基质对杂填土力学性质的影响*

陈 宇 张福海 刘峥嵘 张 恒 王少鹏

(河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室， 河海大学岩土工程科学研究所, 南京 210024)

城市杂填土是一种结构复杂、成分多样的多相特殊土[1]，组成成分通常有渣土、废旧混凝土、废旧砖石及其他废弃物，其力学性能与均质的土体有着很大差别，很大程度与组成杂填土的石块和基质特点有关，很难做出符合实际的描述和分析。

很多学者从石块入手研究土石混合体的力学特性[2-19]。舒志乐等利用分形理论论证了土石混合体的层次性，并指出分形维度与强度呈抛物线关系[8]。徐文杰等对土、石混合体进行了现场的大尺度直剪试验，研究表明土、石混合体的内部含石量控制着其剪切变形破坏机制，其应力-应变曲线与常规的均质土体及岩石的应力-应变曲线有很大的差别[9]。Vallejole发现[10]：土、石混合体在破坏时的剪切带随着含石量的增加而发生改变，其内摩擦角增量近似呈线性增长的关系，黏聚力很大程度地降低，但当含石量大于30%时，其黏聚力随着石块含量的增大而降低缓慢。文献[11-12]分别介绍了对不同含石量、不同石块尺寸和大小石块形状对土、石混合体的应力-剪切位移曲线、剪切强度、破坏模式及相应的抗剪强度参数影响的研究，结果表明：当土、石混合体的粗骨料含量小于30%时，其抗剪强度基本上由细料决定，随着粗骨料含量的增大，抗剪强度增加幅度不是很大；当粗骨料含量为30%～70%时，土、石混合体的抗剪强度由于细、粗料的物理特性共同作用，并且随着粗料含量的增大，这一现象更显著。张敏超等发现[15]：泥岩土石混合体在低围压下呈先剪缩后剪胀的变化规律，且含石量越高，最终剪胀效果越明显；在高围压下始终表现为剪缩，且含石量越低，剪缩效果越强。唐建一等发现[18]：土石混合体抗剪强度受到土石混合体孔隙比的影响，同时随着含石量的增加，土石混合体中的 结构形式及主导颗粒也相应的发生变化。

可见，已有研究主要集中在石块对杂填土力学性质的研究，对于基质对杂填土杂填土力学性质的影响还没有系统的研究。因此，以南京吉山矿区堆放场的杂填土为研究对象，选取常见的粉质黏土、砂土和粉土三种基质的杂填土，采用TSZ-6A应变控制式三轴剪切仪分别进行中型三轴剪切试验，分析三种基质下的杂填土力学参数，对今后城市杂填土的填埋具有参考意义。

1 试验准备

1.1 试验土料

试验土料及石块料取自南京吉山矿区堆放场，试验所用的基质粉质黏土、粉土和砂土级配如图1所示，粉质黏土液、塑限分别为25.6%和12.6%；粉土的塑、液限分别为21.6%和15.2%；试验所用砂石料为人工碎石,通过筛分保证石块料的粒径介于11～15 mm，以满足中型三轴试验的要求。

1.2 试验内容

石块含量取30%，与粉质黏土、粉土或砂土混合成杂填土，进行固结排水剪切试验，每组杂填土试验分别取3个试样，围压分别为100，200，400 kPa，具体方案见表1。

表1 试验方案Table 1 Test schemes

1.3 试验装置

试验采用的中三轴压缩仪是南京土壤仪器研究有限公司生产的TSZ-6A应变控制式三轴剪切仪，试样的直径为100 mm，高度为200 mm，围压控制系统由泰克奥科技有限公司生产。通过向压力室注水达到预设的围压，最大围压可达3 MPa。试验时，利用计算机接收传感器的数据实现自动读数。

2 试验结果及分析

2.1 应力-应变关系

试验获得的应力-应变关系曲线见图2，三种杂填土偏差应力-轴向应变关系曲线均为双曲线，属于应变硬化性曲线，同一种基质杂填土，围压越大,应力-应变曲线愈陡,切线模量越大,应力-应变曲线的硬化特征越明显,峰值强度也越大。轴向应变ε1为15%时对应的偏差应力为破坏强度值(σ1-σ3)f，各试验土料在各围压下的破坏强度值见表2。取(σ1-σ3)-ε1关系曲线上初始直线段(ε1=0%～2%)的斜率作为杂填土的变形模量，各试验土料在各围压下的变形模量见表3。

表2 不同围压下不同杂填土破坏时的偏差应力Table 2 Failure deviation stress of different miscellaneous fillings under different confining pressure

表3 不同围压下不同杂填土的变形模量Table 3 Deformation moduli of different miscellaneous fillings under different confining pressure kPa

由表2可知:相同围压下，围压较低时，随着基质的变化，杂填土破坏时的偏差应力相差不大。在高围压时，随着基质的变化，杂填土破坏时的偏差应力存在着显著差异，围压越大，不同基质的杂填土破坏时偏差应力的差值越大。围压200 kPa时，基质由粉质黏土变化为砂土、粉土的杂填土破坏时的偏差应力差分别为151，83 kPa，当400 kPa围压时，基质由粉质黏土变化为砂土和粉土的杂填土，破坏时的偏差应力差分别为185，203 kPa。同种基质下，随着围压增大，破坏时的偏差应力差也逐渐增大，其中基质为粉土的杂填土破坏时的偏差应力差增大量最大，围压从100 kPa增大到400 kPa，破坏时的偏差应力差增加了259.1%。

