不同颗粒强度人工模拟粗粒土三轴试验研究

吴天昊,彭文明,吴 刚,王少良,朱俊高*,孙鹏飞

(1.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏 南京 210098;2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,四川 成都 610016;3.华能西藏水电安全工程技术研究中心,西藏 拉萨 850000;4.华能西藏雅鲁藏布江水电开发投资有限公司,西藏 拉萨 850000;5.融创房地产集团有限公司, 江苏 南京 210019)

粗粒土被广泛应用于土石坝等建设工程中[1]。准确把握堆石料等粗粒土的基本力学性质对高土石坝变形预测精度十分重要。粗粒土多由人工爆破而来,颗粒形状不规则,细颗粒与粗颗粒强度与变形性质差异大[2-3]。在高应力下粗粒土颗粒破碎严重,使得颗粒形态及强度改变,故而以天然粗粒土为室内试验材料时不能有效研究颗粒强度对其强度及变形性质的影响,因此需对粗粒土进行人工模拟[4-6]。

国内外学者对人工模拟类的颗粒材料已进行一定研究与探索,如选用钢珠[6]、玻璃珠[7-9]、水泥球[10]、石膏[11]等。孔德志等[6]采用不同粒径钢珠混合的集合作为模拟料,通过常规三轴排水实验,研究了颗粒间的滑移对强度和变形特性的影响。董启朋等[8]采用钢珠和玻璃球对颗粒材料开展常规三轴试验,探讨了围压、粒径、孔隙比等因素对粗粒土强度、变形特性的影响。唐晨景等[9]利用玻璃珠模拟堆石料,基于中型三轴仪研究了颗粒组构对强度和变形特性的影响。除采用钢珠和玻璃珠外,孔德志等[10]也采用水泥净浆浇筑不同粒径及强度的椭球颗粒,研究了颗粒破碎率对堆石体应力应变特性的影响。杨贵等[12]采用水泥净浆浇筑等体积不同形状的粗颗粒作为模拟料,通过三轴剪切试验研究了不同围压下颗粒形状对人工模拟堆石料的强度和变形特性的影响。孔德志等[10]人在模拟堆石料时所制人工模拟颗粒试样中间会存在明显薄弱面,该面强度较低会对试验结果的规律变化产生较大影响。杨贵等[12]所制试样只能为棱台状,这与常见的天然粗粒土的颗粒有很大的差异性。两种制样方式虽存在局限,但水泥为原材料的优势显著,故而本文采用水泥球对粗粒土进行人工模拟。

现有对人工模拟粗粒土的试验研究多着眼于颗粒间滑移、颗粒组构、颗粒形状等外部影响因素[13-15],其土颗粒自身强度对粗粒土力学特性影响研究较少。故本文在充分考虑了上述局限的基础之上采用了一种新型制备水泥球的方法,即硅胶模具定位成球法,制备了试验用的粗粒土水泥球。开展了四种不同颗粒强度粗粒土三轴固结排水试验,研究了人工模拟粗粒土颗粒强度对于试样的强度和变形特性的影响。

1 试验制备及试验方法

1.1 制样方法

本文采用的制备水泥球的方法是所谓的“硅胶模具定位成球法”,即利用硅胶浇筑模具,按所需水泥球的尺寸,制作外模。而后借助建模软件建立3 D模型,并用3 D打印机将所建模型打印,得到模具外框,而后将硅胶导入外框,可以浇筑出不同尺寸、不同形状的模具。通过该模具制备的水泥球颗粒可以减少因水泥料浇筑不均产生薄弱点或薄弱面,且颗粒形状可以做到自主控制。制备完成的水泥球实物图如图1所示。

图1 水泥球实物图Fig.1 Physical drawing of cement ball

为了研究颗粒强度对粗粒土力学特性的影响,利用硅胶模具制备了4种强度的水泥球,其标准抗压强度c=28、50、65、75 MPa。水泥球粒径有三种,即20、10、5 mm。同时,由于天然粗粒料的颗粒粒径分散,不是集中在几个粒径范围,为了使试验用模拟料级配与天然粗粒料(双江口心墙坝堆石料缩尺后级配)有一定的相似性,作者在前面这三种粒径中填充5～10 mm、2～5 mm的填充料。填充料用与水泥球颗粒相同强度的水泥质标准立方块凿碎后筛分而得。将相同强度的这3种粒径的颗粒以及10～5 mm和5～2 mm粒组的填充料按表1给出的粒组含量混合,形成一组试样,并以此作为本文试验用的人工模拟粗粒土(以下简称粗粒土)。这里,采用控制不同外加掺料和养护龄期的水泥料来制备强度不同的水泥球颗粒,其强度直接通过制备相应的标准立方体试块(70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm)的抗压强度来表征。试验前,将土样饱和,确保孔隙压力系数B值达到0.95以上进而进行后续固结及剪切试验。

