不同泥岩比例下粗粒土的颗粒破碎

马 吉 奇

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

不同泥岩比例下粗粒土的颗粒破碎

马 吉 奇

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

通过对混合土料进行大型三轴不固结不排水(UU)压缩试验，研究了不同泥岩比例对试料颗粒破碎率的影响，结果表明随着泥岩比例的增加，土体的颗粒破碎率呈现降低的趋势。

粗粒土，应力，应变，围压，颗粒破碎

0 引言

粗粒土由于颗粒间彼此挤压充填，最终形成一种呈粒状的散粒体[1]。粗粒土因具有良好的压实性能、较高的抗剪强度、高压缩性、良好的渗透性等工程特性，在地基基础、大型水利水电土石坝等方面得到广泛应用。自20世纪中期以来，国内外学者从各个方面对粗粒土的强度、应力应变特征、渗透性等方面进行了系统的研究[2-5]，本文设定试验方案，研究不同泥砂岩比例下粗粒土的颗粒破碎率。

1 试验材料与方案

1.1 试验材料

试验土料取自我国西南地区某煤系地层，粒径大小极不均匀，试料由泥岩、砂岩按照不同比例混合组成，A，B，C三组试样均为天然含水率，具体配比见表1。

表1 土料样品情况及掺混要求比例

1.2 试验方案

本次试验通过不固结不排水剪切(UU)试验，试样尺寸为直径300 mm，高600 mm,试验为击实试样，分三层捣实。

由于土石料的粒径和试样尺寸的限制，试验时首先按照土工试验规程对原始级配进行等比例缩尺，同时保证粒径小于5 mm的细粒含量不变，最终缩尺后的试料级配如表2所示。

表2 试样级配

1.3 试验要点

1)试验围压：试验周围压力σ3分级为100 kPa，200 kPa，300 kPa，400 kPa。

2)制样装填：制样装填时分三层装填，用夯实法夯至制样密度。

3)剪切速率：试验剪切速率按规程要求，采用每分钟应变为0.2 mm。按照试验方案要求计算并称量试验所要求的实际土样重量，混合均匀并分三层振实。以0.2 mm/min的剪切速率进行剪切，到轴向应变达到15%左右为止，试验完毕。

2 试验结果与分析

粗粒土由于粒径较大，在外部荷载的作用下容易发生颗粒破碎的现象。颗粒破碎是粗粒土的明显特征，土体发生颗粒破碎将导致土体级配发生改变，并且土体的物理力学性质也将发生变化，研究粗粒土的颗粒破碎具有很大的工程意义。关于颗粒破碎量化指标非常多，Marsal[6]提出根据剪切前后各粒组所对应含量之差的正值之和Bg=∑Wk;Wk=Wki-Wkf。其中，Wki为剪切前级配曲线上某一粒组的百分含量；Wkf为剪切后级配曲线上相同粒组的含量。根据定义，剪切前后级配曲线各粒组百分含量差值为正，则说明组成该粒组的颗粒总数减少；剪切前后级配曲线上各粒组的百分含量差值为负，则说明组成该粒组的颗粒总数增多。

1)颗粒破碎量化分析。

根据破碎率指标的定义，得出各粒组的破碎指标，如表3所示。

表3 不同泥、砂岩比例下的颗粒破碎率

根据表3可知，土体在剪切过程中，随着围压的增大，颗粒破碎率呈现增大的趋势，因为围压越大，颗粒之间接触越密实，土颗粒更容易发生破碎，最终导致整体破碎率增大。在三轴剪切过程中颗粒的整体破碎情况是粗颗粒破碎，细颗粒增加。统计围压在400 kPa下，A,B,C三组试料各粒组的破碎率如表4所示。在围压为400 kPa下，以颗粒粒径d为横坐标，剪切前后各粒组的颗粒破碎率为纵坐标，见图1。

表4 不同粒组的颗粒破碎率 %

根据图1分析，对B0与d的关系可以采用三次多项式进行拟合，拟合的关系如下：

B0=Ad3+Bd2+Cd+D。

其中，A,B,C,D均为各项系数，分别为-0.000 1，0.019 4,-1.070 6,20.834。

根据该方程可求得各个粒组的颗粒破碎率B0，将各粒组的颗粒破碎率相加，就可以得到整体破碎率，可以对试样的整体破碎率进行大致的预测。

2)泥岩含量对颗粒破碎的影响。根据试验结果可得，随着泥岩比例的增加，土体的颗粒破碎率呈现降低的趋势。根据试样在围压为400 kPa下，统计不同泥岩与砂岩比例下试样的破碎率(见表5)。因为当泥岩含量增加到一定值，泥岩颗粒的强度小于砂岩颗粒的强度，泥岩颗粒首先发生破碎，分散于土颗粒之间的空隙，减少了粗颗粒之间的接触点，土体的颗粒破碎率也随着减小(见图2)。

表5 不同泥岩与砂岩比例下试料的颗粒破碎率

3 结语

就本次试验土料，建立了各组粒组的破碎率方程，根据此方程可求得各个粒组对应的破碎率，将其相加后可得到整体破碎率，可以对试样的整体破碎率进行大致的预测。试验表明，随着泥岩比例的增加，土体的颗粒破碎率呈现降低的趋势。

[1] 郭庆国.粗粒土的工程特性及应用[M].郑州：黄河水利出版社，1998.

[2] 张启岳，司洪洋.粗颗粒土大型三轴压缩试验的强度与应力—应变特性[J].水利学报，1982(9)：22-31.

[3] 柏树田，周晓光.堆石在平面应变条件下的强度和应力—应变关系[J].岩土工程学报，1991,13(4)：33-40.

[4] 王朝东，潘招湘，喻小生.在普通土大三轴仪上进行土的应力路径试验的探索[J].岩土力学，1991,12(1)：57-63.

[5] 卢廷浩，钱玉林.宽级配砾石土的应力路径试验及其本构模型验证[J].河海大学学报，1996,24(2)：74-79.

[6] Marsal R J. Large-scale testing of rockfills materials[J].Journal of the soil mechanics and foundation engineering ASCE,1967,93(2):27-44.

Coarse-grain soil particle breakage under different mudstone ratio

Ma Jiqi

(ChinaCoalScienceIndustryGroupXi’anAcademyCo.,Ltd,Xi’an710077,China)

Through carrying out consolidated untrained triaxial compression test (UU) of concrete mixture, the thesis studies the impact of different mudstone ratio upon particle breakage ratio. Results show that: the coarse-grain soil particle breakage ratio will reduce with the mudstone ratio increasing.

coarse-grain soil, stress, strain, confining pressure, particle breakage

2015-02-04

马吉奇(1987- )，男，在读硕士

1009-6825(2015)11-0048-02

TU411

A