宽级配粗粒土压缩变形特性试验研究

2022-01-17朱维伟沈兴刚

水利与建筑工程学报 2021年6期

杜俊，朱维伟，沈兴刚

(昆明学院建筑工程学院，云南昆明 650214)

近些年来，水库大坝建设高度不断增加，由于土石坝具有适应不同的坝址条件、就地取材、结构简单、便于施工等优点，已成为高坝建设中的主要坝型[1]。广泛应用于筑坝填料的粗粒土是一类粒径相差悬殊的宽级配砾石土，其颗粒组成极为分散、粗细颗粒占比变化较大，工后沉降变形一直是影响坝体安全运行的关键问题[2-4]。实践证明，粗粒土工程特性很大程度上受粗细颗粒占比控制，土体所表征的各种变形和强度特征均是颗粒结构体系演化所形成的，其复杂性导致了土体工程力学特性的模糊性和不确定性。

粗粒土中粗颗粒排列紧密且相互接触形成骨架，细颗粒随机填充于骨架的孔隙中，土中孔隙结构的变化是影响粗粒土力学性质的主要原因[5-8]。Miller等[9]最早开展了不同粗粒含量土石混合体的三轴压缩试验，并指出粗颗粒含量增加到50%～70%，土体的内摩擦角增加较大，且黏聚力随之降低。赵明华等[10]采用室内大型直剪仪研究表明，级配良好条件下，随着土体中颗粒不均匀程度的增大，土体的抗剪强度先增大后减小，且土体级配的连续性对抗剪强度影响较小，在诸多影响因素中，含石量是影响土体抗剪强度特性最主要的因素。唐建一等[11]采用大型单剪仪对21组土石混合体进行试验，得出土体的孔隙比对其抗剪强度有影响，且随着土体中含石量的增加，土石混合体中的结构形式及主导颗粒也相应的发生变化。Mokwa等[12]对14种不同级配粗粒土开展渗透试验，研究表明孔隙的变化及其孔隙结构特征是影响土体渗透特性的关键。陈志波等[13]采用击实试验研究了宽级配砾质土随粗料含量变化的悬浮-密实、密实-骨架和骨架-空隙3种不同结构，以及掺砾量对土体最大干密度和颗粒破碎的影响。冯瑞玲等[14]采用表面振动压实试验分析了土样级配特性对粗粒土压实效果的影响，建立了粗粒土最大干密度与级配特征之间的经验方程。崔凯等[15]采用粗粒土固结仪对川西地区混合土进行试验，并指出粗颗粒含量与矿物成分对土体压缩性有影响，且粗粒含量增大，土体难以被压缩，富含高岭石的混合土承压特性较强。虽然，国内外学者围绕粗粒土土体结构对其力学性质影响开展了丰富的试验和理论研究，主要集中在粗粒土的强度特性，对粗粒土压缩变形研究相对较少。作为一种广泛应用于填筑工程的土料，粗粒土压缩特性也是实践应用中非常重要的一个力学性质，因此开展粗粒土的压缩变形研究是十分必要的。其次，对于宽级配粗粒土土体结构特征、填筑密度、含水率等因素对土体压缩特性的影响机理也尚不明确，有待进行深入研究。

综上，粗粒土是碎散颗粒的集合体，级配特征是影响其结构特性的主要因素，对于不同的土体结构，即使压缩变形中土体孔隙变化相同，土体的相对密实状态与承载特性也各不相同。因此，为了分析粗粒土结构特征对其压缩变形与承载特性的影响，本研究综合填筑密度与含水率的变化，设计不同粗粒含量土体的侧限压缩试验，探究土体结构演变对其压缩特性的影响规律及其形成机理，以期为该类土料在筑坝工程实践应用中提供科学的指导。

1 粗粒土侧限压缩试验

1.1 试验仪器

试验采用昆明学院岩土工程试验中心的YS50-4A大型粗粒土压缩试验机，见图1。仪器采用浮环式试样筒，液压油缸加载，专用电液比例伺服阀稳定固结压力，压力稳定精度±0.5%F.S，拉拔式位移计测定试样沉降量，位移计分度值0.01 mm，试验测试数据由计算机自动采集与存储。本仪器尺寸Φ504.6 mm×300 mm，可测定最大粒径60 mm，应力水平为3.5 MPa，总荷载700 kN的粗粒土压缩特性指标。

