风干与饱和堆石料强度与变形特性试验研究

2019-06-07朱俊高袁荣宏

西安建筑科技大学学报（自然科学版） 2019年6期

陈鸽，朱俊高，袁荣宏，王龙

(1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏南京210098；2.河海大学岩土工程科学研究所，江苏南京210098；3.张家港市金厦房地产开发公司,江苏张家港 215600)

已有研究表明，土体的力学性质随其含水量变化较大[1-2]，风干及饱和状态是其两个极限状态[3]，而且，很多情况下，土工构筑物的土体是接近这两个极限状态的.比如，运行期的心墙堆石坝的上游坝壳基本处于饱和状态，而下游坝壳则可以认为处于风干状态；混凝土面板堆石坝的堆石体、山区机场的高填方体则基本处于风干状态.

理论上，要准确估计堆石体的强度或变形，必须进行相应状态(即干态或饱和态)土料的试验.但实际上目前对大型三轴试验，一般多为饱和料的试验[4-6]，而对大型直剪试验，则多对风干料进行试验.因此，在不少情况下，试验土料的含水状态与工程结构土体的实际状态不同，这种差异可能导致设计对结构工作性状预测的误差，从而引起结构的安全问题.因此，有必要弄清堆石料等粗粒土在风干或饱和状态下变形及强度特性的差异，为科学合理地设计堆石填方工程结构提供依据.

近年来，已有学者研究得出，在相同的孔隙比下，砂土风干样的摩擦角一般比饱和样测得的高2°左右[7-8]，且饱和样的初始模量较风干态有所下降[9].另外张智、屈智炯[10]、保华富[3]以及左永振等人[8]的研究表明处于风干态的粗粒土变形量较饱和态小，虽然两者的应力应变曲线具有相同的变化趋势，但是风干态土体的极值强度要高于饱和态.因此可看出，采用饱和状态的强度指标对非饱和区(主要是风干区)进行设计[9]，趋于保守.

上述研究得到的结论大多是定性的，堆石料风干样和饱和样的力学性质差别究竟有多大，尚无定量的结论.因此，定量研究堆石料风干和饱和状态下的力学特性不仅对于更好的了解堆石料的受力变形特性是有必要的，而且对于土石坝的设计具有一定的指导意义，有必要进行研究.此外，颗粒破碎是堆石料的显著特征，颗粒破碎能够进一步影响粗粒土的强度和变形性质，风干态及饱和态粗粒土的颗粒破碎规律有何差别，相关研究有待开展.

基于此，本文以两河口堆石料为例，对风干样和饱和样进行了三轴固结排水剪切试验，定性和定量地对比分析了风干样和饱和样在不同围压下的强度特性、变形特性以及颗粒破碎情况.

1 试验简介

本试验采用中型三轴仪，中三轴试样的直径为101 mm，高为200 mm，最大允许粒径为20 mm.试验采用的土料来自两河口堆石料，最大粒径为600 mm.采用混合法[11]进行缩尺：先用相似级配法控制小于5 mm粒径含量为30%，然后再用等量替代法对超粒径的颗粒进行处理.缩尺前后的级配曲线如图1所示.试样的制样干密度为2.10 g/cm3.

图1 颗粒级配曲线

试样制备采用分层击实法.即先将风干土料按照所需质量称量并分为五份，分5次填入制样筒，分层击实至试验控制高度，每次击实后需要对堆石料表面进行刮毛，以防出现分层.为防止堆石料由于击实产生离析，制样时每层还需预留少量细土撒于顶面.

本试验的目的是对比分析堆石料风干样和饱和样在相同受力条件下的强度及变形特性.因此试验共分为2组，分别对应于风干样和饱和样.所谓的风干样，是指试样在制备时采用风干土料，而且在固结和剪切过程中始终保持干燥状态；所谓饱和样，是利用风干土料制备成试样后对试样采用水头饱和法进行饱和，然后在固结和剪切过程中都保持为饱和状态.每组4个试样，分别在围压为200、500、1 000、1 500 kPa下进行固结排水(气)剪切试验，剪切速率取0.3 mm/min，剪切至轴向应变为15%时试验终止.

2 试验结果与分析

2.1 强度特性对比分析

根据试验数据整理出不同围压下风干样和饱和样的三轴固结排水(气)剪切试验偏应力与轴向应变的关系曲线，如图2所示.

图2可以看出，风干样和饱和样的应力应变关系有明显的差异.相同围压，相同轴向应变下风干样的偏应力大于饱和样，且两者的偏应力差值基本随着轴向应变的增大先增大后减小.为了定量比较二者的差异，图3绘制出了风干样及饱和样峰值偏应力(σ1-σ3)f随围压的变化曲线.

