缩尺方法对土石混合料力学性质的影响

胡华昌

（辽宁省辽西北土木工程咨询有限公司，辽宁 鞍山 114000）

缩尺方法对土石混合料力学性质的影响

胡华昌

（辽宁省辽西北土木工程咨询有限公司，辽宁 鞍山 114000）

为探讨缩尺方法对土石混合料力学性质的影响，对同一原级配料分别采用剔除法、等量替代法和相似级配法处理，进行振动击实和固结排水三轴压缩试验。结果表明，缩尺方法对土石混合料振动击实特性和抗剪强度均有影响；采用相似级配法处理的土石混合料最优含水率和最大干密度均高于剔除法与等量替代法处理的级配料；相似级配法处理后的土料抗剪强度较高，等量替代法缩尺的土料强度较低，剔除法缩尺土料强度居中。

土石混合料；缩尺方法；振动击实；最优含水率；抗剪强度

1 概述

土石混合料是一种土与石的混合材料，既含有一定级配的无粘聚性颗粒材料，又含有一定粘聚性的细粒土。由于其具有强度高、施工便利、取用方便等优点，在土石坝中得到广泛应用。目前，针对土石混合料物理力学性质研究，Miller等［1］最早对不同含石量的粘性土石混合料开展了剪切强度试验研究，结果表明，当块石骨料含量为74%时土石混合料最密实，抗剪强度较高。刘丽萍［2］等通过对不同级配、粗粒含量及破碎率的土石混合料进行了击实试验，分析了击实功、击实方法及等效处理方法对土石混合料击实结果的影响，并进一步探讨了用空隙率控制法和不同粗集料含量下改进的工地压实度控制方法［3］，作为土石混合料压实质量控制标准的可行性。A.A.Mirghasemi［4］等则对粗粒形状对土石混合料的物理力学特性的影响进行了研究。左永振［5］等对某原型级配粗粒料，按规范要求采用4种缩尺方法，获得15条模拟级配，并在相同振动功能条件下，对模拟级配进行了最大干密度试验。李晓等［6］对土石混合料的应力-应变特征曲线进行分析，并指出土石混合料强度与破坏形式主要受含石量控制。

随着机械化程度的不断提高，上坝土料最大粒径逐渐增大，为使试样在现有仪器中受力与变形情况与现场相近，试样中最大粒径与仪器尺寸存在一个比值［7］，约为 5～6。对于超过仪器尺寸容许的粒径常称为超粒径。对于超粒径土常采用缩尺方法对其处理，20世纪 40年代末期关于缩尺效应的试验研究就已经开始，到目前为止，国内外已有许多学者对缩尺效应问题进行了研究。孟宪麒等［8］采用200cm@200cm@100cm大型直剪仪和50cm@50cm@40cm中型直剪仪石头河土石坝坝壳堆石料进行了大量的抗剪强度试验。结果表明，采用相似级配法原级配料缩尺的砂卵石料，小试样比大试样的内摩擦角大。李凤鸣等［9］对小浪底堆石坝的堆石料按相似级配法进行缩尺处理，并进行了大型高压固结、三轴剪切试验和离心模型试验。结果表明，按相似级配法缩尺后，原级配料的力学性质有不同程度地改变，试样剪胀性明显增大。

目前通常采用剔除法、等量替代法和相似级配法对超径土进行处理。剔除法为：将超过仪器容许粒径以上部分全部剔除，再把余下土料当作整体，分别求出各粒组含量，该方法对于超径土含量小于10%的级配基本接近原级配，且不均匀系数变化不大，但对于超径土含量过多不适用；等量替代法为：用仪器容许粒径以下的部分替代超粒径土，该方法保证了细粒含量不变，但改变了粗粒级配和不均匀系数；相似级配法为：根据仪器容许粒径，按几何相似条件，等比例缩小粒径，该种方法能保持不均匀系数不变，但增加了细粒含量，当细粒含量增大不大于30%时，采用该方法试验与原级配料试验力学性质相差不大。实践经验表明，上述三种缩尺方法基本保持了粗细颗粒的含量和比例，能在一定程度上反映天然材料的主要特性。本文采用上述三种不同的缩尺方法对同一原级配土石混合料进行振动击实和固结排水三轴压缩试验，探讨这三种缩尺方法对土石混合料压实特性和抗剪强度的影响。

2 试验土料与试验方法

试验土料原级配，最大粒径为80mm，比重为2.71，分别采用剔除法、等量替代法和相似级配法对原型级配进行缩尺，缩尺后最大粒径为20mm，缩尺后级配与原级配如图1所示。振动击实试验采用表面振动压实仪，振动功率为1.1kW，振动频率为47.5～60Hz，激振力为2.2～4.2kN，夯板作用在试样表面静压力为13.8kPa。将原级配土缩尺处理后，按含水率相差2%制备试样，每组试样为6个，将制备好的试样放入保温桶中，用塑料膜盖严，放置24h，将试料分三份，分三层倒入击实桶内振动击实。具体步骤为，将第一层土装入击实桶，放在振动台上，加套筒，并把加重盖板置于土面上，将振动击实仪参数调到最优，开始振动，结束后，加第二层和第三层土并重复上述步骤。三轴压缩试验采用应变控制式三轴压缩仪，试样尺寸为Φ×H=101mm×200mm，围压分别为100、200kPa和400kPa，在压力室底座上装对开模和橡皮膜，并在透水板上放一滤纸，根据试验要求，将缩尺处理后的三种土样，分三层填入，固结时间为1h后，以0.2mm/min的剪切速率进行试验，直至试样明显破坏或轴向应变达到试样高度的15%时，试验结束。

