颗粒级配对粗粒土强度和变形特性的影响

陈爱军

(湖南工程学院 建筑工程学院，湘潭 411104)

颗粒级配对粗粒土强度和变形特性的影响

陈爱军

(湖南工程学院 建筑工程学院，湘潭 411104)

对掺加不同比例碎石的粗粒土进行了大型三轴试验，得到了颗粒级配对粗粒土强度和变形特性的影响规律.在素土中掺加不同比例的碎石可以明显改善土体的颗粒级配组成；素土和改良土的应力应变关系表现为加工硬化型，随着粗粒含量的增加，同一轴向应变对应的偏应力增大，围压增加也会导致偏应力增大；偏应力与轴向应变表现为明显的双曲线关系，初始切线模量和极限应力随着P5含量和围压σ3的增加而增大；P5含量的增加有助于提高土样内摩擦角φ和黏聚力C，而含泥量增加会导致内摩擦角φ和黏聚力C减小；低围压时粗粒含量较多的土样表现出明显的剪胀，较高围压时产生的体积应变较大；径向应变ε3与轴向应变ε1表现为明显的抛物线关系，通过改进的邓肯-张的E-ν模型得到初始泊松比μi受围压和颗粒级配的双重影响.

级配；粗粒土；大型三轴试验；变形和强度特性

粗粒土泛指颗粒粒径变化较大，由块石、碎砾石、砂粉粒和黏粒等颗粒组成的混合土.从20世纪80年代以来，在工程建设中，粗粒土由于具有易压实、透水性强、抗剪强度高、密度大、沉降小和承载力强等特点而被广泛应用，国内外对粗粒土的研究主要集中在土石坝堆石料应力应变关系、强度变形特性和高围压的颗粒破碎特性[1-7]，针对作为铁路和公路路基填料的粗粒土的研究较少[8-12].堆石料的粒径相对较大、细料含量少且处于高应力环境，而作为路基填料的粗粒土粒径较小、细料含量多且承受应力较小，因此它们的应力应变特性也有所区别.根据郭庆国的研究成果[8]，粗粒土的颗粒级配组成是决定抗剪强度特性的主要因素，因此，针对铁路及公路路基填料粗粒土，开展颗粒级配组成对粗粒土的强度及变形特性研究具有较强的工程实践意义.

在对粗粒土工程特性的研究中，郭庆国[8]通过大量试验研究结果发现粗粒土的各项工程特性指标首先取决于粗、细料各占的百分数，当粗料含量≤30%时,各项工程特性指标主要取决于细料，当30%≤粗料含量≤70%时,工程特性指标同时具有两种土的性质，当粗料含量≥70%时，粗粒土的工程特性指标主要取决于粗料.饶锡保[13]认为P5含量与土料的击实特性、渗透性及强度特性都有一定的相关性，P5含量与强度参数关系密切；凌华[14]研究了颗粒级配和颗粒破碎对堆石料动静力特性的影响，发现当细颗粒含量在30%以内时,堆石料的强度指标和变形参数随细颗粒含量的增加而提高；陈志波[15]采用中三轴和大三轴仪对宽级配砾质土的强度、应力应变和邓肯-张模型参数进行了试验研究，指出掺砾量和干密度对砾质土的强度和变形特性有较大影响；李振[16]利用直剪试验研究了两种粗粒土的细粒含量和干密度分别对其抗剪强度参数的影响以及抗剪强度参数变化规律.综上所述，粗粒土的颗粒级配组成对工程特性有显著影响，虽然已有研究成果初步探讨了掺砾量和细粒含量对粗粒土抗剪强度的影响，但对低应力环境下的路基填料粗粒土仍有待于更深入的研究.本文针对某种高速铁路路基不良填料及四种掺加不同碎石得到的改良粗粒土，进行大型三轴试验研究，初步得到了颗粒级配组成对粗粒土强度和变形特性的影响规律.

1 试验土料

试验土料分素土和改良土，素土呈棕黄色，散粒状，无明显黏结.根据素土的颗粒组成和《铁路路基设计规范》(TB10001-2005)[17]的规定，这种土为粉砂，属于C组不良填料.我国《高速铁路设计规范(试行)》(TB 10020-2009)规定：当选用C组填料时，应根据填料性质进行改良.本试验采用物理改良的方法，在素土中分别掺入20%、40%、60%和80%的粒径介于5～40 mm的碎石,经掺配得到改良土1、改良土2、改良土3和改良土4，素土、掺配碎石及改良土的土性和级配参数见表1、表2和图1所示.

