含石量对土石混合料剪切特性的影响

蒋 鹏

(合肥市市政设计院有限公司,安徽 合肥 230041)

含石量对土石混合料剪切特性的影响

蒋 鹏

(合肥市市政设计院有限公司,安徽 合肥 230041)

土石混合料作为路基填料的重要组成部分，其力学特性直接关系道路能否安全使用。为此，采用离散元方法对土石混合料的剪切特性进行研究，分析在不同含石量不同围压情况下，土石混合料的抗剪强度及剪胀性。结果表明：随着含石量的增加，土石混合料的抗剪强度在增加，剪胀性增强。

含石量；土石混合料；离散元；抗剪强度

土石混合料是由粒径较小的土和块径相对较大的石组成，它们是在路基挖方或岩体爆破过程中产生的一种混合料[1-2]。作为就地取材的一种路基填料，它的力学特性直接关系着道路的安全性能，故有很多专家学者对其力学性能进行研究和探讨，如贾学明、柴贺军等通过室内三轴试验和相关数值模拟对土石混合料的抗剪强度和路用性能进行研究和评价[3-4]；董云、徐文杰等通过工程实践和室外大型试验对土石混合料的力学性能进行探讨，并得出许多有益结论[5-7]。

土石混合料中的石块作为土石混合料的“骨架”，其含量直接关系着土石混合料的抗剪强度的大小，影响路基的稳定性能。为此，本文采用基于离散元的PFC软件建立双轴试验对土石混合料中含石量对土石混合料力学性能的影响进行探讨和分析，希望对土石混合料在路基中的应用提供一些有益结论。

1 模型介绍

1.1 土石混合料选取

现实中大部分的土石混合料均为不规则的形状，在本试验的过程中为了进行简化计算和考虑到计算机的性能，参考贾学明、赵金凤等[8-9]人的研究思路，本文将土体和石块体均简化成不同粒径的圆球。本次土石混合料式样取自某一级公路工地，根据武明等[10]人的研究思路，把颗粒直径10 mm作为土、石粒料的分界线，通过筛选分别得土和石(其级配情况见表1)，土、石各自的微观参数(见表2)，通过室内土工试验和与之相对应的PFC细观试验的标定进行确定，采用不同含石量的土石混合料来进行PFC双轴剪切试验。

表1 土石混合料不同粒径质量百分比

表2 土石混合料参数

1.2 土石混合料的离散元双轴

由于现实条件下的双轴剪切试验的操作比较复杂，对仪器设备要求较高，且受外界因素影响显著，故本文选用基于离散元的双轴试验模拟手段，它克服了传统物理试验的繁琐操作和较高的不成功率，同时相对于其他模拟软件，它可以更真实地还原土石混合料本来的物理性质。本文采用的离散元软件为PFC2d，本文选取的土石混合料为砂性材料，探讨试件在10 kPa、15 kPa、20 kPa围压下，不同含石量的土石混合料的双轴试验，其模型见图1。

图1 不同含石量下土石混合料双轴模型

2 结果分析

2.1 不同含石量土石混合料的抗剪强度分析

抗剪强度作为土石混合料力学性能的重要指标，对应用于路基填料具有重要的参考作用。如图2所示，为不同含石量的土石混合料在不同伺服围压下的轴向应力-轴向应变曲线。

图2 不同含石量的土石混合料的抗剪强度图

从图2可知，在不同的围压作用下，土石混合料均表现出：随着含石量的增加，土石混合料的抗剪强度均呈现增强的趋势；同时，在含石量P>20%时，土石混合料的抗剪强度增加速率比含石量P<20%的增长速率要大，高含石量(P>40%)可以更快地达到抗剪极值。

当应用于路基填料，可以预见高含石量的土石混合料可以更快达到压实稳定度。

2.2 不同含石量土石混合料的剪胀性分析

剪胀性是土石混合料的另一重要特性，如图3所示为不同含石量的土石混合料在不同围压的剪胀分析图。

图3 不同含石量的土石混合料的剪胀图

从图3可知，不同含石量的土石混合料均呈现一定程度的剪胀性。

在同一围压下，土石混合料的剪胀性随着含石量的增加而增大。在含石量P<20%时的土石混合料，先经历较为明显的剪缩后才开始进入剪胀阶段，在含石量较高时(P>80%)，土石混合料的剪胀性增长趋于稳定。同时随着伺服围压的增大，土石混合料的剪胀性在降低。

3 结束语

(1) 通过室内试验，确定不同土石混合料的百分比，然后通过宏微观的标定，确定不同土石混合料的微观参数。

(2) 通过不同含石量的土石混合料的双轴试验发现：随着含石量的增加，土石混合料的抗剪强度在增强，且高含石量的土石混合料可以更快地达到抗剪极值。

(3) 通过不同含石量的土石混合料的双轴试验发现：不同含石量的土石混合料均有一定程度的剪胀性，且随着含石量的增大而增大。

[1] 曹光栩,徐 明,宋二祥.土石混合料的力学特性[J].华南理工大学学报(自然科学版),2010,38(11):32～39.

[2] 王 平.机场大型土石方压实技术分析与研究[D].重庆：重庆交通大学, 2008.

[3] 贾学明.无粘性土石混合料力学性质的细观模拟研究[D].北京：中国科学院研究生院, 2012.

[4] 柴贺军,陈谦应,孔祥臣.土石混填路基修筑技术研究综述[J].岩土力学,2004,25(6):1005～1010.

[5] 董 云.土石混合料强度特性的试验研究[J].岩土力学, 2007, 28(6):1269～1274.

[6] 徐文杰,胡瑞林,谭儒蛟.虎跳峡龙蟠右岸土石混合体野外试验研究[J].岩石力学与工程学报,2006,25(6):1270～1277.

[7] 徐文杰,胡瑞林.循环荷载下土石混合体力学特性野外试验研究[J].工程地质学报,2008,16(1):63～69.

[8] 贾学明,柴贺军,郑颖人.土石混合料大型直剪试验的颗粒离散元细观力学模拟研究[J].岩土力学,2010,31(9):2695～2703.

[9] 赵金凤,严 颖,季顺迎.基于离散元模型的土石混合体直剪试验分析[J].固体力学学报,2014(2):124～134.

[10] 武 明.土石混合非均质填料力学特性试验研究[J].公路, 1997(1):40～42.

2016-03-21；修改日期：2016-06-21

蒋 鹏(1983-)，男，安徽临泉人，硕士，合肥市市政设计院有限公司工程师．

U416.11

A

1673-5781(2016)04-0442-03