图2 三轴试验应力应变关系曲线

由图3可知，相同围压下，风干样峰值偏应力大于饱和样，这与左元明[9]得到的结论一致，这是由于试样浸水后粗颗粒土的物理性质发生了变化，水起到了润滑作用，使土颗粒间的摩擦力减小，导致试样的强度降低.在围压分别为200、500、1 000及1 500 kPa时，前者比后者高出423.5、721.5、1 078.6、1 139.9 kPa，浸水使峰值强度降低17%～26%，这与左元明所得到14%～42%的结论[9]稍有差异，分析原因可能是由于试样的物理性质及浸水时间有所不同.同时可以看出随着围压的增大，峰值偏应力的差值逐渐增大.

图3 不同围压下风干样和饱和样的峰值偏应力

另外值得注意的是两条曲线的斜率随着围压的增大是逐渐减小的，这主要是由于高围压下颗粒破碎加剧，影响了试样的级配进而影响到其力学性质.可用公式(1)来描述峰值偏应力与围压的关系.

(σ1-σ3)f=a(σ3/pa)n×pa

(1)

式中，(σ1-σ3)f为峰值偏应力，pa表示一个大气压，a，n为拟合参数，两种试样经拟合所得的参数结果列于表1.

表1 式(1)拟合参数

由表1可知，用幂函数对峰值偏应力与围压的关系进行拟合，R2可达到0.99以上，说明拟合效果很好.由拟合公式可知，若已知三轴试验的围压、试样的拟合参数a、n，便可估算出峰值偏应力值.

为了验证此结论，对文献[12]中的峰值偏应力与围压的关系进行了整理，如表2.使用公式(1)进行拟合，计算所得参数a、n值分别为6.331、0.847，R2达到0.99以上，说明拟合效果良好.

表2 文献[12]数据

另外，依据试验结果，整理出风干样和饱和样CD试验的抗剪强度指标，如表3所示.在围压较低时，强度包线近似直线，随着围压的增大，强度包线呈现非线性特征[7].

表3 抗剪强度指标

表3可以看出线性的抗剪强度指标中，风干样的粘聚力比饱和样高出91.95 kPa，且前者的内摩擦角高出后者2.72°，说明土体浸水饱和后强度有所降低.非线性抗剪强度指标中，风干样的φ0值同样比饱和样高，Δφ为一参数，反映了φ随σ3的增大而降低的程度.

为了更直观地对比风干样及饱和样的强度指标，进一步计算出两者在不同围压下对应的内摩擦角，如表4.

由表4可得随着围压的增大，试样的内摩擦角逐渐减小.相同围压下，风干样的内摩擦角比饱和样大3～5°.在文献[9]中可以得到饱和样的内摩擦角为45°，风干样的内摩擦角为47.5°，两者相差2.5°，本文差值相对较大，这是由于文献[9]所采用的试样为砂土，与文献[7-8]所用材料相似，因此结论一致，而本文使用的是粒径更大的粗粒土.

表4 不同围压下的内摩擦角

另外随着围压的增大，饱和样和风干样的内摩擦角差值逐渐减小，说明在高围压下，土样的干湿状态对土体内摩擦角的影响逐渐减小，围压的影响作用逐渐增大.该差值与围压的关系可用式(2)来描述，拟合曲线如图4，相关系数R2达到0.99以上，拟合效果良好.

图4 内摩擦角差值与围压的关系

Δφ′=b×(σ3/pa)m

(2)

式中:Δφ′表示风干样与饱和样的内摩擦角差值，b和m是拟合参数，分别为2.527、-0.173，且b的量纲与内摩擦角一致.

2.2 变形特性对比分析

由于饱和样的颗粒之间被水润滑以及颗粒矿物浸水软化而使颗粒发生相互滑移、破碎和重新排列，从而产生变形，并使土体中的应力发生重分布，因此饱和样的变形特性与风干样有所差异.

根据试验数据绘制出风干样和饱和样的三轴剪切试验试样的体积应变和轴向应变的关系曲线，如图5.

由图5可得：几组曲线在轴向应变较小时出现剪缩现象.随着轴向应变的增大，低围压(200 kPa)下的试样开始出现剪胀，高围压下的试样则一直保持剪缩状态.这可能是由于高围压使土颗粒破碎，细粒增多，从而填充孔隙，使试样体积减小.