表1 素土及碎石物理参数

表2 试验土样的级配参数

图1 试验土样级配曲线

表1～表2说明，素土的塑性指数大于10且含泥量(小于0.1 mm颗粒含量)[8]高达21.28%，掺入碎石后的改良土应具有部分黏性；随着碎石掺量的增加，土料的不均匀系数Cu明显提高有助于改善素土的级配组成，改良土4的Cu和Cc分别比改良土3的减小和增大.依据表2数据和文[17]可以判定改良土2～改良土4都为砾类土，属于B组填料，可以用作高速铁路基填料并符合压实性能要求.从图1可以发现，素土掺入不同比例的碎石后，级配曲线中段部分明显下移，但5～1 mm段曲线比较平坦，这与文[8]的研究成果是相符的.

2 试验方法

本文采用SZ30-4大型三轴仪进行固结排水剪切试验(CD试验)，试样尺寸Φ300×600，土样颗粒最大粒径为60 mm，压实度控制为95%.先按预计含水量和碎石含量配制混合料，然后根据要求干密度分6次称料倒入安装在压力室底座上的钢模内(橡皮膜套在钢模内壁)，每层土料刮平后击实厚度控制在10 cm左右.制样完成后进行抽气饱和,即在真空泵作用下，连续抽气使试样内部保持-90 kPa 1 h，随后打开进水阀门让土样由下而上开始饱和，直到试样上部出水，持续20 min，停止抽气，然后改用水头饱和法进行饱和，直至孔隙压力系数B大于等于0.95为止.

固结方法为各向等压固结，作为路基填料的法向应力通常较低[9]，因此采用较低固结围压，分别为100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa，固结过程中可以根据试样的排水量获得试样的体积变化，在固结过程中当孔隙水压力uw消散至小于0.02σ3时即认为固结完成.固结完成后马上施加轴向压力进行剪切，为有利于孔隙水压力的消散，且根据以往经验确定剪切速率为0.5 mm/min.关于破坏标准的确定，若应力应变曲线出现峰值，则峰值主应力差为破坏标准；若应力应变曲线未出现峰值，则以轴向应变15%对应的主应力差为破坏标准.

3 试验结果分析

3.1 应力应变特性

土样在100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa围压的主应力差(σ1-σ3)与轴向应变ε1的曲线如图2所示.图2显示，不同土料在四种围压下的应力应变关系存在一致性，即轴向应变ε1随着主应力差值(σ1-σ3)的增加而增大，应力应变关系表现为加工硬化型，没有明显的应力峰值，呈现出塑性破坏的特征；而且，随着P5含量的增加，相同ε1对应的主应力差是提高的，说明P5含量增加有利于提高粗粒土强度；围压增大时，同一轴向应变对应的主应力差也明显增加.同时，应用邓肯-张双曲线模型拟合应力应变关系相关性较好，邓肯-张双曲线模型较适合描述加工硬化型的应力应变关系[13].

图2 应力-应变关系曲线

采用邓肯-张双曲线模型的公式(1)拟合主应力差与轴向应变的关系曲线，式中a为初始切线模量Ei的倒数，b是极限应力差(σ1-σ3)lim的倒数，因此根据a和b可以计算各种土样在不同围压下的Ei和(σ1-σ3)lim，根据Ei和(σ1-σ3)lim与P5的关系绘制图3.

图3 初始模量和极限应力差与P5的关系

(1)

图3表明，初始切线模量Ei与P5含量线性相关性较好， 在相同围压时Ei随着P5含量的增加而增大，在相同P5含量时围压升高会导致Ei增大，说明P5含量越多导致土样刚度越大并提高土体的抗变形能力.极限应力差(σ1-σ3)lim与P5的关系也表现出同样的性质，只是在P5达到70%以后(σ1-σ3)lim趋于稳定，掺加过多粗粒含量对于提高土的承载能力不是很明显.

