细料含水量对红砂岩-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。

为系统研究细料含水量对土石混合料力学特性的影响，以西南地区红砂岩-粉质黏土混合料为研究对象进行室大型直剪试验，以研究细料含水量对混合料整体力学特性的影响。

2 试验方案

本次室内大型直剪仪的剪切盒直径定为560 mm，剪切盒高度为500 mm。根据试样尺寸与试样最大粒径之间的合理关系：D/dmax=8～12，可试验的粗粒土最大粒径为40～80 mm。

考虑细粒含水量对剪切力学特性的影响，其他试验参数保持不变含石量P5=50%，含石最大粒径dmax=120 mm，配制采用的细料干ρd=1.52 g/cm3，而细料含水量W细变化为：8%风干样、20%(最优含水量)、30%(液限)，40%浸水状态。每一个含水量的土样做四4个室内大型直剪，法向压力分别取90 kPa、190 kPa、390 kPa、490 kPa，配置过程中细料直接取自现场风干样，粗集粒中5～10 mm粒组、10～20 mm粒组、20～40 mm粒组、40～60 mm粒组、60～80 mm粒组、80～100 mm粒组和>100 mm粒组均按细粒干质量的14.29%配制。

3 剪切力学特性

3.1 剪应力-位移分析

不同细料含石量及不同法向应力条件下土石混合体剪应力-剪切位移曲线如图1所示。为了研究细料含水量的影响，本次进行了同一含石量(50%)的对比性试验。当含石量较小时，剪切主要发生了细料中，而含石量较高时，水分主要是赋存于细料中，也显示不出影响规律，所以本课题选取含石量为50%时的混合料进行对比试验分析。图1显示了红砂岩-粉质粘土混合料中粉质粘土含水量对混合料剪切应力发挥的影响规律，从图上可看出，含水量的影响极其明显，含水量越高，相同位移对应的剪切应力越小。当细料作为粗集料间的填充物时，细料含水量增加，会“润滑”粗集料间的接触界面，而当粗集料作为悬浮物夹杂在细料中时，细料含水量增加在减少细料强度的同时，也削减了细料对粗集料的“包裹力”使得剪切带中和附近的粗集料易于发生滑动、滚动。

图1 土石混合体剪切应力-位移曲线

3.2 剪切强度分析

表1 不同含水量土石混合体剪切强度

根据莫尔库化强度准则线性拟合到抗剪强度参数(表1)，并将其随细料含水量的变化趋势绘于图2，可见摩擦角及粘聚力都随细料含水量的增高而被不同程度的削弱，但规律略有不同，内摩擦角在含水量从8%～22%区间内削弱相对较慢，而22%～40%加剧削弱；而粘聚力则在细料状态由风干状态增湿到液限状态这一区间内急剧线性削弱，而当含水量达到液限后粘聚力随含水量的衰减已可忽略。

图2 强度参数与含水量关系

3.3 剪切破坏面分析

四种细料含水量对应的剪切后的剪切破坏面，当细料为风干样(含水量8%)剪切过程剪切面均发生了“绕石”现象，并未发生“切石”的情况，整个剪切面凹凸不平。当细料含水量为最优含水量时，剪切过程剪切面发生了“切石”现象，并且剪碎位置不限于靠近剪切环的位置，在试样中间也发生大面积的剪碎。当细料含水量为液限时，红砂岩在法向加压过程中“吸食”了土体中部分的水分，红砂岩颗粒间的泥质胶结力因水分的进入发生“软化”，在剪切面附近的红砂岩呈土块状崩解。