粗粒含量对砂泥岩类填料力学性质的影响研究

徐 俊，韩文喜，吴亚东，易琳力，孙 晨

(1.成都理工大学环境与土木工程学院，四川成都610031；2.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610031；3.中国建筑西南勘察设计研究院，四川成都610059)

0 引 言

砂页岩型填料为砂岩和泥岩互层构造地层，机械开挖爆破后，获得的砂页岩混合粗粒材料广泛分布在成都和重庆的砂页岩夹层结构地层中，以重庆地区为例，据《重庆地质图(比例尺 1∶500 000)》，三叠纪、侏罗系和白垩系地层砂泥岩层间结构总厚度达2～6 km。在实际的开挖过程中，很难将两者完全分开，因此将两者的混合物用作主要建筑材料，并广泛用于机场填充、水利大坝、公路和铁路路基等项目。在实际的机场高填方项目中，填充材料的最大粒径超过1 000 mm，最小粒径小于0.075 mm。在大粒径范围内，不同粒径的颗粒含量孔隙特性不同，特别是粒径大于5 mm的粗颗粒含量对填料的力学性能有显著影响，对建筑物的稳定性和沉降变形影响巨大。

在水土堆石坝的填筑工程以及铁路和公路的道路填筑中，关于土石混合料的强度和变形特性的文献相对较多。凌华等[1]利用大型三轴排水剪切试验探究了不同岩性及密度的条件下细粒含量对抗剪强度特性的影响。王光进等[2]采用FLAC软件模拟砾石粗粒土的三轴压缩试验得出，在相同的粒径级配条件下，粗粒土内摩擦角随粗粒含量增大而明显增大。杜俊等[3]采用室内中型直剪仪研究了粗粒含量对堆石体剪切特性的影响。王光进等[4]利用大型直剪试验研究了粗粒含量对试样抗剪强度参数以及颗粒破碎特性的影响。但是，目前国内外的研究学者都以机场高填方工程中的页岩型填料为具体研究对象，有关粗颗粒含量对其力学性能影响的相关文献很少。张文学[5]研究了戈壁地区高速公路粗粒土填料的力学特性发现，粗粒土含量越大，击实后干密度越大。李振等[6]研究了粗颗粒组分含量对中细砂抗剪强度的影响发现，在同一级配下，增加粗颗粒含量，各组混合砂样抗剪强度均表现出先降低后升高的趋势[7-10]。本文针对不同粗粒含量的砂泥岩填料采用不同的试验方法(常规三轴试验、三轴压缩试验、离散元模拟三轴试验等)，对粗粒含量对机场高填方砂泥岩类填料力学性质的影响进行研究。

1 试验设计

1.1 试样制备

根据建设单位的详勘报告，试验材料取自重庆江北国际机场东航站区及第三跑道建设项目料源，主要取自侏罗系沙溪庙组的风化砂质泥岩、中风化砂岩和中风化泥岩，以及分布厚度较薄的粉质粘土。测试材料取自砂岩和泥岩爆破材料。根据重庆机场3个料源场的统计发现，砂岩质量占总质量的30%时，接近于实际的建筑填充料。因此，本文分别对现场取样的砂岩和泥岩爆破材料进行筛选，按一定的比例进行混合，按砂岩与泥岩质量比为3∶7均匀混合制成试验样品。根据规格，样品的自然水分含量为2.5%。

1.2 试样级配设计及试验方法

根据MH/T 5035T—2017《民用机场高填方工程技术规范》对填料类别的分类，设计的试验方法及试样数量见表1，级配见图1。为了研究粒径大于5 mm的粗颗粒含量P5对于土石混合料力学性质的影响，本文针对P5分别为70%、50%和30%设计了3种级配，分别进行了试验研究。

表1 试样数量及研究方法

图1 颗粒级配

2 试样强度变形特性试验研究

2.1 常规三轴试验、三轴压缩试验

试验设计试样为高140 mm、直径70 mm的圆柱形试样，并根据95%的压实度秤取相应质量的土料，取最优含水率，采用三瓣膜法击实器分层装料、压实。样品制备完成后，将乳胶膜置于膜接收管上，并分别在100、200 kPa和300 kPa的压力下置于MTS三轴试验机的压实室中进行试验。级配5偏应力与轴向应变的关系见图2。从图2可知，级配5土料并没有明显的偏应力峰值。因此，将轴向应变达到15%时的偏应力值作为试样的破坏强度值。不同围压下试样的破坏强度值及压缩模量见表2。