图1 粗粒土侧限压缩试验机

1.2 试验材料与级配设计

试验材料取自云南临沧大桥坡水库筑坝堆石料，该土料为一种人工爆破和加工的碎石料，其母岩为弱风化花岗岩，岩石平均饱和单轴抗压强度50 MPa，软化系数0.79，比重2.70。为满足室内压缩机填料需求(仪器高度与试样最大粒径之比4～6)，依据《土工试验方法标准》[16](GB/T 50123—2019)，对现场土体级配按等量替代法进行缩尺处理，颗粒最大粒径60 mm。为研究宽级配粗粒土由于粗颗粒含量引起的土体结构特征变化进而对土体压缩特性的影响，在级配缩尺后，依据粗粒含量P5(土样中大于5 mm的颗粒质量百分数)[17]，设计4个试验级配，分别取P5为：20%、40%、60%、80%。上述试验土样级配曲线见图2。

图2 试验土样颗粒级配累计曲线

1.3 试验方案设计与实现

经测定试验土样最大干密度2.03 g/cm3、最优含水率4.3%。为了探究粗粒含量P5、填筑密度ρ、含水率ω对粗粒土压缩特性的影响规律，以标准击实试验得到的土样物理指标为控制条件，分别设计土样压缩试验密度2.12 g/cm3、1.94 g/cm3，含水率4.3%、3.1%，并结合前文确定的土样级配条件，制备16组压缩试验土样。试验方案设计见表1。

表1 粗粒土固结试验参数

试验时对土样进行风干、筛分，依据级配与含水率制备土样，待土样装入仪器后，启动试验机对土样预加3 kPa～5 kPa压力，再架设位移传感器，并将位移计清零。试验中，竖向荷载按50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa、1 600 kPa逐级加载，每级压力下土样变形每小时变化不大于0.05 mm时，视为土样压缩稳定，即可施加下一级压力，直至预设加载过程完成。

2 试验结果与分析

2.1 粗粒土压缩变形性质

表2是各试验土样加载压缩稳定后的变形量。图3是10#土样分级加载变形随时间累积的s-t曲线，其余土样与其相似。

表2 土样分级加载压缩稳定变形量

由图3可知，土样压缩变形s-t曲线呈“阶梯状”变化。随时间与荷载的逐渐增加，土样总的压缩变形量增大。这是由于，粗粒土多呈单粒结构，随荷载的逐级增加，土颗粒间产生相对的滑移与滚动，直至达到比较密实、稳定的位置。这个过程中，压应力小，土的压缩变形不显著，其原因是土颗粒刚度较大，竖向受力后，颗粒间的相互运动微弱，而压应力增大，外力对土颗粒的做功增强，颗粒间的相对滑动剧烈，且当应力超过土颗粒强度极限时，颗粒间还将产生相互的挤压破碎，破碎的岩屑进一步填充于大颗粒孔隙中，累积变形量增加，使得土样更加密实。

图3 土样(10#)分级加载的s-t累积曲线

为进一步分析土样的压缩变形过程，以初始孔隙比0.313的四个土样(3#、7#、11#、15#)为例，分析土样有效压应力增量与垂直应变增量之比，即压缩模量Es的变化过程，见图4。由图4可知，随竖向应力的增加，土的压缩模量Es的增大速率逐渐减缓。可以认为，土体在侧限应力条件下，随竖向应力增加，土粒间的接触越来越紧密，土样越难产生新的压缩，单位荷载对应的土样压缩变形量逐渐减小。由于土的压缩是土中孔隙流体减小所形成的，一定应力范围内，土中的孔隙被挤密，土颗粒本身不会被压缩，进而土样存在压缩的极限体积，其压缩模量逐渐趋向一个稳定值。当应力超过一定范围后，土颗粒逐渐被压碎，土体变形继续增加，到土粒间的接触非常紧密后，土样已几乎没有压缩的余地，压缩模量将趋向于固体矿物的模量。