表1 人工模拟粗粒土级配Tab.1 Gradation of artificial simulated coarse-grained soil

试验用人工模拟粗粒土级配如表1所示,其级配曲线见图2。不同颗粒强度粗粒土的试样采用相同击实功制备,即按照表1的级配配置好土料,将每个试样土料等量分成5份,分别放入制样筒内,并击实相同击数。

图2 试验用人工模拟粗粒土级配曲线Fig.2 Grading curve of artificial simulated coarse-grained soil for testing

1.2 试验方法

本次常规三轴试验是在应变控制式三轴剪切仪上进行的,试样直径为101 mm,高为200 mm。

为了探究不同的颗粒强度对粗粒土强度和变形特性的影响,本文对4种不同强度(c=28、50、65、75 MPa)球形水泥颗粒模拟料在4种围压(200、500、800、1 200 kPa)下开展了16组三轴固结排水试验,当试样轴向应变达到εa=15%时,结束试验。

2 试验结果分析

2.1 颗粒强度对粗粒土强度特性影响

依据上述试验方案,进行了多组三轴试验,得到了应力-应变曲线。为便于分析粗粒土颗粒强度对应力应变特性的影响,将同围压下不同颗粒强度的粗粒土的(σ1-σ3)-εa曲线绘制于同一图中,如图3所示。

图3 不同颗粒强度(σ1-σ3)-εa曲线Fig.3 Relationship between (σ1-σ3) andεa of soils with different particle strengths

由图3可知,低围压下,颗粒强度高的粗粒土表现出明显的应变软化特性,低颗粒强度土则表现为应变硬化特性。高围压下,高颗粒强度的粗粒土为应变硬化,而低颗粒强度土表现出硬化特性。

为了更直观地反映颗粒强度对粗粒土强度的影响,整理出不同围压下的粗粒土峰值强度(峰值轴向附加应力)与颗粒强度关系,如图4所示。由图4可知,同一围压下,高颗粒强度的粗粒土峰值强度明显高于低颗粒强度土。不同围压下,高颗粒强度粗粒土峰值强度增幅明显大于低颗粒强度土,表明颗粒强度的增大能够较显著地提高粗粒土强度。

图4 不同颗粒强度粗粒土峰值强度Fig.4 Peak strength of artificial simulation of coarse grained soil with different particle strengths

粗粒土的强度指标分为线性强度指标和非线性强度指标。表2给出了粗粒土的线性强度指标c、φ以及非线性强度指标φ0、Δφ。

表2 粗粒土强度指标Tab.2 Strength indexes of coarse grained soil

由表2整理出线性强度指标及非线性强度指标随颗粒强度的变化关系,发现规律较好,可用合适的曲线进行拟合。线性强度指标c变化范围较小,在1.2～2.1 kPa之间,可认为是常数。φ可近似用直线拟合(图5(a)),并发现φ随着粗粒土颗粒强度增大而增大。拟合得到的关系式如式(1)所示:

图5 线性及非线性强度参数与颗粒强度关系曲线Fig.5 Relationship curve between linear and nonlinear strength parameters and particle strength

φ=k1f+m1

(1)

式中,f为颗粒强度(以下出现的f均为此含义),MPa;k1、和m1为拟合参数,分别为0.114和27.362,其决定系数R2为0.788。

非线性强度指标φ0、Δφ整体上表现为随粗粒土颗粒强度增大而降低。可用二次多项式拟合,且拟合程度较高,计算得出的决定系数R2分别为0.913和0.959。拟合方程如式(2)和式(3)所示。

φ0=k2f2+m2f+n1

(2)

Δφ=k3f2+m3f+n2

(3)

式中,k2、k3、m2、m3和n1、n2为拟合参数,分别为-0.009 4、-0.011 4、0.934、1.032和28.219、-8.082。

为进一步分析颗粒强度对粗粒土强度的影响,整理出了每个试样各围压下的峰值摩擦角(即σ-τ坐标系中过坐标原点的破坏莫尔圆切线的倾角,用φf表示),如表3所示。

表3 不同颗粒强度粗粒土峰值摩擦角(单位:(°))Tab.3 Peak friction angle of coarse grained soil with different particle strengths (unit: (°))

