土石混合填料大型三轴剪切试验研究

景宏君 张延青 顾行文 凌华

摘要：为研究土石混合填料在不同土石混合比情况下的力学响应，以国道316旬阳至安康二级公路改建工程中的填石高路堤工程为依托，利用大型三轴剪切试验仪，在4种不同围压条件下，分别对土石混合质量比为3∶7和3∶2的试样进行固结不排水剪切试验。发现当土石混合比为3∶7时，在低围压（200 kPa）条件下，试样应力-应变曲线为应变硬化型，在高围压（400，600和800 kPa）条件下，试样应力-应变曲线在达到峰值应力后有所下降，表现为弱应变软化。在4种围压条件下，试样体应变均表现为随轴向应变先增大后减小，即试样先剪缩后剪胀，且表现为随着围压的增大，剪缩量不断增大，然后达到峰值，随后体应变减小，表现出剪胀趋势，且随着围压的增大，剪胀趋势减弱。当土石混合比为3∶2时，在4种围压条件下，试样应力-应变曲线均表现为应变硬化，无明显的峰值强度。试样体应变均随轴向应变增大而增大，即试样一直表现为剪缩，且围压越大，剪缩趋势越明显，剪缩量越大。体变速率 （dεv/dε1）能较好地反映试样变形特性和应力-应变特性。结果表明：土石混合比的变化对土石混合料剪胀性影响很大，对应力-应变特性的影响主要体现在加载后期。

关键词：土石混合料;大型三轴剪切试验;应力-应变关系;剪胀性;体变速率

中图分类号：TU 411文献标志码：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0213文章编号：1672-9315（2019）02-0270-06

0引言

在山区修筑道路，由于缺乏优良的路基填料，常选用隧道爆破或路堑开挖产生的弃渣。若单纯使用弃渣作为填料，则路基难以压实且稳定性差，因此往往利用弃渣与细粒土混合形成的土石混合体作为路基填料。土石混合体通常是指由具有一定工程尺度、强度较高的块石、细粒土及孔隙构成且具有一定含石量的极端不均匀松散岩土介质系统[1]。国内众多学者对土石混合体工程力学特性进行研究，并取得了一定成果。曹文贵等考虑含水量、含石量、岩性及土性等因素的影响，进行了一系列土石混填体大型三轴试验，研究土石混填体的变形力学特性[2]。丁自伟等利用改进的原位直剪试验装置，开展矿区典型岩土体力学特性研究[3]。宁金成等采用大型三轴试验研究了土石混合体的强度特性[4]。刘丽萍等为研究击实功、击实方法及等效处理法对土石混合料击实结果的影响，开展了一系列击实试验[5]。赵川等采用直剪试验对碎石土的抗剪强度与含石量、含水量等的关系进行了研究[6-8]。孙文君等采用大三轴试验研究了黄土与碎石混合体的力学性质[9]。王江营等开展一系列大型三轴剪切试验，研究了不同应力路径下土石混填体的变形力学特性[10]。金磊等为揭示块石含量和块石形状对胶结土石混合体力学特性的影响，开展了一系列室内大三轴试验研究[11]。闫云明等为研究粗粒含量对土石混合料抗剪强度的影响，对不同粗粒含量的土石混合料试样进行饱和固结排水三轴压缩试验[12]。舒志乐等采用大型三轴试验，研究了不同粒度分维不同围压下土石混合体的应力-应变特性、强度参数特征及峰值强度特征[13]。杨忠平等、詹永祥等基于大型直剪试验和离散元程序，研究了含石量变化对土石混合体抗剪强度的影响[14-15]。夏加国等进行大型三轴固结不排水剪切试验，研究了土石混合体在含超径颗粒情况下的力学响应[16]。王强等开展室内大型击实试验与数值模拟，研究不同块石质量分数及不同块石形状的软岩土石混合体的击实特性及其细观机理[17]。国外学者也对土石混合料的变形和强度特性做了较多研究，Zhang等开展三轴试验，研究了具有相同含石量但不同粒度分布的3种土石混合体的力学行为[18]。Shan等基于数字图像，提出了一种提出了一种土石混合体微观结构PFC2D模型的自动生成方法[19]。Li等、Xu等进行了一系列原位水平推剪试验，研究了土石混合体的强度特性[20]。

