粗颗粒回填料的破碎性质试验研究

田春雨

(包头铁道职业技术学院，内蒙古 包头 014060)



粗颗粒回填料的破碎性质试验研究

田春雨

(包头铁道职业技术学院，内蒙古 包头 014060)

通过大型三轴剪切试验仪对配制的9组试样进行剪切试验。配制试样时，考虑了不同的物料组成、相对密度、级配状态，试验围压与现场基本一致的受力状态。试验研究发现了不同粗颗粒回填料的破碎性质规律。统计颗粒破碎率与土体峰值内摩擦角的结果，拟合出二者关系曲线图，并用指数函数表达式表示。

粗颗粒土；回填料；破碎性质；试验研究

某高填方边坡选用近直立挡土墙结构形式，墙后采用现场的土石混合粗颗粒回填料，局部夹杂大量的块石。该类填料具有压实性能好、透水性强、抗剪强度高、填筑密度大、沉陷变形小和承载力高等特点[1]。填料的物理力学性质的确定对工程至关重要。原岩岩性变化较大，主要为泥岩、煤矸石与砂岩。填料的粒径不均匀，最大颗粒粒径在200 mm以上。原岩破碎又会引起土体级配的改变，从而使其物理力学性质发生变化[2]。拟对不同条件的填料破碎性质进行试验研究，从而得到粗颗粒回填料的颗粒破碎性质规律，以及与土体抗剪强度的关系。

1 试验方法

由于无法根据所测现场原级配进行室内试验，超径的颗粒采用等量替代法[3]进行缩尺模拟。本次9组试验材料设定三个参数：泥、砂岩比例，相对密度，原始级配。泥、砂岩比例设定3∶7、5∶5、7∶3三个比例；相对密度设定0.55、0.65、0.80三个密度；原始级配设不良、一般、良好三个等级。用YSZ-200大型三轴剪切试验仪进行三轴剪切试验，试验围压选择与现场基本一致的受力状态(100～400 kPa，每100 kPa为一级，共四级)。试样在试验后晾干并重新筛分。根据Marsal提出的颗粒破碎率Bg[4]，进行统计分析，得出物料组分、相对密度、原始级配三个因素对填料破碎性质的影响。

2 试验结果分析

2.1 物料组分对颗粒破碎的影响

不同泥、砂岩比例的试料在试验围压(100～400 kPa)时的颗粒破碎率，统计结果见表1。由表1分析可知：随着泥岩含量的增加，试料破碎率有减小的趋势。由于砂岩的强度大于泥岩的强度，泥岩颗粒会先发生破碎。在泥岩含量较低的时候，颗粒破碎率随着泥岩含量的增加而增大，但是当泥岩含量增大到一定程度时，泥岩由于颗粒破碎产生的黏土颗粒包围在粒径较大的颗粒周围，减小了颗粒之间的作用力，颗粒破碎效应减弱。

2.2 相对密度对颗粒破碎的影响

不同相对密度的试料在试验围压(100～400 kPa)时的颗粒破碎率，统计结果见表2。由表2分析可知：随着试料相对密度增大，土体的颗粒破碎率的变化较为复杂。当土体相对密度较低时，土体颗粒间的接触点较少，土体不容易发生破碎，从另一个角度讲，单位土体所受到的接触应力较大时，土体颗粒之间容易产生应力集中现象，土体易发生破碎；当土体的相对密度较大时，土体颗粒之间接触变得紧密，土体颗粒之间的接触点变多，土体颗粒发生破碎的概率增大。综合土体在较低相对密度和较高相对密度下的颗粒情况，两者相互抵消，所以相对密度对土体颗粒破碎影响较为复杂，规律性差。

表1 不同泥、砂岩比例试料的颗粒破碎率(%)Tab.1 The particle breakage rate in different proportion of mudstone and sandstone(%)

表2 不同相对密度试料的颗粒破碎率(%)Tab.2 The particle breakage rate in different relative density of the sample (%)

2.3 颗粒级配对颗粒破碎的影响

不同颗粒级配的试料在试验围压(100～400 kPa)时的颗粒破碎率，统计结果见表3。由表3分析可知：随着不均匀系数增大，试料的颗粒破碎率呈减小的趋势。随着粗粒含量的增大，试料颗粒破碎率呈先减小后增大的趋势，当颗粒级配为良好状态时，颗粒破碎率最小。颗粒级配为良好状态时，颗粒之间的作用点较多，颗粒之间的作用力均匀分布，单个颗粒受到的应力较小，不容易产生破碎。当粗粒含量较多时，颗粒之间接触方式以粗颗粒棱角间接触的形式为主，土体颗粒之间极易产生应力集中的现象，这会导致土体颗粒发生明显的破碎，使颗粒破碎率增大。