表2 试样破坏强度值及压缩模量

图2 级配5应力-应变关系

根据不同围压下试样的破坏强度值，应用摩尔-库伦准则绘制摩尔圆(见图3)。计算级配5土料的粘聚力为10.43 kPa、内摩擦角为19.97°。

图3 级配5应力摩尔圆

利用YS-30A型应力路径控制大型三轴剪切试验机进行三轴试验。每1个级配分别在围压100、200 kPa和300 kPa条件下进行三轴压缩试验。每次试验后进行1次筛分试验，以便后续进行填料破碎性的研究。从试验结果可以发现，级配2～4在不同围压下均表现出剪胀现象，应力-应变关系见图4。从图4可知，在每1级配条件下，试样均表现出通常散粒土石混合料的三轴压缩应力-应变曲线特征，且3组试验在100 kPa围压下均有软化现象，峰值强度均出现在轴向应变为5%左右，偏应力随着轴向应变继续增大开始下降，在轴向应变达到10%左右时趋于稳定。级配4的软化现象最明显，级配2较级配3的软化现象明显，这一现象并没有与试样中粗颗粒含量P5表现出线性相关关系。分析认为，试样中粗颗粒含量并不是直接影响试样的强度软化特性，而是与细颗粒等不同粒径构成不同的孔隙特征影响试样的强度软化特性，可能与试验过程中大颗粒的剪切破碎有关。

图4 级配2～4应力-应变关系

在不同围压条件下，每1级配试样的破坏强度以及压缩模量见表3。根据不同围压下试样的破坏强度值，应用摩尔-库伦准则并绘制摩尔圆(见图5)，分别计算各组试样的抗剪强度参数，计算结果见表4。

表3 试样破坏强度及压缩模量

图5 级配2～4应力摩尔圆

表4 试样抗剪强度参数

2.2 离散元模拟三轴试验研究

级配1是石料粒径颗粒占多数的散粒体，颗粒之间的粘聚力可以不计。因此，采用非粘结线性接触模型，模型本构关系见图6。图6中，Ks、Kn分别为弹簧的切向、法向模量；ηn为阻尼，Un为两颗粒之间法向相对位移量。

图6 颗粒接触本构模型

为消除边界效应，保持与室内三轴试样的一致性，在离散元模拟中，建立高径比为2∶1的圆柱形试样。级配1的石料需考虑三轴压缩试验的尺寸效应，确定试样最短边即试样直径与最大粒径比值为5。因此，确定模拟的三轴试验尺寸直径为1 000 mm、高为2 000 mm。

由级配1的级配曲线确定每组粒径范围内质量含量，即可确定相应粒径范围内土颗粒所占试样总体积的体积含量。然后，以每组粒径范围的平均粒径为圆球颗粒的直径计算出颗粒数目，再在PFC软件中随机生成。在级配1曲线中，1～5 mm粒径范围内土体质量仅占5%，但计算所得颗粒数目达到300多万颗，大大降低了计算效率。因此，在模拟时最小粒径取5 mm。

对于级配1试样模拟所需的细观参数，本文通过先模拟级配2试样并不断调整细观参数和试算，使模拟得到的级配2试样的应力-应变曲线与实际室内试验相吻合时，用所得的细观参数来获取。再将这组参数代入级配1试样的离散元模拟中。

建立尺寸与室内三轴压缩试验试样尺寸相一致的高600 mm、直径300 mm的圆柱形试样，分别在100、200 kPa和300 kPa围压条件下进行3次模拟试验，导出计算结果绘制应力-应变曲线，与级配2试样室内三轴压缩试验的应力-应变曲线对比(见图7)。从图7可知,离散元模拟三轴压缩试验的应力-应变曲线与室内试验基本一致，差别在于离散元模拟的应力-应变曲线表现出硬化特性；室内三轴压缩试验得出的应力-应变曲线，特别是在100 kPa围压条件下表现出明显的软化特性。主要是因为在离散元模拟中，替代土颗粒的是规则的刚性圆球，实际上土颗粒是具有棱角且不规则的。在剪切过程的后期，尤其是粒径较大的土颗粒可能随着继续剪切发生破碎，破碎成较小粒径的颗粒填充试样中的孔隙，不像模拟时试样的压密仅仅是通过圆球颗粒之间相对位置发生滑移而实现的理想状态。