目前，通过试验和数值模拟手段对土石混合料的强度和变形等力学性状进行了许多研究。但由于土石混合料颗粒粒径变化较大，变形力学特性较为复杂，在用作路堤填料时，易出现施工困难、稳定性差等问题。因此，深入研究土石混合体变形力学特性，具有重要的理论与工程实际意义。文中以国道316旬阳至安康二级公路改建工程中的填石高路堤工程为依托，进行大型三轴固结不排水剪切试验，研究土石混合填料力学特性，为本项目工程及其他类似工程的稳定性分析提供参考。

1试验

1.1试验设备和试验材料

本次三轴剪切试验是在南京水利科学研究院的大型静力三轴仪（图1）上进行的，试样尺寸为300 mm×700 mm，最大限制粒径为60 mm.

试验材料取自国道316旬阳至安康二级公路改建工程中的填石高路堤工程，为黄土和绢云石英片岩的混合体。试验级配曲线如图2所示。

1.2试验过程

根据试验要求，按0～5，5～10，10～20，20～40，40～60 mm粒径档分5等份制备试样。将透水板置于试样底部，橡皮膜绑扎在底座上，之后安装成型筒，将橡皮膜外翻在成型筒上并在成型筒外抽气，使橡皮膜贴紧成型筒内壁。放入第1层试样并均匀铺平，根据试样要求的干容重采用振动器进行振实，振动器底板静压为14 kPa，振动频率为40 Hz.试样装好后，加上透水板和试样帽，扎紧橡皮膜，去掉成型筒（去掉成膜桶后的三轴试样如图3所示），安装围压室，打开围压室排气孔，向内注水，当有水从排气孔流出时，关闭排气孔，采用滴水饱和法使试样饱和。按要求对饱和试样施加围压，进行固结。固结完成后，进行试验。

重复上述过程分别进行围压为200，400，600和800 kPa状态下的试验研究。在试验过程中，计算机自动采集试样的轴向荷载、轴向变形和排水量，并同步绘制应力-应变曲线，直到试样破坏或达到轴向应变的15%.当应力-应变曲线有峰值时，将峰值点作为破坏点，其对应的主应力差（σ1-σ3）作为该试样的破坏强度，反之则取轴向应变的15%所对应的点为破坏点，对应的主应力差（σ1-σ3）为试样的破坏强度。剪切完成后的試样如图4所示。

2試验结果及分析

2.1应力-应变关系分析

图5为不同混合比试样在不同围条件下的大型三轴固结不排水剪切试验的偏应力-轴向应变关系曲线。

从图5可以看出：当土石混合比一定且轴向应变相同时，试样的偏应力随围压的增大而增大。土石混合比为3∶7的试样，当围压为200 kPa时，其偏应力-轴向应变曲线为应变硬化型，当围压为400，600和800 kPa时，其偏应力-轴向应变曲线表现为弱应变软化，且轴向应变未达到15%时，试样已破坏。土石混合比为3∶2的试样，在4种围压下，其偏应力-轴向应变曲线均表现为应变硬化。

土石混合比为3∶7的试样，其含石量较高，随着围压的增大，石料被压碎，导致偏应力-轴向应变曲线在达到峰值应力后有少许下降。土石混合比为3∶2的试样，其土料含量较高，颗粒不易被压碎。

2.2体应变分析

对于三轴排水剪切试验而言，试样的体应变是通过量测试样的排水量而得到的，而在不排水剪切条件下，通常认为试样体积不发生变化。但对于含石量较高的试样，由于在剪切过程中块石间存在滑动挤压、破碎和填充空隙等现象，试样同样存在剪胀和剪缩现象。

由图6可以看出：对于土石混合比为3∶7的情况，试样在4种围压下，体应变均表现为随轴向应变先增大后减小，说明试样先剪缩后剪胀，且围压越大，剪缩量越大，然后达到峰值，随后表现出剪胀趋势，且围压越大剪胀量越小，随着轴向荷载的不断增大，试样发生破坏。对于土石混合比为3∶2情况，试样在4种围压条件下，体应变均随轴向应变增大而增大，无明显的峰值强度，表明试样一直表现为剪缩，且围压越大，剪缩量越大。

