重庆高填方填筑材料基本力学性质研究

2023-12-14赵丁鸿刘焕存

岩土工程技术 2023年6期

赵丁鸿刘焕存蔡智

（中航勘察设计研究院有限公司，北京 100098）

0 引言

高填方工程常见于西南地区机场和大型厂房的建设中，所用的填料多就地取材，这种填料大多为邻近山体爆破开凿所得，主要表现为级配不良、高压缩性、欠固结、地基稳定性和边坡稳定性差[1]。高填方项目中巨粒土填筑材料运用日益广泛，但有关巨粒土高填方场地的研究还不完善，现行试验规范对于巨粒土也并不完全适用。抗剪强度参数的合理确定直接关系到高填方边坡工程的稳定性与经济性。目前巨粒土填筑材料的基本力学特性试验较少，无法获取重要基本力学参数用以定性定量地解决高填方场地的特殊问题。

当前研究主要针对粒径相对较小的细粒料和粗粒料，对西南地区人工开凿形成的细-粗-巨混合料（d＞60 mm）的相关研究仍然较少，例如粗巨粒砂岩含量、中等强风化的泥岩含量、含水率等重要因素的特性研究。油新华和汤劲松[2]采用室外大型水平推剪试验，分析了土石混合体剪切破坏特征，得出了土石混合体强度与所含块石形状、性质及土样粘结性密切相关。徐文杰等[3]采用数字图像技术结合现场大尺度直剪试验，分析混合体内部块石形态分布，得出了块石含量与混合体剪切带发育特征密切相关。赵金凤等[4]应用离散元模型进行不同含石量和颗粒粘结强度下土石混合体的直剪试验，进而分析影响其抗剪强度的关键因素，结果表明抗剪强度与含石量与粘结强度呈正相关。薛亚东等[5]开展大型室内直剪试验，发现含石率和含水率共同作用影响土石混合体材料力学性质，土石混合体的抗剪强度随含水率的增加经历了缓慢减小-快速减小-缓慢减小3 个过程。刘龙旗等[6]以坡积土石混合体为研究对象，采用室内大型直剪试验，研究不同含水率条件下混合体的剪切特性和抗剪参数变化，结果表明试样的“等效黏聚力”在含水率大于8%（大于其最佳含水率）时减小，而内摩擦角随着含水率的增加变化不大。

当前测试细粗粒料力学特性的试验设备相对丰富，测试含粗、巨填料的设备相对较少且工序复杂。当前缺乏对含泥质巨粒土料高填方边坡稳定性及抗剪切变形机制的研究[7]，导致对复杂条件下的填料基本力学特性缺乏认识，在进行设计与施工时多根据经验制定较为保守的方案。这虽然可以保证工程的质量，但却缺乏定量的计算，工程造价相对较高[8]。

高填方工程涉及回填压实质量、边坡塌陷滑动、沉降变形等几类工程问题。重庆某工程项目场地填土厚度为3.0～48.0 m，回填施工采用抛填作业，回填材料中含有强风化-中等风化泥岩、砂岩、泥质砂岩等巨粒材料。通过进行高填方填筑体材料基本力学特性试验，为工程后续设计施工提供可靠参数，同时供其他高填方工程参考。

1 填料基本物理指标研究

1.1 含水率测试

重庆地区时而阴雨天气、时而阳光暴晒，场地土石混合填料的含水率变化极大，填料施工时的含水率难以测定，但是现场取样的填料含水率和填料风干后的含水率可以通过室内直接测得[9]。

采用烘干法对现场所取填料含水率测试分析，将温度维持在105℃～110℃之间，烘干时间为8 h。经测定得到颗粒粒径大于5 mm 填料的风干含水率为7%，颗粒粒径小于5 mm 填料的风干含水率为9%。

1.2 颗粒筛分

利用筛分法对填料进行颗粒级配分析，在筛分前将土体充分晾晒，并轻微摇振，分离粘附在砂岩和块状泥岩上的细颗粒土体，具体参数见表1，颗粒级配曲线见图1。

图1 颗粒级配曲线

表1 填料粒径级配数据

根据《高填方地基技术规范》（GB 51254-2017）规定，粗粒土料中粒径大于2 mm 的颗粒质量应大于总质量的50%，不均匀系数Cu大于等于10，曲率系数Cc宜为1～3。根据图1 试验结果，该类土符合规范要求。根据《土的工程分类标准》（GB/T 50145-2007），将填料命名为巨粒混合土（卵石（碎石）混合土），符号S1Cb[10]。

1.3 重型击实试验

根据表2 重型击实试验结果，绘制含水率-干密度散点图，将曲线进行拟合，如图2 所示，可知粒径小于60 mm 的填料最优含水率约为6%，最大干密度为2.25 g/cm3，对应的湿密度为2.39 g/cm3，依此指导后续固结和剪切试验的试样制作[11]。

图2 含水率与干密度关系曲线

表2 击实试验结果

2 填料直剪试验

为研究不同压力作用下饱水填料和非饱水填料的抗剪强度力学特性，利用大型固结-剪切试验机进行快剪试验，从而得到填料的抗剪强度指标，可供不同工况下临空边坡的稳定性分析。800 kPa 竖向应力下剪切面如图3 所示，采用快剪来求取土的抗剪强度指标，所得结果对应为不排水条件下的抗剪强度指标[12]。不同固结压力下剪应力-变形曲线见图4。

