强夯作用下碎石土颗粒破碎细观机理研究

付 乐 丛晓明 李 刚 邱 军

(建设综合勘察研究设计院有限公司，北京 100007)

0 引言

在围海造地和山区填谷等工程中，大量使用碎石土作为回填料。工程中使用的碎石土多数是由工程爆破或者机械开挖形成的，其形成环境与工程实施密切相关，相对于自然地层中其他成因的碎石土，工程碎石土存在不均匀性、密度值离散、欠固结、孔隙率高、渗透性大和颗粒强度高等问题。

对于大面积疏松状态且回填厚度不均匀的碎石土堆填场地，采用何种填筑--压实(夯实)方式和地基基础形式，有效而经济地满足工程建设强度、变形、稳定性等各方面要求，已是碎石土场地地基处理和基础设计中一个极其关键的问题。

我国在这方面已经确立了强夯法、碾压法、桩基础等系统的地基处理或基础方案，其中又以强夯法表现最为突出。强夯法处理碎石土地基具有单位造价低、施工设备简单、施工速度快、质量容易保证等突出优势，在碎石土地基处理方案中获得了广泛地应用。对于碎石土回填层特别厚的地基，通过分层回填、逐层强夯的方法，可以很好地解决高填筑体的压密效果和整体稳定问题，保证各回填层间紧密接触，地基承载力和工后变形均能满足一般建构筑物的要求。

虽然取得了大量的工程案例经验，人们对碎石土地层强夯加固的机理，特别是细观机理的认识还不够深入，很多工程设计与施工还停留在凭借经验和案例参照的阶段，这也导致了不少失败的项目[1-2]，例如重庆江北机场的建设，跑道的道槽区部分有冲沟，碎石土填方达10 m以上，虽经分层碾压至道槽部位，并在上层用强夯法进行处理，但在填方地段仍然出现了大面积不均匀沉降，给工程使用造成了很大的影响[1]。

深入研究工程碎石土的基本力学特性，揭示碎石土强夯加固的机理，已经成为工程实践对理论提出的一个紧要的研究课题，具有重要的现实意义。

本文运用颗粒破碎试验对碎石土的强夯加固细观机理开展研究。颗粒破碎研究可以揭示碎石土的破碎率、级配情况、剪切强度、孔隙比、干密度与外界压力作用的关系，阐明碎石土在强夯作用下的破碎和密实机理。

1 试验方法

1.1 试验所用的碎石土基本物性指标和制样

试验选用大连某原油储备库的石英岩碎石土回填料制备试样。在工程现场，爆破或机械开挖所产生的石英岩碎石填料的粒径较大且不均匀，最大粒径超过1000 mm，远超过试样允许的最大颗粒粒径(60 mm)，因此，制备试样时须根据现场典型级配进行缩尺。本试验采用结合法对超粒径颗粒进行处理，处理后的碎石土级配情况见图1和表1。试样不均匀系数Cu为5.44，曲率系数Cc为0.88，制样干密度为1.96 g/cm3。

图1 大连某原油储备库碎石料的级配曲线

表1 试样级配组成

1.2 试验方法

首先对碎石土进行颗粒分析试验，随后进行不同围压的排水三轴剪切试验，模拟不同能级的强夯加载过程，在剪切试验后，将整个试样风干，再次开展颗粒分析试验，研究颗粒破碎情况。

试验使用大型三轴试验仪完成，其试样尺寸为φ300 mm×h600 mm，允许的最大粒径为试样直径的1/5，即60 mm。

试验方法参照《水电水利工程粗粒土试验规程》(DL/T5356—2006)[3]中的大型剪切试验开展。

1.3 试验方案

剪切试验采用5个围压水平，分别为100 kPa、400 kPa、800 kPa、1200 kPa和1600 kPa。

1.4 颗粒破碎量化指标的选择

选择合理的颗粒破碎试验量化指标能够客观反映颗粒破碎的具体情况，是开展颗粒破碎研究的前提和基础。目前，这种量化指标分为两大类，即从单个颗粒角度统计的指标和从颗粒群体角度统计的指标。每个试样都是由很多不同粒径和形状的颗粒组成的，研究每个颗粒的破碎几乎无法开展，故切实可行的办法是采用后一种指标。

Hardin[4]根据颗粒分布曲线的变化，定义了破碎势Bp(试验前后颗粒级配曲线与粒径D=0.074 mm竖线所围面积，其认为粒径不大于0.074 mm的细颗粒不会再发生进一步破碎，故对颗粒破碎的作用很小，见图2)和相对颗粒破碎量Bt(试验前后破碎势的变化，见图3)，进而定义了相对颗粒破碎率Br，用以量度颗粒破碎的程度。

Bf=Bpi-Bpf

(1)

(2)

式中：Bpi——试验前的破碎势，即颗粒破碎试验前，颗分曲线与粒径为0.074 mm的竖线所围成的面积；

Bpf——试验后的破碎势，即颗粒破碎试验后，颗分曲线与粒径为0.074 mm的竖线所围成的面积；

Bt——相对颗粒破碎量；

Br——相对颗粒破碎率。

图2 破碎势Bp的意义

图3 相对颗粒破碎量Bt的意义

破碎势Bp的意义是表示颗粒破碎的可能性大小，认为直径越大的颗粒，其潜在的破碎可能性也越高。

张家铭等[5]研究表明，相对颗粒破碎率Br可以被看作为材料的一种基本属性，其在颗粒破碎研究中获得了广泛的应用[6-8]。因此，本文也采用相对颗粒破碎率Br的方法开展颗粒破碎研究。