表3 不同颗粒级配试料的颗粒破碎率(%)Tab.3 The particle breakage rate in different particle gradation of the sample (%)

3 颗粒破碎与抗剪强度的关系

粗颗粒回填料在外力作用下，土体颗粒会发生颗粒破碎的现象，颗粒破碎对土体抗剪强度的影响主要从以下两方面考虑：第一，土体颗粒发生颗粒破碎使得土体的剪胀性减弱，因此土体的抗剪强度减弱。第二，土体在颗粒破碎时消耗一部分能量，这使土体的抗剪强度增加[5]。因此，土体的抗剪强度发生变化是这两方面共同导致的结果。

图1是土体在各级围压下的主应力比与轴向应变的曲线关系图。随着围压的逐级增大，最大主应力比逐级降低。当围压越低时，最大主应力比降低的幅度越大。由此可以推测，土体的最大主应力比的减小与颗粒破碎相关。

图1 主应力比与轴向应变关系图Fig.1 The relationship between principal stress ratio and axial strain

统计的颗粒破碎率与土体峰值内摩擦角结果，拟合出颗粒破碎指标Bg与峰值内摩擦角φ的关系曲线如图2所示。

图2 φ-Bg关系曲线图Fig.2 The curve between φ and Bg

图2表明，φ、Bg两者之间的关系可以用指数函数描述。随着颗粒破碎指标Bg的增加，粗颗粒回填料的峰值内摩擦角减小。φ与Bg的函数表达式如下：

φ= 86.806e-0.041Bg

φ随着Bg的增加而减小，但是Bg存在上限值100%，因此φ也存在下限值。此时土体的颗粒破碎不影响峰值内摩擦角的变化，土体的强度由土体颗粒之间的相互作用力决定。

4 结语

粗颗粒回填料在剪切作用下会发生颗粒破碎的现象，颗粒破碎效应会显著影响土体的物理力学性质。当泥岩块体含量达到一定程度后，随着泥岩块体比例的增加，土体的颗粒破碎率呈下降的趋势；相对密度对颗粒破碎率影响较为复杂，两者没有明显的关系；颗粒级配良好时，土体的颗粒破碎率最小，当级配较差且粗粒含量较大时，土体颗粒破碎率比较大。

粗颗粒回填料作为一种典型的散粒材料，土体颗粒间的滑移与相互作用力影响着土体的应力应变。当土体颗粒所受外力大于其抗压强度，会发生颗粒破碎的情况，土体颗粒将发生滑动。土体发生颗粒破碎的时候，颗粒间摩擦力与颗粒破碎共同影响土体的抗剪强度。粗颗粒回填料强度设计时，应考虑颗粒破碎的影响。

[1] 郭庆国. 粗粒土的工程特性及应用[M]. 郑州：黄河水利出版社，1999.

[2] 张家铭，汪稔，张阳明，等.土体颗粒破碎研究进展[J]. 岩土力学，200，24(S2)：661-665.

[3] 中华人民共和国水利部、能源部. 土工试验规程SD128-87[S]. 北京：水利水电出版社，1988.

[4] Marsal R J. Large scale testing of rockfill materials [J]. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division，1967，93(SM2)：27-43.

[5] 贾革续.粗粒土工程特性的试验研究[D]. 大连：大连理工大学，2003.

Crushing properties of the coarse grained soil for backfill material

TIAN Chun-yu

(Baotou Railway Vocational & Technical College,Baotou 014060,China)

Nine groups′ specimens are tested with the large-scale triaxial shear tests. The different material composition,relative density and gradation state are taken into account,and the confining pressure is consistent with that of the site. The experiment found the breaking property of different coarse grained soil for backfill material. The relationship between particle breakage rate and peak of internal friction angle is fitted,and it is expressed with exponential function expression.

Coarse grained soil; Backfill material; Breaking property; Experiment

2016-01-16

田春雨(1982-)，男，讲师，硕士研究生。

TU448

A

1674-8646(2017)06-0012-03