砂岩颗粒填料压缩与回弹特性试验研究

王世儒，雷伟丽

(重庆水利电力职业技术学院,重庆402160)

砂岩颗粒填料压缩与回弹特性试验研究

王世儒，雷伟丽

(重庆水利电力职业技术学院,重庆402160)

通过设定不同的干密度和含水率,进行了16组压缩与回弹试验,探究了灰白砂岩填料压缩与回弹过程中应变与孔隙比随应力的变化趋势,分析了卸荷过程填料回弹率与卸荷比的关系,得到了填料最大回弹率与干密度、含水率的数学经验公式,总结了压缩模量与回弹模量的变化规律。

压缩-回弹试验；干密度; 含水率; 回弹率; 压缩模量；回弹模量；砂岩填料

在山区兴建公路、铁路、港口等基础设施时,受复杂地形限制,施工线路将存在大量工程挖方,其中灰白砂岩颗粒因具有分布广泛、强度高等优点而常被用作回填区域填料,如重庆果园寸滩港口、广(州)乐(昌)高速部分路段[1]。填料压缩性影响路基分层施工阶段压实控制及工后沉降限制,工程因局部损坏需修补开挖、道路及码头不同来往荷载循环作用等因素造成填料处于加卸荷状态；因此,填料压缩及回弹规律常作为工程基础施工过程压实质量控制及运营阶段基础沉降控制的重要参考依据,黄少雄等[2]指出可采用施工中路基压实沉降差作为检测路基施工质量的标准。确定最优级配后,干密度与含水率成为影响工程填料压缩与回弹的重要因素[3]。鉴于填料工程应用广泛,有必要探究不同干密度及含水率时其压缩特性及卸荷-回弹规律,为工程合理使用灰白砂岩填料提供参考。

与细粒土相比,灰白砂岩填料属于粗粒土料,具有颗粒类材料的特殊性：不同应力作用下填料存在因颗粒棱角挤碎、消磨,甚至颗粒破碎而使土粒挤密,从而进一步诱发变形；卸荷过程中填料因颗粒压缩回弹而出现卸荷回弹变形,这与填料应力历史相关[4]。因颗粒填料特殊性,诸多学者从不同角度、利用不同方法进行相关研究。压缩特性方面,张兵等[5]基于侧限压缩试验探究了填筑料压缩特性,得到填料所受应力超过某一值时其压缩曲线出现较大程度下降,并指出这现象与粗集料破碎应力相关；刘丽萍等[6]认为可通过孔隙率变化来控制不同含水状态、极不均匀颗粒组成的山区填料压实度质量,这仍需要测定填料压缩及回弹规律。回弹规律方面,肖军华[7]从荷载作用形式上探究了行车动荷载作用粉土路基时其回弹模量变化规律,得到循环荷载作用下粉土路基回弹模量存在临界回弹模量；朱俊高等[8]基于三轴剪切-回弹试验探究了粗粒料回弹模量与围压及应力水平变化规律,并指出粗粒土回弹特性与黏土不同,但并未指出其与压缩特性差异。先期应力历史方面,陈生水等[4]分析了先期荷载作用后堆石料应力变形规律,认为此颗粒材料经历先期荷载作用后其抵抗变形能力增大。理论计算方面,李德宁等[9]认为基于卸荷应力,结合常规压缩试验结果可估算填料回弹模量,进而计算填料回弹变形。

由此可知,当前研究更多是将填料压缩过程与卸荷回弹过程分开,尚未对填料压缩特性与回弹特性进行对比研究。故本文采用三联(高压)杠杆压缩仪进行不同干密度及含水率条件下灰白砂岩填料单向压缩及卸荷-回弹规律试验,通过对比分析压缩-回弹曲线、压缩-回弹指标及弹性塑性应变比例等方式探究粗粒填料压缩及回弹特性差异性,为工程实际评价其压缩与回弹性质作参考。

