓋板上覆荷載與砝碼施加荷載的12倍之和。

利用改裝后的蠕變儀和固結(jié)容器分別對(duì)不同礫石含量的土石混合料進(jìn)行了靜壓試驗(yàn)。采用分級(jí)加載方式分4級(jí)加載，依次為100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa。試驗(yàn)共分為11組，礫石含量為0～100 %，以10 %礫石含量為間隔制樣。

對(duì)于礫石含量Pg在60 %～100 %的試驗(yàn)組，在鋼桶內(nèi)緩慢放入試驗(yàn)土料并加水飽和;對(duì)于礫石含量Pg在0～40 %的試驗(yàn)組，采用真空飽和法進(jìn)行飽和，兩種方法進(jìn)行試樣飽和后，在試樣表面罩上一層土工布，再加上蓋板即可進(jìn)行加載。根據(jù)每級(jí)加載試驗(yàn)前后百分表讀數(shù)差值得出試樣每級(jí)的沉降量，計(jì)算孔隙比變化值與加載后的試樣干密度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.1 干密度

根據(jù)表1所示試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合圖4、圖5可知：（1）Pg=80 %時(shí)最終沉降量s最小，Pg=70 %時(shí)壓密前干密度ρ1與壓密后干密度ρ2最大，同時(shí)土石混合料的孔隙比e達(dá)到最小值;（2）土石混合料的孔隙比e小于純黏土或純礫石的孔隙比，土石混合料的干密度大于純黏土或純礫石的干密度。

2.2 理論最小孔隙比

Vallejo和Mawby[9]通過純黏土與純砂的二元混合物的壓實(shí)試驗(yàn)指出隨著壓實(shí)度的增加，黏-砂土混合物將趨向于理論最小孔隙比emin，該理論最小孔隙比在砂中孔隙剛好完全由黏土體積填充時(shí)達(dá)到。結(jié)合上述理論與本次試驗(yàn)結(jié)果，由圖6可知，隨著法相壓力的增大，孔隙比e在逐漸減小，11組試樣在礫石含量70 %附近時(shí)達(dá)到最小孔隙比，并隨著法向壓力的增大趨近于一個(gè)理論最小孔隙比emin，此時(shí)，混合物處于礫石間空隙完全由黏土填充的狀態(tài)。該狀態(tài)下理論最小孔隙比可由純黏土的孔隙比與純礫石的孔隙比計(jì)算得出：

emin=VvcVc+Vg=eg·eceg+ec+1（1）

式中：Vvc為孔隙體積，Vg為礫石體積，Vc為黏土體積，eg為純礫石孔隙比，ec為純黏土孔隙比。

當(dāng)混合物達(dá)到最小孔隙比時(shí)，礫石與黏土的相對(duì)含量為：

MgMc=VgρgVcρg=ec+1ρgegρC（2）

式中：Mg為礫石質(zhì)量，Mc為黏土質(zhì)量，ρg為礫石密度，ρc為黏土密度。

當(dāng)法向壓力為400 kPa時(shí)，將純礫石的孔隙比eg=0.70與純黏土的孔隙比ec=0.68代入式（1）、式（2）得到當(dāng)?shù)[石含量wg=71 %時(shí)，土石混合料能達(dá)到的理論最小孔隙比為emin=0.20，而試驗(yàn)所得的最小孔隙比為0.3，分析誤差原因?yàn)椋孩偃藶橐蛩卦斐赏潦旌狭匣旌喜粔蚓鶆?②由圖6可知，要達(dá)到混合物的理論最小孔隙比要求粗顆粒間孔隙剛好完全由細(xì)顆粒填充，而在實(shí)際試驗(yàn)中，由于礫石粒徑大小形態(tài)不同，當(dāng)?shù)[石含量逐漸增大形成骨架后會(huì)在混合物中生成許多大小形狀各異的封閉孔隙，故試驗(yàn)中，很難達(dá)到在同一時(shí)刻黏土顆粒剛好完全填充所有礫石間孔隙的狀態(tài);③試驗(yàn)中沒有單獨(dú)考慮顆粒破碎造成的孔隙比大小的改變;④試驗(yàn)中沒有單獨(dú)考慮顆粒破碎造成的孔隙比大小的改變。

3 結(jié)論

采用靜壓方法對(duì)以10 %礫石含量為間隔的礫石含量為0～100 %的土石混合料進(jìn)行了試驗(yàn)，分析了土石混合料在靜壓過程中礫石含量Pg與干密度ρd、孔隙比e、最終沉降量s間的關(guān)系，并基于二元混合物填充理論進(jìn)行了探討。主要結(jié)論如下：

（1）土石混合料的孔隙比小于黏土和礫石的孔隙比，土石混合料的干密度大于黏土和礫石的干密度。

（2）礫石含量為70 %左右時(shí)，土石混合料壓密前干密度與壓密后干密度均達(dá)最大值，孔隙比達(dá)最小值，最終沉降量達(dá)最小值。

（3）在礫石中孔隙完全由黏土體積填充時(shí)，礫石-黏土的二元混合物存在理論最小孔隙比，隨著法向壓力的增大，土石混合料的孔隙比趨近于這一最小值;在法向壓力400 kPa下，礫石含量為71 %時(shí)達(dá)到最小孔隙比，與試驗(yàn)中礫石含量為70 %時(shí)孔隙比最小具有一致性。

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