2 试验结果分析

2.1 试验结果

经过三轴压缩试验后的颗粒分析，试样的级配曲线见图4。在不同的围压水平下，试验前后各粒径组含量见表2。

图4 试验前后碎石土颗粒级配变化

表2 试验前后各粒径组含量表

颗粒破碎试验结果显示，随着围压水平的提高，试样粗颗粒含量逐步降低，而相对颗粒破碎率等参数则不断提高。这也表明强夯造成的压力越大，颗粒越容易发生破碎，颗粒破碎程度越高。

2.2 相对颗粒破碎率与围压的关系

颗粒破碎试验后，各参数变化情况见表3。引入大气压力pa，使围压σ3在图表坐标中实现无因次化。图5表现了相对颗粒破碎率Br与围压σ3/pa的关系。

由图5分析可知，相对颗粒破碎率Br与围压σ3/pa存在正相关关系，即围压越大，颗粒破碎现象越明显，二者之间的关系可以用二次函数来描述，即公式(3)，通过拟合可以得到材料的试验参数a、b和c。

表3 碎石土颗粒破碎参数统计表

图5 部分工程碎石土相对颗粒破碎率与围压的关系

(3)

研究发现，随着围压水平的提高，相对颗粒破碎率增幅逐渐收窄，即随着强夯能级的提高，颗粒破碎程度逐渐加深，最终趋于稳定。

通过对二滩电站堆石坝[6]、西北口堆石坝[7]、宜兴电站堆石坝[8]、天生桥堆石坝[9]等试验资料的整理，也发现了类似的规律，上述几个工程的试验结果均可以用二次函数来拟合(见图5)，并取得了较好的拟合结果，统计见表4，说明用公式(3)表述相对颗粒破碎率与围压的关系是合理的。

表4 不同工程碎石土相对颗粒破碎率拟合参数表

2.3 峰值内摩擦角与破碎率的关系

研究试验数据发现，随着相对颗粒破碎率Br的提高，试样的峰值内摩擦角φp不断降低，说明随着粗颗粒的减少和细颗粒的增多，颗粒间的咬合力减弱对强度指标的影响，超过了孔隙比降低、土体密实引起的强度增加效果，这一点在碎石土受外荷载过程中应该引起充分的重视。

通过对大连原油储备库、二滩电站堆石坝[6]、西北口堆石坝[7]、宜兴电站堆石坝[8]、天生桥堆石坝[9]等试验资料的整理分析，发现峰值内摩擦角φp与相对颗粒破碎率Br之间的存在幂函数关系可以用式(4)表示，通过拟合可以得到材料的试验参数d和f，见表5、图6。

φp=d(Br)f

(4)

表5 不同工程碎石土峰值内摩擦角拟合参数表

图6 不同工程碎石土峰值内摩擦角与相对颗粒破碎率的关系

2.4 干密度、孔隙比与相对颗粒破碎率的关系

在三轴剪切试验结束后，对试样进行了干密度和孔隙比测试，发现试样干密度ρd随着相对颗粒破碎率Br的增加而增加，且两者间呈现出良好的线性关系，而孔隙比e则随着相对颗粒破碎率Br的增加而线性降低。说明在外界应力的作用下，随着粗颗粒的破碎、细颗粒对粗颗粒孔隙的填充和原有孔隙的挤密、缩小，单位空间内的固体所占体积得以增加，总体孔隙比降低(见图7、图8)。

图7 干密度与相对颗粒破碎率的关系

干密度与围压σ3/pa之间也存在正相关关系(见图9)，与相对颗粒破碎率类似，其与围压的关系也可以用二次函数来描述。

图8 孔隙比与相对颗粒破碎率的关系

图9 干密度与围压σ3/pa的关系

2.5 颗粒级配变化情况

试验数据见表6。通过分析发现：试验前，碎石土级配不均匀系数Cu为5.44，曲率系数Cc为0.88，颗粒级配较差。随着试验围压的增大，相对颗粒破碎率逐渐增加，级配曲线的指标得到明显改善，不均匀系数Cu增长到11.8，说明各粒组分布更加均衡，曲率系数Cc增长到1.22，说明曲线斜率连续，已经属于级配良好的状态。

这说明颗粒破碎试验有效地改善了碎石土的颗粒级配，使之更易达到密实状态。另外，围压越大，碎石土级配改善越明显。

表6 颗粒破碎试验粗粒料级配指标变化情况

3 结论

本文运用颗粒破碎试验对碎石土的强夯加固细观机理开展了研究，得到如下认识，供同类工程设计和施工参考。

(1)试验揭示了相对颗粒破碎率与围压的正相关关系，并确定了合理的拟合公式。这也指示强夯造成的压力越大，颗粒破碎程度越深。

(2)随着围压水平的提高，相对颗粒破碎率增幅逐渐收窄，即随着强夯能级的提高，颗粒破碎程度逐渐加深，最终趋于稳定。

(3)峰值内摩擦角会随着颗粒破碎的增加而降低，这一强度参数的弱化在碎石土的工程处理中应该引起充分的重视。

(4)试样干密度和孔隙比分别随着相对颗粒破碎率的增加而线性增加和减小，体现了碎石土随着强夯作用而逐渐密实的过程，这是强夯提高碎石土工程性能的主要细观机理。

(5)强夯作用引起的碎石土颗粒破碎提高了细颗粒比例，明显改善了碎石土的颗粒级配情况，使之更易达到密实状态，这是强夯处理碎石土的重要细观机理。