1 试验设计

1.1 试验材料

试验所用灰白砂岩颗粒填料的母岩为取自重庆某港口挖方岸坡所开挖新鲜石料,属三叠系上统须家河组；其天然含水率为2.54%,天然密度为2.61 g/cm3。砂岩按其矿物组成不同,可以分为硅质及钙质细砂岩、钙质及泥质粉砂岩等,其力学性质存在差异,因而需按规程[10]进行母岩物理力学参数测定,结果见表1。将母岩破碎后颗粒进行人工初次筛分、恒温烘干、振动二次筛分处理,按粒径组进行密封、贴签,并储存于干燥通风环境以备后续试验取用。

表1 砂岩物理力学指标

粗粒料压缩及回弹特性很大程度上受其级配影响,工程填料一般根据土料不均匀系数Cu与曲率系数Cv取值确定其级配曲线；受试验条件限制,采用相似级配法对原填料级配进行缩尺处理,尽可能减小重塑试样与原填料的差异性[11]。填料试验级配经过上述方法处理后Cu=9.68、Cv=1.72,仍为级配均匀且良好土料,其级配曲线如图1所示。

图1 砂岩填料原级配与试验级配曲线

1.2 试验仪器及方案

采用三联(高压)杠杆压缩仪进行试验,可同时进行3组平行试验；仪器轴向荷载范围0～1.60 MPa,轴向位移采用精度为0.001 mm的百分表测定。为节省时间成本,根据规程[12],采用快速固结试验方法进行压缩固结与回弹变形试验,并据此规程所述方法进行试验数据处理；轴向各级荷载按0 、0.05、0.10、0.20、0.40、0.80、1.60 MPa依次加载,并按“后加先卸”原则在施加最大荷载稳定后进行试样卸荷-回弹变形试验；加载与卸载最后一级荷载作用下,试样轴向变形速率小于0.001 mm/h时表示其变形趋于稳定。受仪器限制,试样呈圆柱体,直径为79.80 mm、高20 mm、体积为100 cm3。

同一级配下,填料的初始干密度不同时,单位体积内构成填料骨架颗粒将不同；含水率不同时,颗粒表面粘滞水量不同,颗粒间接触作用力将不趋一致；所受三向应力中大主应力不同,颗粒位置调整方式不同,从颗粒挤密至棱角破碎后紧密堆叠；宏观不同引发细观差异,细观变化导致宏观变形,填料性质因此呈现不同的压缩与卸荷-回弹规律。因此,设定8组砂岩填料干密度ρd与含水率w进行压缩试验与回弹试验,探究填料压缩特性与卸荷回弹变形规律,具体试验方案见表2。

表2 试验方案

2 干密度对砂岩填料压缩-回弹特性分析

砂岩填料属于颗粒类材料,干密度表征填料单位体积内含有颗粒量,其值越大,表示单位体积内承担荷载作用的骨架颗粒越多。外部荷载在颗粒内部以颗粒摩擦、机械咬合等形式体现,因而填料干密度不同时其压缩与卸荷-回弹过程颗粒间力学行为不趋一致,宏观体现为压缩和回弹过程应变和孔隙比与应力变化曲线及压缩与回弹指标差异。

2.1 干密度对应变及孔隙比曲线影响

整理方案A1～A4试验结果,绘制不同干密度时加载与卸载过程中试样应变ε随轴向应力P变化曲线,如图2。由图2可知,在同一干密度下,加载过程中,应力应变曲线呈上凸形状,在0～0.40 MPa区段为曲线,0.40～1.60 MPa为直线,这表明在低应力条件下试样应变随应力增大而呈非线性增加,高应力状态下线性增加；卸载过程中,应力应变曲线同以应力0.40 MPa为界,大于此应力时曲线呈直线减小,小于此应力时曲线呈上凸减小,并与应变轴存在截距,截距大小即为此过程塑性应变值。粗粒土卸荷过程呈现弯折现象与粉质粘土卸荷回弹规律相似[13]。当ρd不同时,加载与卸载过程试样应力应变曲线形状相似;但相同应力时,ρd越大,试样轴向变形越小。