3 试验结果及分析

3.1 击实特性研究

针对不同缩尺方法得到的级配土料分别进行振动击实试验，结果如图2。

图1 土料原级配与缩尺后级配曲线

图2 干密度-含水率关系曲线

由图2可知，采用不同缩尺方法处理土料，其振动击实特性曲线均为双峰型，即干密度随含水率的增大先减小后增大，达到峰值后又减小；土石对同一原级配土石混合料采用不同的缩尺方法缩尺后，所得缩尺级配料其击实特性存在明显差异。用相似级配法处理的级配料，最优含水率和最大干密度均高于另外两种缩尺方法处理后的级配料；用等量替代法处理的级配料，最优含水率介于剔除法和相似级配法之间，而最大干密度低于另外两种缩尺方法处理后的级配料；用剔除法处理的级配料最优含水率低于另两种处理方法，而最大干密度介于等量替代法和相似级配法。

3.2 抗剪强度研究

对不同缩尺方法得到的级配土料进行固结排水三轴压缩试验，试验结果如图3所示。取主应力差（σ1～σ3）的峰值点为破坏值点，其对应强度为试验土料的抗剪强度，并根据该强度绘制摩尔-库伦强度包线，求取摩尔-库伦抗剪强度参数：内摩擦角φ和粘聚力c。其结果如表1所示。

图3 应力应变关系图

表1 抗剪强度及摩尔-库伦强度参数表

由图3和表1可知，随围压的增大，土料抗剪强度增大，当围压较低时（100kPa），三种不同缩尺方法处理的级配料抗剪强度相差不大，随着围压增大，相似级配法处理土料抗剪强度增大明显。相同围压下，同一原级配料不同缩尺方法处理的级配料抗剪强度不同，相似级配法处理后的土料抗剪强度较高，等量替代法缩尺的土料强度较低，剔除法缩尺的土料强度居中。该规律与振动击实试验中缩尺方法对最大干密度的影响规律一致，即相似级配法处理后的土料最大干密度较高，等量替代法缩尺的土料最大干密度较低，剔除法缩尺的土料最大干密度居中。这可能是由于该自然土料采用相似级配法处理后，土颗粒级配均匀，颗粒间填充效果好，因此，得到的最大干密度大，土样密实，土体抗剪强度高。采用等量替代法、剔除法和相似级配法处理的土料粘聚力和内摩擦角均增大，且粘聚力增大较明显，而内摩擦角虽有增长，但不明显。

4 结论

本文针采用三种不同缩尺方法对同一原级配土料进行缩尺处理，并比较了土石混合料不同缩尺方法对击实特性和抗剪强度的影响，主要结论如下：

（1）缩尺方法对土石混合料振动击实特性和抗剪强度均有影响。

（2）采用相似级配法处理的土石混合料最优含水率和最大干密度高于剔除法与等量替代法处理的级配料。

（3）相似级配法处理后的土料抗剪强度较高，等量替代法缩尺的土料强度较低，剔除法缩尺的土料强度居中。

［1］Miller E A，Sowers G F.The strength characteristics of soil-aggregate mixtures［J］.H ighway Reseaech Board Bull，1957（183）：16-23.

［2］刘丽萍，折学森.土石混合料压实特性试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2006，25（01）：206-210.

［3］刘丽萍，王东耀.土石混合料压实质量控制方法［J］.长安大学学报（自然科学版），2006，26（01）：35-48.

［4］Mirghasem i A A，Rothenburg L，Matyas E L.Influence of particle shape on engineering properties of assemblies of two-dimensional polygon-shaped partic les［J］.Geotechnique，2002，52（03）：209-217.

［5］左永振，张伟，潘家军等.粗粒料级配缩尺方法对其最大干密度的影响研究［J］.岩土力学，2015（S1）：417-422.

［6］李晓，廖秋林，赫建明，等.土石混合体力学特性的原位试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2007，26（12）：2377-2384.

［7］屈智炯等.新型石渣坝-粗粒土筑坝的理论与实践［M］.北京：中国水利水电出版社，2002.

［8］孟宪麒，史彦文.石头河土石坝砂卵石抗剪强度［J］.岩土工程学报，1983（02）：92-103.

［9］李凤鸣，卞富宗.两种粗粒土的比较试验［J］.勘察科学技术，1991（02）：27-31.

P642.11+6

A

1672-2469（2017）02-0097-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.031

2016-05-10

胡华昌（1991年—），男，助理工程师。