图3 800 kPa 竖向应力下剪切面

图4 不同固结压力下剪切力-变形关系曲线

由图4 结合莫尔-库仑理论得出抗剪强度拟合曲线（见图5），可知土样的内摩擦角为25.8°，黏聚力为39.6 kPa。黏聚力表现较大的原因是多方面的，初步判别为剪切面泥岩微细观结构的粘结作用发挥主要作用，突出表现为蒙脱石的粘结性、剪切面块体作用等。

图5 抗剪强度拟合曲线

3 不同含石率填料直剪试验

根据含石率绘制级配曲线，再根据级配曲线筛出不同粒径土石样备用于试验。但是对于已确定含石量的试样，表现为块体粒径差异明显，无法对其定量描述。颗粒级配曲线有多种可能形式，而且颗粒级配对于土石混合料的物理力学性质的影响尤为明显[13]。因此通过对现场取样填料各粒组占总质量的比例进行优化调整，使得试样的Cu及Cc达到规范要求，具体颗粒级配设计结果见图6。

图6 不同含石率填料粒径级配图

为了研究不同含石量土石混合料的真实特性，防止装样压实土体造成颗粒破坏改变级配进而影响试验结果，采取风干土样进行试验（含水率不超过2%），每次试验称取32.5 kg 的土石混合料分三层填入模具中。由于模具的直径和高度固定（直径为300 mm，上下剪切盒+剪切缝高度为250 mm），所配土石混合料的密度存在细微差别[14]。当含石率为80%时，少量的土不足以填补岩石块体间的缝隙，含石率80%的试样高度约为25.5～26.0 cm，其余试样填入高度为25 cm，差异很小。

将填料按照设计优化后的配比分3 层均匀装填入试验模具，尽量避免土石块破碎，以保证试验结果真实性。分别取垂直压力为200 kPa、400 kPa、600 kPa、800 kPa 进行试验，通过试验可获得各种含石率填料在不同固结压力作用下的剪应力-剪切变形关系和c、φ值等（见图7）。

图7 不同含石率填料-抗剪强度关系曲线

图8 为土石混合填料的c、φ值随含石率变化曲线，由图8 可得出本实验土石材料其黏聚力c随着含石率的增大不断增大，且在含石率从20%增加到40%的情况下，黏聚力的增加效果最明显；在含石率从40%增加到80%的过程中，填料的黏聚力增加效果减弱，明显弱于初期；填料的内摩擦角φ在初期随含石率增加呈现增大趋势，后期随着含石率的增加而呈减小的趋势。

图8 c、φ 值随含石率变化曲线

通过对比不同固结压力作用下抗剪强度-含石率曲线（见图9）发现，在固结压力为200 kPa、含石率为80%时，填料的抗剪强度达到最大；固结压力400 kPa 和600 kPa 时，含石率在60%时填料所达到的抗剪强度最大；固结压力为800 kPa、含石率40%时，抗剪强度达到最大。

图9 不同固结压力作用下抗剪强度-含石率关系曲线

4 不同含水率填料直剪试验

在已经对原状土含水率测试完成的基础上，配制含水率梯度为5%、8%、11%与14%（浸水饱和）的4 组试验土样，将这4 组样本在 200 kPa、400 kPa、600 kPa、800 kPa 固结压力作用下利用大型直剪试验仪进行试验[15]。

将填料按照设计优化后的配比分3 层均匀装填入试验模具，尽量避免土石块破碎，以保证试验结果真实性。分别取垂直压力为200 kPa、400 kPa、600 kPa、800 kPa 进行试验，通过试验可获得填料在不同固结压力作用下不同含水率的剪应力-剪切变形关系和c、φ值等（见图10）。

不同竖向荷载作用下，利用不同含水率剪切变形与剪切力的变化，得到抗剪强度与法向应力的关系，进而获得土石混合材料的c、φ值（见图11）。由图11可知，本试验填料的黏聚力c随着含水率的增大整体呈现减小趋势，且在5%～8%的范围内，黏聚力随着含水率的增加，减小幅度明显。

图11 c、φ 值随含水率变化曲线

水对土石混合材料具有较为明显的软化作用，混合材料含水率小于最优含水率（约6%）时，土石压实微观结构呈交错排列，骨架颗粒与细颗粒大部分连续接触；混合材料含水率大于最优含水率（约6%）时，随着含水率的增高，颗粒润滑作用明显，骨架颗粒排列混乱，大部分不接触，弱化其抗剪力学特性；当含水率接近饱和含水率（约14%）时，土石混合材料的抗剪强度减弱至最低。本次试样的最优含水率在5%～8%，故在含水率8%处其抗剪强度有明显的转折。

通过对比不同固结压力作用下抗剪强度-含水率关系曲线（见图12）可以发现，不同固结压力作用下，抗剪强度最大值均出现在填料含水率最低点（5%），且随着固结压力的增加，填料的抗剪强度逐步增加。