试样剪胀剪缩的拐点随着围压的增加而增加.比较图2和图5可得：体变曲线和偏应力曲线的拐点对应的应变是不同的，体变的拐点要先于偏应力，如当围压为500 kPa时，体变曲线在轴向应变为5%左右开始出现拐点，而偏应力曲线则在轴向应变大概为8%时出现拐点.这说明在颗粒翻滚出现体积变化的最初阶段，土体强度因颗粒咬合作用的存在仍继续发展，继而达到峰值.

图5 体积应变与轴向应变关系曲线

同时由图5可以得出，相同围压下，随着轴向应变的增大，风干样的剪胀剪缩拐点都先于饱和样出现，例如在围压为500 kPa时，风干样的剪缩曲线拐点在轴向应变为4%时出现，而饱和样则在轴向应变为7%时出现拐点，其它围压下亦有此现象出现，此处不再赘述.且同一轴向应变对应的风干样体积应变要小于饱和样，说明土体浸水饱和后结构更易破坏，颗粒更易变形.

图6为风干样和饱和样的侧向应变和轴向应变的关系曲线.

图6 侧向应变与轴向应变关系曲线

由图6可得：几组曲线在初始阶段呈现出较明显的非线性状态，随后逐渐呈现出较好的线性关系.低围压下泊松比大于0.5，土体处于剪胀状态.围压越大，同一轴向应变对应的侧向应变越小，如在轴向应变为12%时，200 kPa的围压对应的风干样侧向应变大概为8%，500 kPa的围压对应的风干样侧向应变大概为6%，这是由于高围压限制了土体的侧向应变，使土体强度提高.

在应变的初始阶段，同一轴向应变对应的风干样和饱和样的侧向应变相差不大，说明此时干湿状态对变形的影响较小，随着轴向应变的增加，风干样和饱和样的侧向应变出现分化现象，且风干样的侧向应变比饱和样的低，这与两者体积应变的变化规律一致.

2.3 颗粒破碎对比分析

研究表明，在高围压状态下，堆石料发生较大程度的颗粒破碎，颗粒破碎进而又对堆石料的强度变形特性产生影响.比如变形方面，颗粒破碎和重排列所产生的体缩抵消了部分甚至是全部的体胀，使得总体变呈现出弱剪胀甚至是无剪胀的规律.基于此，本节将重点关注风干样和饱和样在颗粒破碎性质方面的异同点.

根据试验数据，绘制出风干样和饱和样的颗粒破碎级配曲线，分别如图7和图8所示.

一般采用描述破碎的量化指标来反映颗粒破碎的真实情况，本文采用了Marsel[14]的破碎率Bg方法来进行颗粒破碎的量化研究.若用ΔW0k和ΔWk分别表示试验前后某个粒组的含量，则该粒组含量的变化量为(ΔWk-ΔW0k)，Marsal对Bg的原始定义为所有(ΔWk-ΔW0k)的正值之和.风干态和饱和态粗粒土在不同围压下的颗粒破碎量及破碎指标Bg如表5所示.

图7 风干样的颗粒破碎级配曲线

图8 饱和样的颗粒破碎级配曲线

表5 颗粒破碎量及破碎率Bg

根据表5，对风干样和饱和样在不同围压下的颗粒破碎指标Bg进行拟合可得图9.

图9 不同围压下风干样和饱和样的颗粒破碎率

由图9可知：试样颗粒破碎率与围压具有良好的线性相关性，颗粒破碎指标与围压的关系采用下列式(3)进行拟合：

Bg=C(σ3/pa)+D

(3)

式中：σ3、pa分别表示试验围压和大气压，C、D为拟合参数，C表示直线的斜率，也就是颗粒破碎指标的增长趋势，D表示纵坐标的截距，理论意义是围压为0时的颗粒破碎值.对于风干样，C、D值分别为1.436和7.974，R2可达0.972，对于饱和样，C、D值分别为1.506和9.658，R2可达0.973.公式(3)表明随着围压的增大，颗粒破碎率不断增大，这显然是不可能的，在颗粒破碎到一定程度后便不再破碎[15]，本文对此并未做深入研究.

从表5和图9中都可得出在同一围压下，风干样的颗粒破碎率比饱和样的平均低2.24%，这与姚世恩[16]所得相同应力水平下干样颗粒破碎率小于湿样颗粒破碎率的结论相似.表明在饱和过程中，粗粒土被水浸润，会使粗粒土强度降低，尤其对于大粒径的颗粒本身颗粒就存在爆破缺陷，水的进入会导致缺陷进一步扩展，导致强度下降很多，在试样剪切过程中就更容易发生破碎.