压实度对中风化泥质页岩-粉质黏土混合料力学特性影响试验研究

2021-10-13郭娜娜张乙彬

黑龙江交通科技 2021年9期

龚辉，郭娜娜，张乙彬

(1.贵州桥梁建设研究院有限公司，贵州贵阳 550000；2.贵州桥梁建设集团有限责任公司，贵州贵阳 550000)

1 引言

土石混合料是由土和岩块(碎石)组成的复合体。混合料中土的种类不同，岩块的种类及含量不同，相应强度和变形特征亦不同。其强度参数不仅取决于土料和石料本身的强度，还受混合料的空隙压密、粗颗粒的接触状态、细粒的含水量等众多因素有关，但各因素的影响机制目前并未有统一的结论，所以目前还没有一种理论系统的阐述土石混合料的力学性质。

施工现场对填方工程质量控制主要以压实度这一指标来定量，以西南地区粉质黏土为细料，粗集料成分为中风化泥质页岩经人工拌合而成的混合料为研究对象，先进行室内大型击实试验以模拟达到现场不同的压实度后进行室内大型直剪试验，以研究压实度对混合料整体力学特性的影响。

2 试验方案

本次室内大型击实仪主要由三大部分：击实系统、转动系统、升举和横移系统。根据《水电水利工程粗粒土试验规程》DL/T 5356-2006对原有的普氏击实仪进行了扩容而成，具体参数见表1，实景图见图1。击实及剪切试验时采用的细料含水量为最优含水量20%、含石率为50%、粗集料最大粒径120 mm，级配按各料组均匀配制的原则进行试验制备。

通过不同锤击数激发不同击实功对应不同压实度的方法进行击实度分别为91.8%、94%、97%、100%四个压实度级别进行击实后将击实仪直接平移到剪切仪上，将击实筒上下部分的连接插销拨出即可进行大型直剪试验，见图2。室内大型直剪试验采用的法向压力分别取90 kPa、190 kPa、390 kPa。

表1 自行研制的大型击实仪各参数

3 剪切力学特性

3.1 剪应力-位移分析

图1 土石混合体剪切应力-位移曲线

图1显示了中风化泥质页岩-粉质黏土混合料中不同压实度相同法向应力作用下的剪切应力位移曲线，从图1可见，压实度越高，相同位移对应的剪切应力越大。但是在剪切后期，压实度越高，应变软化越明显。其原因主要是：密实度越高，大小块体间填充越密实，块与块之间嵌固咬合力和摩擦力越大，在剪切力作用下，剪切带内颗粒发生移动或滚动，在移动或滚动完成后，嵌固咬合力迅速降低甚至消失，形成了应变软化现象。相反，密实度较低时，剪切过程呈剪缩规律，密实度越剪越高，剪应力-位移曲线呈现应变硬化，没有明显的峰值强度。

3.2 剪切强度分析

根据莫尔库化强度准则线性拟合到抗剪强度参数见表2，其随压实度的变化趋势见图2，从图2中可见压实度越高，块石间嵌固力越明显，所得混合料粘聚力越大。但是压实度增加，块石间的嵌固力增加，使得大部分岩块在剪切过程中均处于翻越的运动状态，平移和滚动较少，压实度越高，对应试验得到的混合料宏观内摩擦角越小，而宏观表现出现的嵌固特性(粘聚力越大)。

表2 不同压实度土石混合体剪切强度

图2 强度参数与压实度关系

3.3 粗集料的细观运动规律与宏观抗剪强度指标关系探讨

土石混合料中的岩块在剪切过程中无外乎三种运动方式：滑移、滚动、翻越。当然这是在岩块在剪切过程中不发生剪碎的前提下的几种方式。基中普遍认为，翻越产生的剪切阻力在宏观上主要表现为类似于细料粘聚力c，而滑动与滚动产生的剪阻力在宏观上则表现为内摩擦角φ，随着剪切过程的进行，粘聚力c和内摩擦角φ势比发生变化

τ(σn,x)=σntan(φ(x))+c(x)

(1)

式中：τ(σn,x)为剪切位移为x时，法向应力为σn对应的剪切应力，取其峰值作用剪切强度值，kPa；σn为剪切面上的法向应力，kPa；φ(x)为剪切位移为x时的内摩擦角分量，最大值记为φmax；c(x)为剪切位多为x时的粘聚力分量，最大值记为cmax；

由式1可以看出，若能获得剪切位移为x时的一系列不同法向应力σn对应的剪切应力τ(σn,x)，并对τ(σn,x)-σn进行线性回归，即可得到对应的φ(x)和c(x)，进而掌握φ(x)和c(x)随着剪切位移的变化规律。但是本文的剪切试验是采用应力控制，所以不同法向应力σn的剪切位移互不相同，为此在数据分析之前进行线性插值得到同一剪切位移x时的一系列不同法向应力σn对应的剪切应力τ(σn,x)。

图3为不同压实度混合料剪切过程中的内摩擦角发挥情况，压实度为91.8%和94%的混合料内摩擦角发挥过程基本一致，均呈双曲线型，在剪切位移达到45 mm时内摩擦角达到峰值，随后有细微的软化，当压实度提升到97%时，剪切位移才21 mm时内摩擦角已达到峰值，随后内摩擦角基本保证不变至40 mm后发生细微的软化。而当压实度为100%时，内摩擦角一开始即急剧增长，随后发生骤降，发生起伏。未出现前述的双曲线型发展趋势。