2.2 体应变-轴向应变关系

图3给出了基质为粉质黏土、砂土、粉土的杂填土在不同围压下的轴向应变ε1与体应变εv的关系曲线。可见：对于基质为粉质黏土和粉土的杂填土，随着轴向应变ε1的增大，体应变也增大。基质为砂土的杂填土，体应变变化较为复杂，围压为100 kPa时，随着ε1的增大，εv增大；当轴向应变ε1发展到一定时，随着ε1的增大，εv反而减小；围压为200，400 kPa时，随着ε1的增大，εv大致呈增大趋势。由此可见，在低围压时，基质为砂土的杂填土体应变出现先减缩后剪胀的现象，在高围压时并无此现象。取ε1为15%所对应的偏差应力作为破坏强度值，各试验土料在各围压下破坏时的εv见表4。

表4 不同围压下不同杂填土破坏时体应变Table 4 Failure volume strain of different miscellaneous fillings under different confining pressure %

可见，相同围压下，基质为粉土和粉质黏土的杂填土，破坏时的体应变相差不大，基质为砂土的杂填土与前两者相比相差较大，最大可达到1.8倍；同种基质下，随着围压的增大，破坏时的体应变也逐渐增大，其中粉土和粉质黏土的增加趋势几乎一致，砂土破坏时的体应变增加量最大，围压从100 kPa增加到400 kPa，破坏时的体应变增加了285.36%。

2.3 本构模型参数

E-μ、E-B模型和非线性强度参数按文献[20]方法求取，见表5。初始切线模量Ei与围压σ3的关系曲线见图4。可知：同种基质，随着围压的增大，三种基质杂填土的初始切线模量也随之增大，围压从100 kPa增加到400 kPa，基质为粉质黏土，砂土，粉土的杂填土初始切线模量分别增大了224.6%、125.2%、211%。在相同围压下，三种基质杂填土砂土的初始切线模量最大，随着基质的变化，其变形模量变化较小，基本上处于相同数量级上。当围压为100 kPa时，各基质杂填土的变形模量在8.1～10.0 MPa，当围压为400 kPa时，各基质杂填土的变形模量在26.3～31.1 MPa。参数K值反映了围压为100 kPa时初始切线模量的大小，砂土较粉质黏土和粉土的K值偏大，范围为14.9%～34.6%。而lgEi-lgσ3直线的斜率n反映的是初始切线模量随σ3增大而增大的变化程度。从中可以看出：砂土较粉质黏土和粉土的n值偏小，说明对于围压的增大，砂土的初始切线模量增大的变化程度小于粉土和粉质黏土。

表5 E-μ、E-B模型强度参数Table 5 Parameters of shear strength for models of E-μ and E-B

3 结束语

含石量为30%时，在试验应力范围内，杂填土中型三轴试验的应力-应变-强度特性指标和本构模型计算参数与基质有明显的关系，基质影响其力学性质。

1)三种基质的杂填土(σ1-σ3)-ε1关系曲线为双曲线，属于应变硬化性曲线。

2)同一基质下随着围压增大，杂填土破坏时的偏差应力也逐渐增大，其中基质为粉土的杂填土破坏时的偏差应力增加量最大，围压从100 kPa增加到400 kPa，破坏时的偏差应力差增加了259.1%，说明随着围压的增大，杂填土的强度在增加。

3)对于不同基质的杂填土，在低围压时候，其破坏时的偏差应力变化不大，但随着围压的增加，在相同围压情况下，随着基质的变化，杂填土的破坏时的偏差应力差存在着显著的差异，围压越大，不同基质的杂填土破坏时的偏差应力差越大。围压为200 kPa时，杂填土的基质从粉质黏土变化为砂土和粉土，破坏时的偏差应力差分别为151，83 kPa，当围压为400 kPa时，杂填土的基质从粉质黏土变化到砂土和粉土，破坏时的偏差应力差分别为185，203 kPa。说明基质是影响杂填土力学性质的一个重要因素。

4)三种基质的杂填土，在基质不变的情况下，随着围压的升高，破坏时的体应变增大。对于基质为粉质黏土和粉土的杂填土，随着轴向应变的增大，破坏时的体应变增大,体现出剪缩性。基质为砂土的杂填土，随着轴向应变的增大，体应变较为复杂。在围压为100 kPa时，表现出先减缩后剪胀的趋势，在围压为200，400 kPa时，体现出的都是减缩趋势。说明在围压较低时，处理基质为砂土的城市杂填土，要考虑其体应变会出现先减小后增大的现象。

5)砂土的K值偏大，说明砂土的初始切线模量较粉质黏土和粉土的偏大。n的差异反映出三种杂填土在试验条件下在相同围压下土的抗变形能力的增长依次为粉土、粉质黏土和砂土，砂土的n值偏小，说明与粉土、粉质黏土相比，围压对砂土初始切线模量的影响较小。

6)基质对杂填土的力学参数会有显著的影响。