图2 不同干密度时应变随应力曲线

为更形象表征土体内部孔隙在不同应力条件下变化趋势,可采用式(1)整理方案A1～A4试验数据,即

e=e0-(1+e0)ε

(1)

式中,e为应力为P时试样孔隙比；e0为初始孔隙比；ε为应力为P时应变。

由式(1)得到试样e随P变化曲线,见图3。由图3可知,不同干密度条件下压缩与卸荷-回弹过程试样孔隙比仍以0.40 MPa为界,高于0.40 MPa时曲线呈线性变化,低于0.40 MPa时呈非线性变化。

图3 不同干密度时孔隙比随应力曲线

2.2 干密度对压缩及回弹指标影响

2.2.1 干密度对压缩系数与压缩指数影响

工程中用压缩系数a与压缩指数Cc评价土料压缩性高低,两者均指单位荷载作用下填料孔隙比变化量,a由e-P曲线求得,侧重于e-P曲线任意两点割线斜率；Cc从e-lgP曲线求得,侧重于e-lgP曲线高应力下直线斜率,实际应用时常取P在0.10～0.20 MPa时的数值作为参考。因此整理方案A1～A4试验数据得到荷载0.10～0.20 MPa下a、Cc随ρd变化趋势,如图4。

图4 压缩系数与压缩指数随干密度变化曲线

由图4可知,a、Cc均随ρd增大而逐渐减小,试样压缩性逐渐降低,但Cc有趋于稳定变化；依据a取值分类,砂岩填料从中压缩性土向低压缩性土变化,但依据Cc取值填料属于低压缩性土。因此,出于安全角度,建议工程应用时采用压缩系数来评价不同干密度的灰白砂岩填料压缩性。

2.2.2 干密度对回弹率与卸荷比影响

粗粒料处于压缩过程时,工程上注重填料总变形,可用总应变表示。处于卸荷回弹阶段时更关心其回弹变形,常用卸荷比R0衡量卸荷情况,即

R0=(Pmax-P)/Pmax

(2)

式中,Pmax为填料前期所受最大预压荷载；P为当前所受荷载。

在Pmax作用后,不同卸荷回弹阶段填料回弹变形程度可用回弹率δ表示,即

δ=(ei-emin)/emin

(3)

式中,ei为当前压力P下孔隙比；emin为孔隙比最小值

整理试验方案A1～A4试验结果,由式(2)、(3)得到试样不同ρd时δ随R0变化规律,如图5所示。

图5 不同干密度时回弹率随卸荷比变化曲线

由图5可知,ρd不变时灰白砂岩填料的δ随R0增大逐渐增加,R0不变时ρd越大、δ越大。定义R0=1时为最大回弹率,即δmax。绘制δmax与ρd变化曲线,如图6所示。由图6可知,灰白砂岩填料的δmax与ρd呈线性相关,即δmax=0.262ρd-0.396,R2=0.995。

图6 最大回弹率与干密度曲线

2.2.3 干密度对压缩模量与回弹模量影响

压缩模量Es与回弹模量Er均表征填料抵抗变形能力,工程中取荷载0.10～20 MPa时的Es计算中填料沉降变形,方勇[13]指出卸荷比达某一数值时土料才产生较大回弹变形；鉴于工程应用及现有研究成果,取填料加载阶段加载0.10～20 MPa时的Es与卸载阶段R0=0.94时(此时试样为从0.20 MPa卸至0.10 MPa阶段)的Er进行对比分析,见图7。