图7 级配2试样室内试验与模拟试验结果对比

室内三轴压缩试验与模拟的三轴压缩试验应力-应变曲线在偏应力迅速上升后会表现出不同的特性，偏应力由快速变化到缓慢变化时即应力-应变曲线的拐点，对应的轴向应变均在5%左右，并且偏应力峰值相差并不大，初始模量也很相近，室内试验与模拟试验的应力-应变曲线总体上是一致的。可以认为，离散元模拟时选取的细观参数是正确的。具体的细观参数见表5。表5中，kn为两接触颗粒之间的法向接触刚度系数；ks为两接触颗粒之间的切向接触刚度系数；μ为两接触颗粒之间摩擦系数；ρ为颗粒圆球的密度；k_wall为墙体的刚度。

表5 离散元模拟细观参数

将得出的细观参数代入建立的级配1试样的模拟模型中，分别在100、200 kPa和300 kPa围压条件下进行3次模拟试验，导出计算结果并绘制级配1试样的应力-应变曲线，见图8。通过图8可以得出级配1试样在不同围压条件下的压缩模量以及破坏强度，见表6。根据不同围压下试样的破坏强度值，应用摩尔-库伦准则绘制摩尔圆，见图9，计算级配1试样的抗剪强度参数。级配1试样的内摩擦角为58.14°，粘聚力为167.30 kPa。

图8 级配1应力-应变关系

表6 级配1试样破坏强度及压缩模量

图9 级配1应力摩尔圆

3 粗粒含量对砂泥岩类填料力学性质的影响

3.1 对应力-应变特性的影响

根据不同级配试样试验所绘制的应力-应变曲线得到主应力差(σ1-σ3)表示的每组试样的强度破坏值，绘制试样强度破坏值与级配之间的关系图，见图10。从图10可知，每组级配试样围压越大，强度破坏值就越大。级配1～ 5试样的粗粒土含量逐步减小，试样的强度破坏值也逐步降低。可以认为，试样粗粒土含量与强度破坏值呈正相关。

图10 强度破坏值与级配的关系

级配2～4试样的试验方法和控制因素等均是相同的，仅是粗颗粒含量P5不同。绘制级配2～4试样强度破坏与粗粒土含量关系曲线，见图11。从图11可知，3组级配试样在任一围压下的强度破坏值均随P5的增大而增大，然而试样强度破坏值对于P5的敏感性有较大差异。P5增大到60%时，峰值强度提高速度随着粗颗粒含量增大而加大。分析认为，P5增大到60%时，粗颗粒表现出一定的骨架作用，细颗粒土仅仅起到填充作用。由于粗颗粒外形的棱角状，剪切过程中颗粒间需要交叉并经历较大的滑移路径，以重新排列填充颗粒间空隙，直至粗颗粒发生破碎，因此剪切强度显著提高。

图11 强度破坏值与粗颗粒土含量的关系

3.2 对抗剪强度特性的影响

根据试验得到的不同级配试样的抗剪强度参数，绘制抗剪强度参数与级配的关系曲线，见图12。从图12可知，级配1～5试样的粘聚力和内摩擦角都是逐步减小的。可以认为，随粗颗粒含量P5的增加，砂泥岩类填料的抗剪强度参数也越大，两者呈正相关。

图12 抗剪强度参数与级配的关系

粗颗粒含量P5对内摩擦角与粘聚力的影响是不同的。试样内摩擦角与P5之间的关系类似于试样强度破坏值与P5之间的关系。P5增大到60%时，内摩擦角的提高随着粗颗粒含量增大而变化显著。分析认为，当P5增大到60%时，粗颗粒间相互嵌入咬合并表现出骨架作用，在剪切过程中，颗粒间咬合力显著增加并表现为内摩擦角明显提高。