图4 土样(3#、7#、11#、15#)各级荷载下Es-P曲线

2.2 结构特征对土的压缩变形影响

按式(1)计算各级配土样分级加载稳定后的孔隙比e，并绘制e-p关系曲线，见图5。

图5 不同级配相同初始孔隙比土样e-p曲线

(1)

式中：ei为每级压力下土的孔隙比；e0为土的初始孔隙比；si为每级压力下土样的压缩量，mm；H为土样的初始高度，mm。

分析图5可知，随竖向应力的增大，各级配土样孔隙比逐渐减小，土样更加密实。相同初始孔隙比土样在竖向荷载小于200 kPa，土样的孔隙比变化差异性小，各级配土样压缩变形较为接近。竖向荷载大于200 kPa，各级配土样孔隙比变化差异性逐渐明显，至加载1 600 kPa稳定时，粗粒含量20%土样的孔隙比变化均最小，粗粒含量60%土样的孔隙比变化均最大。对比可见，初始孔隙比相同的不同级配土体，随粗粒含量的增加，孔隙比呈现为先增大后减小的变化趋势。可以认为，这种压缩变形的差异是由粗粒土骨架结构的疏密状态所决定的。

含水率和密度相同的4个级配土样，虽然其初始孔隙比相同，但土骨架的初始疏密程度不同。由文献[18]分析可知，土的孔隙比相同，土颗粒越均匀，土样越密实。分析试验级配可知，当土样粗粒含量P5分别为20%、40%、60%、80%时，其不均匀系数依次为19.67、35.71、77.40、28.88，表征出相同初始孔隙比的4种级配土体，粗粒含量越小或越大时，其土颗粒的均匀程度越高。因此，相同试验条件下，粗粒含量60%的土样，其不均匀系数最大，土体的初始结构最为疏松，易于压密，粗粒含量40%土样次之，而粗粒含量20%和80%土样，在压缩试验前的填筑中，已处于相对密实状态，故难以被压缩。这种现象，在笔者进行试验装样时，也有相同的发现。即粗粒含量60%的土样经分层装填后，略微击实即可达到预定的填土高度，而粗粒含量20%和80%的土样需要经过多次锤击才可达到预定的填土高度。

对比粗粒含量20%和80%土样的压缩变形，细粒含量多的土样在相同初始孔隙比条件下，其侧限压缩变形量最小。其大致可以认为，一方面，同体积内细颗粒数量较多，且土颗粒比较均匀，颗粒间多为刚性接触，加之土颗粒小、棱角不显著，受压不易产生破碎。另一方面，土颗粒粒径小，颗粒数量多，其比表面积大，土样与刚性试验筒侧壁的摩阻力较大，其压缩变形量小，孔隙比变化也小。其次，粗粒含量80%的土样，粗颗粒增多，颗粒形状极不规则，颗粒间多为点接触，试验加载中，颗粒间常发生挤压破碎，碎裂的岩屑填充于粗颗粒之间，土样产生一定的压缩变形。

采用土的三相比例关系计算试验后土样对应的孔隙率和干密度，见表3和表4。由表3可得：初始孔隙率相同的不同级配土体，随粗粒含量的增加，其压缩后的孔隙率呈先减小后增大的趋势，在粗粒含量60%时，压缩后的土体孔隙率最小，土样更为密实。由表4可得：各试验条件下，粗粒含量60%的粗粒土经压缩稳定后，其对应的土体干密度最大。由文献[19]分析可知，干密度对粗粒土力学性质有影响，干密度越大，土体的强度高、变形小、渗透低。

表3 试验土样压缩稳定的孔隙率

表4 试验土样压缩稳定的干密度

由此分析可知，初始孔隙率相同、级配不同的土样，粗、细颗粒占比不等，所构成的土骨架结构也各不相同。其中，粗粒含量60%的土体，经压缩固结后，孔隙率减小最大，土中孔隙体积最小，粗颗粒起骨架作用，细颗粒又能填充孔隙，两者互相充填和紧密接触，形成稳定的受力土骨架结构。