由表3可知,除200 kPa围压外,整体上,相同围压下,随着粗粒土颗粒强度的增大,峰值摩擦角增大,且颗粒强度与峰值摩擦角的关系可近似用直线拟合。拟合得到的直线斜率由低围压至高围压分别为-0.005 6、0.080 9、0.112 7、0.077 9,取均值为0.066 5。这里,直线斜率的物理含义为粗粒土颗粒强度每增大1 MPa,粗粒土峰值摩擦角φf的提高值。因此,对于试验用土,颗粒强度每增大1 MPa,其摩擦角提高0.066 5°。由此可知,粗粒土颗粒强度的提高对其强度提高有较显著的影响。

2.2 颗粒强度对粗粒土变形特性影响

通过三轴试验获得了体变-轴向应变曲线,曲线中剪胀为负、剪缩为正。将同一围压下不同粗粒土颗粒强度的εv-εa曲线绘制于图6中。

图6 不同颗粒强度εv-εa曲线Fig.6 Relationship between εvand εa of soils with different particle strengths

低围压下,不同颗粒强度的粗粒土在体变-轴向应变曲线中初始剪切段均表现为剪缩,随着剪切发展,剪胀性凸显。高颗粒强度的粗粒土剪胀性明显强于低颗粒强度土,其剪胀剪缩临界点出现明显早于低颗粒强度土,且其最终体积应变量远大于低颗粒强度土。如75 MPa颗粒土在轴向应变达到1.3%时出现临界点,最终体变值为-4.10%,而28 MPa颗粒土则在轴向应变达到3.8%时才出现临界点,且最终体变值仅为-0.80%。

随着围压升高,低颗粒强度粗粒土相较于高颗粒强度土较早表现出较强的剪缩性。高围压下,各颗粒强度土均表现出较强的剪缩性,且随着颗粒强度增大峰值体积应变值减小。

为进一步研究粗粒土颗粒强度对土体变形特性的影响,依据试验结果整理得邓肯E-B模型参数,如表4所示,表4中的参数为强度按非线性考虑时所得参数。

表4 邓肯E-B模型参数Tab.4 Duncan E-B model parameters

由表4可知,Rf的值在0.72～0.75之间,m均为0.01,n的值变化范围同样较小,故而可认为Rf、m、n值受粗粒土颗粒强度影响较小。相反,K、Kb则随颗粒强度变化而显著变化。

整理出K、Kb随颗粒强度变化关系,如图7所示。对K、Kb与颗粒强度之间进行曲线拟合,发现直线拟合效果较好。拟合关系式如式(4)和式(5)所示:

K=p1f+q1

(4)

Kb=p2f+q2

(5)

式中,p1、p2和q1、q2为拟合参数,分别为2.265、4.161和97.226、42.398,计算得出的决定系数R2分别为0.775和0.887。

由图7可知,K值较其他参数数值较小,是由于试样制样密度较低,得到的粒组数较少,孔隙较大,小颗粒无法完全填充孔隙。K、Kb均随着粗粒土颗粒强度的增大而增大,这表明粗粒土颗粒强度的提高对体积变形有显著影响,随着颗粒强度的增大,粗粒土体积变形减少。依据拟合直线的斜率可知,颗粒强度每增加1 MPa,K、Kb分别增加2.265和4.161。

3 结论

本文通过一种新型人工模拟粗粒土制备方法(硅胶模具定位成球法)制备了不同颗粒强度的粗粒土,开展了三轴固结排水剪试验,研究了颗粒强度对人工模拟粗粒土强度和变形特性的影响,得出如下结论:

1)低围压下,高颗粒强度粗粒土表现出明显的应变软化特性,低颗粒强度土则为应变硬化。随着围压升高,高颗粒强度粗粒土由应变软化转变为应变硬化,低颗粒强度土则均表现为应变硬化。

2)线性强度指标c值受粗粒土颗粒强度影响小,φ与颗粒强度的关系可近似用直线拟合,且φ则随着颗粒强度增大而增大。非线性强度指标φ0、Δφ与颗粒强度关系都可用二次多项式拟合。

3)峰值摩擦角φf与粗粒土颗粒强度呈线性关系,颗粒强度每增大1 MPa,峰值摩擦角φf提高0.066 5°。

4)低围压下,不同颗粒强度的粗粒土表现出不同程度的剪胀性;高围压下,各颗粒强度土均表现出较强剪缩性。

5)邓肯E-B模型参数中的K、Kb与粗粒土颗粒强度的关系可用直线拟合,K、Kb均随着粗粒土颗粒强度的增大而增大。颗粒强度对粗粒土体积变形影响较大,随着颗粒强度的增大,粗粒土体积应变减小。