P5对粘聚力的影响则表现出相反的情况。在P5增大到60%时，粗颗粒表现出骨架作用，但细颗粒只填充大颗粒之间的孔隙，粘聚力仅仅表现为粗颗粒之间的接触与摩擦，因此P5即使再增大，粘聚力也基本没有变化。P5在60%以下时，细颗粒开始起作用，粘聚力表现为粗颗粒与细颗粒、细颗粒与细颗粒、粗颗粒与粗颗粒之间的接触咬合以及颗粒之间的摩擦，因此随着粗颗粒含量减小，粘聚力开始出现显著变化。可以认为，砂泥岩类填料的粘聚力由细颗粒含量控制，抗剪强度参数、内摩擦角由P5控制。

3.3 对颗粒破碎特性的影响

对级配2～4试样进行试验的筛分，再将Marsal[11]定义的破碎率Bg作为颗粒破碎程度的度量，得出试样在不同围压下的颗粒级配及颗粒破碎率，见表7。从表7可知，试验后小于5 mm的细颗粒含量显著增加，级配4试样细颗粒含量增加幅度最小，而级配2试样增加的幅度最大。分析认为，级配4试样细颗粒含量最小为70%，粗颗粒含量最小为30%，粗颗粒部分悬浮在细颗粒中，最不容易发生破碎。级配2试样的颗粒破碎程度最大，在三轴压缩试验后期，破碎而成的小粒径颗粒更容易填充大颗粒之间的孔隙，并引起试样内部颗粒重新发生滑移排列，宏观上表现出更为明显的软化现象。

表7 试样颗粒级配及颗粒破碎率

根据表7中计算的不同围压下各级配试样的破碎率，绘制级配与破碎率的关系曲线，见图13。从图13可知，试样的破碎率也随着粗颗粒含量的增大而增大，各级配试样的整体破碎率随着围压增大而增大。同时，由粗颗粒含量不同引起的破碎率变化幅度明显大于由围压变化引起的破碎率变化幅度。在砂泥岩填料中，粗颗粒的含量相较于压力大小导致试样破碎的效果更为显著。结合砂泥岩类填料颗粒破碎结果与三轴试验中试样的抗剪强度、峰值强度参数等结果可以看出，试样更高破碎率对应更大的抗剪强度参数及更高的峰值强度。

图13 试样破碎率与级配的关系

3.4 对压缩特性的影响

根据各级配试样三轴压缩试验的应力-应变曲线求得压缩模量Es，绘制压缩模量Es与级配之间的关系曲线，见图14。从图14可知，各组级配试样的压缩模量都随围压变大而变大，随级配1～5试样的粗粒土含量减小呈现逐渐降低的趋势。可以认为，试样粗粒土含量P5与压缩模量呈正相关。根据分析，随着粗粒土含量的增加，分布在样品剪切面上的粗颗粒的数量也增加，大颗粒之间的接触、摩擦与咬合作用增强，使得试样产生同样的剪切变形时所需的剪应力增大。因此，试样表现出压缩模量随着粗粒土含量的增大而增大的现象。当P5低于60%时，粗颗粒与细颗粒共同作用构成试样，即使当粗颗粒含量更少时，粗颗粒悬浮在细颗粒中，试样的剪切面上分布的均是细颗粒，这种情况下，随着粗颗粒含量的减少，压缩模量下降的趋势趋于平缓。

图14 试样压缩模量与级配的关系

4 结 语

本文基于重庆机场高填方砂泥岩类填料设计了5组级配试样，通过击实试验、三轴试验、三轴压缩试验以及离散元模拟三轴试验等，对粗粒含量对机场高填方砂泥岩类填料力学性质的影响进行了研究，得出以下结论：

(1)砂泥岩类填料试样的压缩模量、内摩擦角、强度破坏值与填料的粗粒含量呈正相关。粗粒含量P5低于60%时，试样的力学参数数值随粗粒含量变化不太显著，P5增大到60%时，随着粗颗粒含量的增加，上述参数值开始显著增大。

(2)砂泥岩类填料试样的粘聚力与粗粒含量呈正相关。P5增大到60%之前，试样的粘聚力随粗粒含量增大变化显著。P5增大到60%之后，试样的粘聚力基本不随粗粒含量变化而变化。

(4)试样粗粒含量越大，颗粒的破碎程度越大，试样更高破碎率对应着更大的抗剪强度参数及更高的峰值强度。同时，试样的应力-应变曲线表现出更强的软化现象。