2.3 粗粒土骨架结构压缩特征

颗粒级配影响土的压缩特性，其根本原因在于土的结构差异。粗粒土是一类碎散块石与土颗粒组成的复杂集合体，粒组分布范围较广，具有宽级配特征，不同粒组的相对含量，以及粗细颗粒的占比对其力学性质影响较大。粗粒土中颗粒之间的相互排列与联结形式构成不同的土体骨架结构，且不同类型的土骨架受外荷载作用后，其内部颗粒间的相互接触、摩擦、咬合特征也各不相同，进而使得其抵抗外部荷载变形的能力各异。笔者结合前述试验现象与结果，综合粗细颗粒的充填接触关系，将粗粒土的土骨架结构形态划分为：粗粒悬浮结构、粗粒咬合结构、粗粒架空结构，见图6。

对应本次试验结果，分析图6可得：图6(a) 当土体中粗粒含量小于20%时，粗粒悬浮于细颗粒中，土为基质，块石为充填物，荷载作用下粗粒之间作用微弱，其更多表现为土的特性，且土体强度主要由细粒的联结作用决定，将其称为粗粒悬浮结构。图6(b) 当土体中粗粒含量占60%～80%，粗粒之间多为点-点接触或面-面接触，细粒充填于粗粒之间的孔隙中，粗细颗粒嵌合交错，受力时粗粒发生翻滚、移动，逐渐被压密，外荷载主要由粗粒形成的骨架结构承担，故将其称为粗粒咬合结构。图6(c) 当土体中粗粒含量大于80%，粗粒之间形成的孔隙增大，细颗粒不能完全填充于粗粒之间，且粗粒呈架空结构，外荷载作用下粗粒间的翻滚、摩擦剧烈，土体结构不稳定，常产生较大的压缩变形，将其称为粗粒架空结构。

图6 粗颗粒排列接触的结构特征

2.4 粗粒土压缩变形的影响因素分析

为分析试验因素(粗粒含量P5、含水率ω、填筑密度ρ)对土体压缩变形的影响，依据试验数据绘制级配土体最终压缩量的变化曲线，见图7。

图7 不同粗粒含量土体的压缩变形规律

由图7可知：

(1) 相同填筑密度ρ与含水率ω条件下，随土样中粗粒含量的增大，土体的压缩变形先增加后减小，这与前述分析一致，是由不同级配土体土骨架初始的疏密状态所致。

(2) 图7中曲线①与②、③与④为相同填筑密度、不同含水率土体压缩量的变化曲线。在试验设计含水率范围内，同一级配、相同填筑密度的土样，随含水率增大压缩变形量增大。其原因是，一方面，增大粗粒土中的含水率，水膜厚度增加，颗粒间的阻力降低，颗粒之间更易压密。另一方面，密度相同、含水率大的土体，其干密度较小，土颗粒间的孔隙较大，且土样欠密实，易压密。

(3) 图7中曲线①与③、②与④为相同含水率、不同填筑密度土体压缩量的变化曲线。同一级配、相同含水率的土样，随填筑密度的增大压缩变形量减小。其原因是，含水率相同的土体，密度大，土体干密度也大，颗粒间的孔隙小，土样密实，难压缩。

为确定各影响因素的主次关系，对粗粒含量P5、含水率ω与填筑密度ρ进行影响因素的极差分析，计算各因素极差依次为12.62、5.05、22.02。试验因素的极差值越大，表征该因素的变化对试验结果影响越大，因素越重要。因此，对影响因素按照极差大小排序为：填筑密度ρ>粗粒含量P5>含水率ω。即，侧限压缩试验中，粗粒土的初始密度对土的压缩变形影响最大，其次是粗粒含量，含水率对粗粒土压缩变形的影响最小。就含水率ω与填筑密度ρ对比而言，虽然土中含水率的增加，有利于颗粒间的相对滑动与挤密，但相比填筑密度的初始大小，其影响土的压缩变形有一定的局限性。