不同砾石含量土石混合料的压密性质研究

温石磊 陈筱竹 王琛

文章为了研究不同砾石含量下土石混合料的压实性质：密度、孔隙比和沉降量的变化，利用改装后的蠕变仪分别对砾石含量为0～100 %，含量间隔为10 %的土石混合料进行了静压试验。试验结果表明：土石混合料的孔隙比小于黏土和砾石的孔隙比，其干密度大于黏土和砾石的干密度;砾石含量为70 %左右时，土石混合料压密前后的干密度均达最大值，孔隙比达最小值，最终沉降量达最小值;在砾石中孔隙完全由黏土体积填充时，砾石-黏土的二元混合物存在理论最小孔隙比，随着法向压力的增大，土石混合料的孔隙比趋近于这一最小值;在法向压力400 kPa下，砾石含量为71 %时达到最小孔隙比，与试验中砾石含量为70 %时孔隙比最小具有一致性。

土石混合料; 砾石含量; 压密; 干密度; 孔隙比

TU 521   A

[定稿日期]2021-08-02

[作者简介]温石磊（1996～），男，在读硕士，研究方向为粗粒土的工程性质。

土石混合料是一种由粗颗粒与细颗粒组成的二元混合物，分布和应用广泛。不同分布与应用的土石混合料的粗颗粒含量是不同的，其中粗颗粒含量变化范围可认为是0～100 %。例如：作为高土石坝心墙防渗料的砾石土，大于5 mm的砾石含量不应大于50 %，一般控制在20 %～50 %[1-2];三峡库区多个滑坡的滑带土粗颗粒含量从8 %～45 %不等[3];崩积体砾石含量最高可达90 %[4]。

不同砾石含量的土石混合料会呈现出不同的物理力学性质。在土石混合料的密实程度方面，砾石含量对土石混合料最大干密度影响大，在工程建设中需分析砾石含量对土石混合料最大干密度的影响，以保证土石混填路基的质量。

近年来，许多学者开展了关于粗颗粒含量对土石混合料的密度等方面的研究。胡华昌[5]分别采用相似级配法、剔除法与等量替代法对同种土石混合料进行了处理，通过试验指出采用相似级配法处理的土石混合料的最大干密度和最优含水率高于剔除法与等量替代法处理的级配料，探讨了缩尺方法对土石混合料最大干密度的影响。王团结[6]在不考虑含水率时假定粗细颗粒密度相等，通过以孔隙率作为压实质量的量化评价指标的模拟试验指出孔隙率随着颗粒最大粒径和粗颗粒相对含量增大而减小，同时随着孔隙率的减小，土石混合料干密度线性减小。曹光栩等[7]指出土石混合填料中石料含量达到70 %～80 %时，填料的密度达最大值，并且表现出较小的压缩性。廖秋林[8]指出虽然土石混合料压密主要是土体的压密，但是块石等粗颗粒直接影响其压密效果，在无侧限条件下，通过试验发现块石等粗颗粒与土体并无胶结，在土石混合料中块石等粗颗粒形成骨架结构是土石混合料的一个重要的力学性质。Vallejo和Mawby[9]通过试验证明了孔隙率对粗细颗粒混合料的抗剪强度的影响，指出了孔隙率的大小是由粗细颗粒的相对含量决定的，并在粗颗粒达到76 %左右时趋向于一个理论最小孔隙率。

本文主要研究土石混合料在静压条件下的压密性质，研制压密容器并改装蠕变三轴仪作为静压加载系统，对0～100 %砾石含量的土石混合料采用砝码加载的方式进行压密试验。分析土石混合料在静压过程中砾石含量Pg与干密度ρd、孔隙比e、最终沉降量s间的关系。

1 土石混合料静压试验

1.1 试验土料

试验土料为两河口高心墙堆石坝的心墙防渗料，由黏土与灰色板岩砾石共同组成，砾石粒径dg>2 mm，黏土粒径dc<2 mm，板岩相对密度Gg=2.75。参照两河口心墙料砾平均线拟定试验砾石级配曲线，原土料最大粒径Dmax=100 mm，为满足径径比n≤5的要求，试验土料最大粒径应为dmax=20 mm，故对原级配曲线进行缩尺处理。首先采用相似级配法，得到处理后的级配曲线如图1。在对原级配缩尺2.5倍后，最大粒径由100 mm变为40 mm，此时仍不满足径径比n≤5的要求，故对处理后的级配曲线再进行剔除法处理，得到最终的试验砾石级配曲线，其中中砾占79.02 %，细砾20.98 %，不均匀系数Cu=3.75，曲率系数Cc=1.1，分类定名为级配不良砾GP，级配曲线如图1所示。

黏土相对密度GS=2.70，最大粒径2 mm，其中砂粒占7.4 %，粉粒占67.1 %，黏粒占25.5 %。采用液限塑限联合测定法得黏土液限wl=44.3 %，塑限wp=26.3 %，塑性指数Ip=18.0，分类定名为低液限黏土CL，级配曲线如图2所示。试验共分为11组，砾石含量依次为0～100 %，11组试验土样级配见图3。

1.2 试验仪器

试验仪器由蠕变三轴仪改装而成，分为加载系统、压力容器系统和测量系统3个部分。加载系统采用杠杆施加砝码来实现长期的轴向稳压加载，其中杠杆动力臂比阻力臂为12。压力容器系统为内径200 mm、内部高度110 mm、厚度10 mm的钢桶与一个可拆卸提手的的盖板组成，盖板厚度为10 mm，以盖板中心为圆心，半径50 mm与100 mm处开有两圈小孔，内圈4个，外圈8个，开孔用于试样饱和与排水。位移测量采用百分表，总荷载为盖板上覆荷载与砝码施加荷载的12倍之和。