图7 压缩模量与回弹模量随干密度变化曲线

由图7可知,Es与Er随ρd增大均呈增大趋势,但两者剧烈变化的区间不同。当ρd为1.75～1.85 g/cm3时,Es增幅小于Er；当ρd为1.85～1.95 g/cm3时,Es剧增,Er却呈现平稳状态；当ρd为1.95～2.05 g/cm3时,Es与Er增幅相当。

3 含水率对砂岩填料压缩-回弹特性分析

水体对岩石颗粒存在软化、润滑等劣化作用,因而填料含水率高低对构成其骨架作用颗粒及颗粒间位置调整方式存在重要影响。同样,从应变和孔隙比与应力变化曲线及压缩与回弹指标差异角度分析含水率对填料压缩与回弹特性影响。

3.1 含水率对应变及孔隙比曲线影响

整理方案B1～B4试验结果,绘制不同含水率时试样加载与卸载过程应变及孔隙比随应力变化曲线,如图8、9所示。由图8、9可知,加载与卸载阶段含水率为8%与10%的试样应变曲线相似,含水率为6%与12%试样应变曲线相似,且前者应变小于后者；试样含水率6%、8%及10%的孔隙比变化曲线相似,位于含水率为12%之上。

图8 不同含水率时应变随应力曲线

图9 不同含水率时孔隙比随应力曲线

在标准击实功下灰白砂岩填料最大干密度为2.11 g/cm3,与之相对应的最优含水率为9.72%；考虑试验误差及填料中细粒吸湿性影响,含水率为8%及10%与最优含水率最为接近,其应变曲线变化相似；同理,6%及12%与最优含水率稍远,其应变曲线相似。干密度相同时填料中含水率越高,其湿密度越大,初始孔隙比越小；当相同轴向应变较大时,含水率大的试样孔隙比越小,这即为应变相似时含水率为12%的孔隙比比6%、8%及10%更小的原因。

3.2 含水率对压缩及回弹指标影响

3.2.1 含水率对压缩系数与压缩指数影响

整理方案B1～B4试验结果,绘制a与Cc随w变化曲线,如图10。由图10可知,①a与Cc随w变化的变化规律一致,呈现先减小后增大趋势；②依据0.10～0.20 MPa时a取值,不同w条件下灰白砂岩填料均属中压缩性土。

图10 不同含水率时压缩系数与压缩指数曲线

3.2.2 含水率对回弹率与卸荷比的影响

绘制不同w时试样δ随R0变化曲线,如图11。由图11可知,δ随R0增大而逐渐增大；在R0=0～0.9时,含水率为10%与12%试样回弹率曲线相似,6%与8%回弹率曲线相似,且前者大于后者；在R0=0.9～1.0时,含水率为10%时回弹率最大,6%时最小。由此可知,当砂岩填料含水率接近最优含水率时其卸荷过程的回弹率最大。

图11 不同含水率时回弹率随卸荷比变化曲线

绘制δmax-w曲线,见图12,采用抛物线方程拟合曲线,得到δmax=-0.001w2+0.016w+0.014,相关系数R2=0.862。可知,w为10%时δmax取最大值。

图12 最大回弹率与含水率曲线

3.2.3 含水率对压缩模量与回弹模量影响

绘制Es与Er随w变化曲线,如图13。由图13可知,Es随w增大呈先增加后减小趋势,且在w=10%时取最大值；Er随w增大呈先减小后增大趋势,且在w=8%～10%时取最小值。当填料含水率位于最优含水率附近时,ρd最大,处于最密实状态；当含水率低于最优含水率时,因水引起填料颗粒间润滑作用相对较小,外荷载更多引起颗粒间弹性变形,则填料Es逐渐增大,Er逐渐减小；当含水率大于最大含水率时,水体润滑作用相对增大,这更有利于填料压缩阶段压密,因而Es减小,但卸荷阶段时填料密度已达最大密度,多余荷载将更大程度引起颗粒棱角挤碎、颗粒破碎等形式塑性变形,因而Er增大。由此可知,砂岩填料Es与Er均在最优含水率附近取得极值,但随着含水率增大两者变化规律相反。

