压实度对筑堤用土石混合料力学特性影响研究

廖颖娟

土石混合体是一种以土体和块石为主的第四纪松散堆积体，是介于土体与破碎岩体之间的特殊地质体。含石率较低的土石混合体不仅有较高的强度，而且渗透性也满足设计要求，因此低含石率土石混合体在堤坝中应用非常广泛。由于施工质量差异，现场土石混合体压实度存在较大差异，需对不同压实度的土石混合体力学性能开展专项研究。

一、研究现状

土石混合体结构特征极为复杂，其物理力学特性与块石含量、颗粒形状、空间分布及排列方式等有关。徐文杰等通过对天然含水条件与浸水条件的土石混合体进行大型原位水平推剪试验，研究了不同状态下土石混合体的应力—应变关系，并通过三维数值分析对土石混合体的破坏机理进行了探讨。舒志乐等基于100余组粒度分析试验，引入多重分形理论研究了土石混合体抗剪强度、分维值与含石率三者之间的关系，结果表明土石混合体通常具有二重分维值，而级配最优的土石混合体只具有一重分维值，抗剪强度、分维值与含石率三者呈抛物线性关系。金磊等提出了一种可随机生成不规则块石三维离散元建模技术，基于该技术对不同含石量土石混合体进行了三维离散元模拟，结果表明含石率增大，块石周边微裂纹所占比例增大，剪切带分布趋于无规律，土石混合体强度增大。廖秋林等对土石混合体重塑样的制备方法与流程进行了研究，初步制定了制备土石混合体重塑样的基本流程，并对土石混合体无侧限应力—应变全过程线进行了研究，认为块石所形成的骨架结构对土石混合体的力学特性具有重要影响。刘新荣等研究了土石混合体填筑路堤非线性沉降特性，基于此建立了考虑材料非线性的蠕变模型，并通过建立的蠕变模型拟合试验结果进行参数反演，效果良好。徐文杰等以梨园电站坝前土石混合体边坡为研究对象分析了不同水位条件下及库水位骤降时考虑流—固耦合的边坡稳定性。综上所述，大量专家学者对土石混合体物理力学特性及细观机理开展了大量研究，然而对压实度对土石混合体力学特性影响研究尚不够充分。本文通过对压实度为 0.84、0.87、0.90、0.93 和 0.96 的土石混合体进行三轴压缩和渗透试验，分析压实度对土石混合体抗剪强度、变形模量与渗透性的影响。

二、试验土料与试验程序

试验土料取自于某河堤料场，含石率为19.8%，土料最大粒径为20mm，通过室内击实试验确定土石混合体最大干密度为1.95g/cm3，最优含水率为12.6%，计算压实度为0.84、0.87、0.90、0.93和 0.96 的土石混合体干密度为 1.64、1.70、1.76、1.81 和 1.87。

三轴压缩试验在应变控制式三轴压缩仪上开展，试样采用击实法制备，试样尺寸直径×高=101mm×200mm，试验围压为 100kPa、200kPa、300kPa 和 400kPa，试样采用真空抽气饱和与水头饱和联合的方式进行饱和，当试样上排水均匀流出清水时认为试样饱和完成，试样饱和后进行固结，固结完成标准为上、下排水管读数基本保持稳定，试样饱和后进行剪切，试样剪切速率为1mm/min，试样应变值达到15%时，试验结束。

渗透试验在常水头渗透试验仪上开展，试样采用击实法制备，试样尺寸直径×高=100mm×50mm，试样装填前先用黏土在仪器周边均匀涂抹一遍，防止水从土石混合体与仪器之间渗出。试样装填完成后，用蒸馏水将试样淹没浸泡5天后开展渗透试验，试验测记5次，取其平均值为试验结果。

三、试验结果与分析

1.抗剪强度

根据土工试验规程SL237-1999，取土石混合体应变值12%为其抗剪强度值，土石混合体抗剪强度与压实度关系曲线如图1所示，可以看出随压实度增大土石混合体抗剪强度逐渐增大，这是由于压实度越大，土石混合体结构越紧密，孔隙越小，土颗粒间相对滑动越不容易；土石混合体抗剪强度与压实度呈明显对数关系，可以拟合为：

图1 土石混合体抗剪强度与压实度关系曲线图

图2 土石混合体变形模量与压实度关系曲线图

图3 土石混合体渗透系数与压实度关系曲线图

式中：qf为土石混合体抗剪强度；A、B为试验参数，此次试验A=3112kPa、B=880kPa，m为土石混合体压实度，拟合曲线相关系数大于0.96，拟合效果良好。

2.变形模量

由图2可知，随压实度增大，土石混合体变形模量逐渐增大，这是由于土石混合体越密实，土体抵抗变形能力越强，在外荷作用下土石混合体越不容易发生变形；此外土石混合体越密实，土体与块石间接触越紧密，剪切过程中，土体与块石间微裂纹越不容易形成。土石混合体变形模量与压实度亦呈明显对数关系，可以拟合为：

式中：E为土石混合体变形模量；C、D为试验参数，此次试验C=213.2MPa、D=55.9MPa，m为土石混合体压实度，拟合曲线相关系数大于0.96，拟合效果良好。

3.渗透系数

由图3可知随土石混合体压实度增大，土石混合体渗透系数逐渐降低，这是由于土体越密实，土颗粒间空隙越小，土体渗流通道越小，渗流路径越长，此外土颗粒间距越小，土体分子间作用力越强，土体渗流阻力越明显。

土石混合体渗透系数与压实度呈幂函数关系，可以拟合为：

式中：k为土石混合体渗透系数；P、Q为试验参数，此次试验P=3E-6、Q=-30.6MPa，m为土石混合体压实度，拟合曲线相关系数为0.95。

四、结论

通过对压实度为 0.84、0.87、0.90、0.93和0.96的筑堤用土石混合体进行三轴压缩试验与渗透试验，研究了土石混合体抗剪强度、变形模量、渗透性与压实度的关系。结果表明，随压实度增大，土石混合体抗剪强度与变形模量增大，而渗透系数逐渐减小。土石混合体抗剪强度、变形模量与压实度关系式可通过对数函数进行拟合，渗透系数与压实度关系式可通过幂函数进行拟合，拟合相关系数均大于等于0.95，拟合效果良好，可供土石混合体筑堤设计与验收参考■