利用改裝后的蠕变仪和固结容器分别对不同砾石含量的土石混合料进行了静压试验。采用分级加载方式分4级加载，依次为100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa。试验共分为11组，砾石含量为0～100 %，以10 %砾石含量为间隔制样。

对于砾石含量Pg在60 %～100 %的试验组，在钢桶内缓慢放入试验土料并加水饱和;对于砾石含量Pg在0～40 %的试验组，采用真空饱和法进行饱和，两种方法进行试样饱和后，在试样表面罩上一层土工布，再加上盖板即可进行加载。根据每级加载试验前后百分表读数差值得出试样每级的沉降量，计算孔隙比变化值与加载后的试样干密度。

2 试验结果及其分析

2.1 干密度

根据表1所示试验结果结合图4、图5可知：（1）Pg=80 %时最终沉降量s最小，Pg=70 %时压密前干密度ρ1与压密后干密度ρ2最大，同时土石混合料的孔隙比e达到最小值;（2）土石混合料的孔隙比e小于纯黏土或纯砾石的孔隙比，土石混合料的干密度大于纯黏土或纯砾石的干密度。

2.2 理论最小孔隙比

Vallejo和Mawby[9]通过纯黏土与纯砂的二元混合物的压实试验指出随着压实度的增加，黏-砂土混合物将趋向于理论最小孔隙比emin，该理论最小孔隙比在砂中孔隙刚好完全由黏土体积填充时达到。结合上述理论与本次试验结果，由图6可知，随着法相压力的增大，孔隙比e在逐渐减小，11组试样在砾石含量70 %附近时达到最小孔隙比，并随着法向压力的增大趋近于一个理论最小孔隙比emin，此时，混合物处于砾石间空隙完全由黏土填充的状态。该状态下理论最小孔隙比可由纯黏土的孔隙比与纯砾石的孔隙比计算得出：

emin=VvcVc+Vg=eg·eceg+ec+1（1）

式中：Vvc为孔隙体积，Vg为砾石体积，Vc为黏土体积，eg为纯砾石孔隙比，ec为纯黏土孔隙比。

当混合物达到最小孔隙比时，砾石与黏土的相对含量为：

MgMc=VgρgVcρg=ec+1ρgegρC（2）

式中：Mg为砾石质量，Mc为黏土质量，ρg为砾石密度，ρc为黏土密度。

当法向压力为400 kPa时，将纯砾石的孔隙比eg=0.70与纯黏土的孔隙比ec=0.68代入式（1）、式（2）得到当砾石含量wg=71 %时，土石混合料能达到的理论最小孔隙比为emin=0.20，而试验所得的最小孔隙比为0.3，分析误差原因为：①人为因素造成土石混合料混合不够均匀;②由图6可知，要达到混合物的理论最小孔隙比要求粗颗粒间孔隙刚好完全由细颗粒填充，而在实际试验中，由于砾石粒径大小形态不同，当砾石含量逐渐增大形成骨架后会在混合物中生成许多大小形状各异的封闭孔隙，故试验中，很难达到在同一时刻黏土颗粒刚好完全填充所有砾石间孔隙的状态;③试验中没有单独考虑颗粒破碎造成的孔隙比大小的改变;④试验中没有单独考虑颗粒破碎造成的孔隙比大小的改变。

3 结论

采用静压方法对以10 %砾石含量为间隔的砾石含量为0～100 %的土石混合料进行了试验，分析了土石混合料在静压过程中砾石含量Pg与干密度ρd、孔隙比e、最终沉降量s间的关系，并基于二元混合物填充理论进行了探讨。主要结论如下：

（1）土石混合料的孔隙比小于黏土和砾石的孔隙比，土石混合料的干密度大于黏土和砾石的干密度。

（2）砾石含量为70 %左右时，土石混合料压密前干密度与压密后干密度均达最大值，孔隙比达最小值，最终沉降量达最小值。

（3）在砾石中孔隙完全由黏土体积填充时，砾石-黏土的二元混合物存在理论最小孔隙比，随着法向压力的增大，土石混合料的孔隙比趋近于这一最小值;在法向压力400 kPa下，砾石含量为71 %时达到最小孔隙比，与试验中砾石含量为70 %时孔隙比最小具有一致性。

参考文献

[1] 胡金山， 凡亚， 闵勇章， 等. 超高砾石土石心墙坝防渗土料勘察与确定方法——以长河坝水电站为例[C]// 高坝建设与运行管理的技术进展——中国大坝协会学术年会. 2014.

[2] 任金明. 土石坝心墙宽级配砾质土质量控制方法研究[D]. 大连： 大连理工大学， 2002.

[3] 易庆林， 赵能浩， 孟召平， 等. 三峡库区某滑坡滑带土剪切变形特性及控滑机理[J]. 土木建筑与环境工程， 2014， 36（5）： 125-130.

[4] 詹振芝， 黄炎和， 蒋芳市， 等. 砾石含量及粒径对崩岗崩积體渗透特性的影响[J]. 水土保持学报， 2017， 31（3）： 85-90+95.

[5] 胡华昌. 缩尺方法对土石混合料力学性质的影响[J]. 水利规划与设计， 2017（2）： 97-99.

[6] 王团结. 基于三维离散元的土石混合料振动压实特性研究[D]. 郑州： 郑州大学， 2015.

[7] 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.

[8] 廖秋林， 李晓， 李守定. 土石混合体重塑样制备及其压密特征与力学特性分析[J]. 工程地质学报， 2010， 18（3）： 385-391.

[9] Luis E， Vallejo， et al Porosity influence on the shear strength of granular material–clay mixtures[J]. Engineering Geology， 2000， 58（2）： 125-136.

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