图13 不同含水率时压缩模量与回弹模量曲线

4 结 论

(1)干密度不同含水率相同时,当应力高于0.40 MPa,砂岩填料孔隙比压缩与回弹曲线呈线性变化,低于此应力时呈非线性变化；干密度相同时,砂岩填料孔隙比随含水率增大而逐渐减小,含水率为6%、8%及10%的孔隙比随应变曲线相似。

(2)同一干密度时填料回弹率随卸荷比增大逐渐增加,同一卸荷比时干密度越大,回弹率越大；其最大回弹率与干密度呈线性相关,与含水率二次抛物线相关,且在含水率为10%时取得最大值。

(3)填料压缩模量与回弹模量随干密度增大而增大,但两者剧烈变化的区间不同；随含水率增大两者变化规律相反,压缩模量随含水率增大呈先增大后减小趋势,回弹模量随含水率增大呈先减小后增大规律,但均在最优含水率附近取得极值。

[1]李大维. 高速公里大粒径填石路堤修筑技术研究[D]. 重庆: 重庆交通大学, 2012．

[2]黄少雄, 郑治. 京珠高速公路坚硬石料填石路堤的修筑试验[J]. 公路交通科技, 2000(2):15- 20．

[3]柴贺军, 陈谦应, 孔祥臣, 等. 土石混填路基修筑技术研究综述[J]. 岩土力学, 2004, 25(6): 1005- 1010．

[4]陈生水, 韩华强, 傅华. 循环荷载下堆石料应力变形特性研究[J]. 岩土工程学报, 2010, 32(8): 1151- 1157．

[5]张兵, 高玉峰, 刘伟, 等. 坝体填筑料压缩特性及影响因素分析[J]. 岩土力学, 2009, 30(3): 741- 745．

[6]刘丽萍, 折学森. 山区土石料压实标准及其应用[J]. 土木工程学报, 2006, 39(2): 122- 125．

[7]肖军华. 循环荷载作用下压实粉土的回弹模量试验研究[J]. 公路, 2010(8): 199- 205．

[8]朱俊高, 王元龙, 贾华, 等. 粗粒土回弹特性试验研究[J]. 岩土工程学报, 2011, 33(6): 950- 954．

[9]李德宁, 楼晓明, 杨敏. 基坑回弹变形计算方法研究及应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2012, 31(9): 1921- 1927．

[10]GB/T 50266—2013 工程岩体试验方法标准[S].

[11]朱俊高, 翁厚洋, 吴晓铭, 等. 粗粒料级配缩尺后压实密度试验研究[J]. 岩土力学, 2010, 31(8): 2394- 2398．

[12]SL237—1999 土工试验规程[S].

[13]方勇. 卸荷回弹特性及计算方法研究[J]. 水利与建筑工程学报, 2013, 11(4): 199- 202．

(责任编辑 王 琪)

Experimental Study on Compression and Resilience Characteristics of Sandstone Particle Packing

WANG Shiru, LEI Weili
(Chongqing Water Resources and Electric Engineering College, Chongqing 402160, China)

By setting different dry densities and moisture contents, 16 groups of compression and resilience tests are carried out to explore the changing tendency of strain and pore ratio with stress in the process of compression and resilience of gray sandstone. The relationship between rebound rate and unloading ratio in the process of unloading is analyzed. The mathematical formula of maximum rebound rate with dry density or water content of particle packing is obtained, and the variation regularities of compression modulus and resilient modulus are also summarized．

compression-resilience characteristics; dry density; moisture content; rebound rate; compression modulus; resilient modulus； sandstone particle packing

2016- 10- 14

王世儒(1981—),男,辽宁凤城人,讲师, 硕士,主要从事水工建筑材料研究．

TV41

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0559- 9342(2017)05- 0119- 06