3.2 强度特性

图4 土料莫尔圆及强度包线

从图4可以发现，含较多细粒的素土及改良土1和改良土2直线拟合较好，改良土3和改良土4由于含粗粒较多而导致直线拟合较差.具有黏性的粗粒土的抗剪强度分为黏聚分量、剪胀分量和摩擦分量[18]，黏聚分量在极小的应力下就发挥到最大后并不再上升或有些降低，摩擦分量与正应力成正比，剪胀分量只有在粗粒含量多低围压下作用明显，剪胀提供的强度分量在围压较大时迅速降低导致强度包线弯曲，因此改良土3和改良土4的强度包线呈现曲线特征.抗剪强度参数黏聚力C及内摩擦角φ与颗粒级配的关系如图5所示.

图5 C和φ与颗粒级配的关系

图5表明随着粗粒含量的增加，土样的抗剪强度参数都是增大的.内摩擦角φ随粗颗粒含量增加而线性增大，这与李远耀[19]通过大量统计得到的结果是相同的；黏聚力C只有在P5含量超过30%才增加较明显，P5含量达到60%以后黏聚力的增加较少.同时，随着土中含泥量的增加,抗剪强度参数都是减小的,但是减小的规律也不一样,内摩擦角φ是随含泥量增加呈线性减小,黏聚力C在含泥量从13%～17%之间减小较明显.在偏应力作用下，粗粒土的内摩擦角主要是由粗颗粒之间的相互摩擦来提供，因此粗颗粒含量越多则摩擦角越大，含泥量越多则内摩擦角越小.黏聚力主要包括两部分[14]，一部分是细粒粒间吸引力，另一部分是粗粒之间的咬合力，当粗颗粒含量较少时，粗颗粒被细粒所包围，黏聚力以粒间吸引力为主，而粒间吸引力主要与细粒土的含水量、矿物成分和塑性指数有关，因此粗粒含量的增加对黏聚力影响不大；当粗粒含量增加到30%以上，细粒土不能完全填充粗颗粒之间的空隙而使得粗颗粒直接接触，此时黏聚力以粗粒之间的咬合力为主，粗粒含量越多则咬合力越大，但当粗颗粒增加到55%～60%以上后，土中大部分是粗颗粒，咬合力趋于平衡，黏聚力不再随着粗粒含量的增加而显著增大.含泥量对黏聚力的影响机理类似，当土中粗粒含量较多时含泥量的增加对咬合力的影响不大，只有当含泥量增加到10%～15%以上，细粒含量超过50%，造成粗颗粒之间不能直接接触，含泥量增加导致咬合力急剧降低，但当土中细颗粒较多把粗颗粒隔开时，土中黏聚力以粒间吸引力为主，含泥量的增加对黏聚力的影响不明显.

3.3 变形特性

试样的体积应变εv与轴向应变ε1关系如图6所示.

图6 体积应变与轴向应变的关系

图6表明，素土在各种围压下体积应变都随着轴向应变的增加而增大的，即素土的体积变形具有典型的剪缩特性，这是由于素土的颗粒组成以细粒为主导致的.

围压100 kPa和400 kPa的径向应变ε3(以增大为正)与轴向应变ε1的关系如图7所示.

当围压为100 kPa时，改良土1和改良土2没有明显的剪胀，而改良土3和改良土4表现为先剪缩后剪胀的特点，尤其是改良土4的剪胀性最显著，低围压时，改良土3和改良土4以粗颗粒为主，土中孔隙较多，随着偏应力的增大，细颗粒先填充土中孔隙导致剪缩，偏应力再增大时，由于围压小使得相邻颗粒容易彼此翻越而产生剪胀[1，9].

随着围压升高(200 kPa～300 kPa)，体积应变随着轴向应变的增加而增大，改良土4和改良土3的体积应变达到峰值后减小，改良土1和改良土2的体积应变一直随着轴向应变的增加而增加或趋于稳定，说明偏应力增大使体积压缩到一定程度后粗颗粒含量较多更容易导致相邻颗粒彼此翻越.

围压增加到400 kPa时，改良土的体缩特征明显，而且改良土4的体积收缩最大.改良土4的粗颗粒含量最多，粗颗粒以棱角分明的碎石为主，碎石在较大的偏应力作用下容易崩角破碎，所以在较高应力环境下粗粒土较容易产生较大变形而对工程结构带来潜在的隐患.改良土2和改良土1的体积应变都比素土的小，说明掺加适量的粗颗粒在较高应力环境下有利于改善土体的变形性能.