为了更直观的表现试样的变形性状，引入体变速率 （dεv/dε1）。图7为体变速率随轴向应变关系曲线。体变速率为正表示剪缩，体变速率为负表示剪胀。

由图7可看出：对于土石混合比为3∶7的试样，在4种围压下，其体变速率均随着轴向应变的增大从某一正值先增大后减小为负值，随后又有略微增大但仍为负值，说明试样是先剪缩后剪胀。其曲线的最小值点基本对应于应变软化型曲线的峰值强度点。当围压一定时，随着轴向应变的增大，剪缩趋势逐渐减弱，剪缩量减小为0时，开始出现剪胀现象，随后剪胀趋势不断加强。当围压较低（200 kPa）时，在轴向应变较小（约5%）时开始出现剪胀现象，随着围压的增大，出现剪胀现象时的轴向应变随之增大。当轴向应变一定时，随着围压的增大，剪缩量不断增大，剪胀量不断减小。对于土石混合比为3∶2的试样，加载初期，其体变速率与混合比为3∶7的试样具有相同的趋势，即体变速率随着轴向应变的增大从某一正值先增大后减小，但最终并未减小为负值，说明试样一直表现为剪缩。应力-应变曲线为硬化型。当围压一定时，随着轴向应变的增大，剪缩量不断减小。当轴向应变一定时，随着围压的增大，剪缩量不断增大。可以明显看出，随着轴向应变的增大，土石混合比为3∶7的试样比土石混合比为3∶2的试样较早地发生破坏。

当土石混合比为3∶2时，试样土料含量较高，块石之间相互接触较少，加载初期，在围压作用下，细颗粒迅速调整位置，试样内部孔隙被压密，表现为剪缩。围压增大，试样被压密程度增加，剪缩量增大。随着试样不断被压密，剪缩量增大量逐渐减小，表现为剪缩趋势减弱。

当土石混合比为3∶7时，试样石料含量较高，块石间互相接触的机会增多，在围压作用下，块石快速调整位置，彼此间相互支撑形成不易破坏的骨架结构。当围压较低时，块石不易被压碎，骨架结构不会破坏，由于骨架结构的支撑作用，试样内部的孔隙不易被填充，因此，在加载初期细颗粒只填充部分孔隙，试样的剪缩量较小。随着轴向荷载的增大，细颗粒间出现滚动爬坡现象，试样开始表现出剪胀趋势，体应变减小。随着围压的增大，剪缩量不断增大，块石之间出现互相挤压现象，部分块石挤入其他块石之间，骨架结构破坏，试样表现出剪胀趋势。之后，围压再增大，块石间互相接触的部位出现应力集中，部分块石被压碎为细颗粒，而细颗粒迅速调整位置填充孔隙，致使试样密实，表现为围压增大，剪胀趋势减弱。

3结论

1）土石混合料的应力-应变关系与土和石所占比例及外荷载大小有很大关系。土石混合料中石料含量较高时，低围压下，其应力-应变曲线表现为应变硬化，高围压下，其应力-应变曲线表现为弱应变软化。土石混合料中土料含量较高时，其应力-应变曲线均表现为应变硬化;

2）土石混合料中土料和石料比例的变化对其剪胀性影响很大，当石料含量较高时，试样出现明显的剪胀现象，且剪胀量较大。相比土料含量较高的试样，石料含量较高的试样在轴向荷载较小时发生破坏;

3）体变速率能较好地反映体变变化和应力-应变关系。当体变速率从正值先增大后减小为负值，随后又有所增大但仍为负值，则体变为先剪缩后剪胀，应力-应变曲线为软化型，体变速率为0时，开始出现剪胀，体变速率达到最小值时，试样剪胀性最大，对应于应力-应变曲线的峰值强度。当体变速率从正值先增大后减小但仍为正值时，则体变表现为剪缩，应力-应变曲线为硬化型。

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