图7 围压100 KPa时ε3～ε1的关系

从图7(a)可以明显发现ε3/ε1与ε3不存在线性关系，即径向应变ε3与轴向应变ε1的关系不符合邓肯-张E-ν模型的双曲线假定；仔细分析图7(b)的曲线，采用折线关系[10]处理ε3～ε1不太合理，而ε3与ε1的抛物线关系非常明显，相关性较好，因此可以采用式(2)修正邓肯-张E-ν模型并求出切线泊松比μt用式(3)表示.

(2)

(3)

式中：D和T为试验参数，T等于初始泊松比μi.表3列出了围压分别为100 kPa和400 kPa时五种土样所对应的D和T的拟合值，可见D、T与试验围压σ3和土样颗粒级配有关，400 kPa围压的μi值要比100 kPa围压的μi值小，说明围压增大会抑制试样的横向变形；除素土外，400 kPa围压的μi值随着粗粒含量增加而减小，100 kPa围压的μi值都随粗粒含量增加而增大，粗粒含量对初始泊松比的作用受围压大小影响，围压较大时粗颗粒可以抑制横向变形，围压小时粗粒含量越多反而会导致横向变形愈大.

表3 试验参数D和T

4 结 论

本文采用大型三轴试验对素土及掺加不同比例碎石的改良土的强度和变形特性进行了试验研究，得到以下结论：

(1)以细粒含量为主的素土经掺加不同比例的碎石可以明显改善土体的颗粒级配组成，不均匀系数Cu明显提高，但掺加过多的碎石对改善颗粒级配不利.

(2)素土和改良土的应力应变关系表现为加工硬化型，没有明显峰值应力；随着粗粒含量增加，同一轴向应变对应的主应力差增大；围压增加也会导致主应力差增大；主应力差与轴向应变表现为双曲线关系，初始切线模量Ei和极限应力(σ1-σ3)lim随着P5含量和围压σ3的增加而增大；

(3)随着P5含量的增加，土样内摩擦角φ线性增加，P5含量在30%～60%范围时黏聚力c增大明显；随着含泥量的增加,内摩擦角φ呈线性减小,黏聚力c在含泥量从13%～17%之间减小较明显；

(4)围压较低时,颗粒级配是影响体积变形性能的主要因素，粗粒含量较多的土样表现出先剪缩后剪胀的特点，粗粒含量少的土样表现为体积收缩；围压较高时，随着轴向应变增大体积收缩增加，且掺碎石越多产生的体积应变越大；ε3～ε1具有明显的抛物线关系，通过改进的邓肯-张E-ν模型得到的初始泊松比μi受围压和颗粒级配的双重影响，围压是影响μi的主要因素；

(5)根据颗粒级配对粗粒土强度变形特性的影响规律，在细粒土中掺入适当粗颗粒(碎石)可以改善颗粒级配组成和强度变形特性，掺加过多的粗颗粒容易产生过大的体积变形和不经济性.

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TheInfluenceofParticleGradationonStrengthandDeformationCharacteristicsofCoarse-grainedSoil

CHEN Ai-jun

(School of Architecture Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China)

Large triaxial tests of coarse grained soil mixed with different proportions of gravel have been performed, which obtains the effect law of particle gradation on strength and deformation characteristics of coarse grained soil. Mixing different proportions of gravel into the natural soil can significantly improve the particle size distribution. The stress-strain relationship of natural soil and improved soil work is hardening. With the increase in coarse content, the same axial strain corresponds to the deviator stress increases. The increase of confining pressure will increases the deviator stress. Deviatoric stress and axial strain show a hyperbolic relationship. Initial tangent modulus and ultimate stress increase as the increase of P5 content and confining pressure. The increase of P5content helps to improve the internal friction angle and cohesion. The increase of clay content decreases the angle of internal friction and cohesion. As low confining pressure, the soil samples with more coarse content show significant dilatancy; as high confining pressure, the volumetric strain increases; the relationship of radial strain with the axial strain performs parabolic. By improving Duncan-Chang E-ν model, the initial Poisson’s ratio is affected by the confining pressure and the particle size distribution.

gradation; coarse-grained soil; large-scale triaxial test; strength and deformation characteristics

TU411

A

1671-119X(2017)03-0075-07

2017-03-08

陈爱军(1974-)，男，博士研究生，副教授，研究方向：特殊土处理.