風化巖填料的壓實變形特性試驗研究

屈立勇

(西安公路研究院，陜西西安 710054)

0 引言

基于加快山區公路發展建設和保護脆弱生態環境的目的，風化巖已被日益廣泛地用作路堤填料。然而風化巖填料不僅具有一般軟巖填料強度低、抗風化能力、抗水性及抗變形能力較差等不利的工程性質，其填料顆粒微觀結構存在大量的微裂紋及微孔洞等材料缺陷，在外部荷載及自然環境作用下，填料粒徑組成和結構會發生較大的變化，使強度與變形特性具有明顯的變異性。因此，隨著風化巖作為路堤填料的廣泛應用，其壓實變形特性也愈來愈被工程技術人員所重視。

大型側向壓縮試驗以一定粒徑組成的混合散粒體為研究對象，試驗過程制樣方便、操作簡單、耗時短，且試驗的應力路徑同路堤填筑及運營過程中路堤單元的應力路徑比較相近，應力狀態接近于靜止土壓力K0狀態[1]。因此，選用大型側向壓縮試驗來研究山區風化巖填料的壓實變形特性。目前，關于大型側向壓縮試驗的研究公路部門開展的較少，甚至在試驗規程中也未涉及，而水利部門研究的則較早，并取得了一定的研究成果。程展林等[2]通過堆石料的壓縮試驗發現了壓縮模量隨壓力時增時減的波動現象，并提出約束條件、粒徑比及顆粒強度與上述現象有很大關系的結論。張兵等[3]利用堆石料的壓縮試驗分析了級配、初始孔隙比、巖性及泥巖含量對填料壓縮性的影響，認為顆粒破碎應力是堆石料發生彈塑性變形的轉折點，并提出對于不同初始孔隙比的同一種堆石料，在極高的應力狀態下它們的壓縮曲線匯聚到唯一的極限壓縮曲線LCC。但上述研究主要反映的是高壓應力狀態下工程性質較好的堆石料變形響應，而對低應力水平狀態下工程性質較差的強風化石料卻研究的較少。為此，借鑒水利部門的研究成果對風化巖填料進行了不同結構狀態、不同加載間距、不同浸水狀態及循環加卸荷載的低壓大型側向壓縮試驗研究，并得到了一些有意義的結論。

1 試驗簡述

1.1 試驗材料及試驗儀器

試驗用料取自某高速公路邊坡刷坡強風化石料，巖性為千枚巖，試驗材料分60 mm～40 mm，40 mm～20 mm，20 mm～10 mm，10 mm～5 mm，＜5 mm 5個粒組。儀器采用YS50-4型浮環壓縮儀進行，壓縮儀直徑505 mm，高250 mm，千斤頂最大量程2 000 kN，百分表最大量程50 mm，最小刻度分值0.01 mm。

1.2 試驗方案

1)不同結構狀態下的壓縮試驗。受風化程度、地質構造和變質作用的影響其粒徑組成、強度與變形特性具有明顯的變異性，碾壓后的路堤有可能形成懸浮—密實、骨架—密實與骨架—孔隙結構類型一種或幾種，而不同的結構類型具有不同的變形特性，這對路堤的長期穩定性極為不利。因此，對三種不同結構類型的填料按 50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa，800 kPa 進行加載。

2)不同加載間距下的壓縮試驗。風化巖填料壓實機理不同于一般的硬質石料和細粒土，其顆粒強度低，在較低應力水平作用下即發生顆粒破碎。為了充分體現風化巖填料的這一特性，試驗按50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa，800 kPa 的正常加載及400 kPa之前按間距50 kPa，之后按100 kPa的加載方式對比進行。

3)不同浸水狀態下的壓縮試驗。通過對飽和與干燥試樣的壓縮試驗不僅可以分析了解現場分層碾壓施工過程中加水與否，而且可以研究水—荷載的耦合作用對風化巖填料力學性能衰變機理。因此，對飽和試樣和風干試樣分別進行50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa，800 kPa 的加載試驗。

4)循環加卸載試驗。通過循環加卸載試驗來模擬不同行車荷載下的填方路堤變形情況，試驗按100 kPa，200 kPa，300 kPa進行加載，待變加載到一定荷載(400 kPa，500 kPa，600 kPa)后，開始逐級卸載至300 kPa，然后充分進行以上步驟，終止壓力為800 kPa，記錄試驗過程中不同荷載下的穩定變形。

2 試驗結果及分析

風化巖填料在壓縮試驗過程中，變形曲線因加載間距的縮小而呈臺階狀，壓縮模量陡增突降的波動現象更是明顯，詳見圖1。由圖1可以看出，正常加載的變形曲線呈良好的雙曲線型，終止壓力800 kPa的變形僅為6.44 mm，而加載間距變為50 kPa～100 kPa時，不僅其變形均大于正常加載時相應荷載的變形，且變形曲線具有明顯的臺階狀，如200 kPa～400 kPa段的第一臺階，600 kPa～800 kPa段的第二臺階。其原因可能是:1)蠕變變形。加載后的穩壓過程是填料內部應力及顆粒位置逐漸調整的過程，即填料的蠕變過程，由蠕變公式εf=atn知，蠕變變形隨時間的增大而增大，加載間距越小，相應的加載次數越多，其蠕變過程進行也就較充分完全，故變形大于正常加載時相應荷載的變形。2)碾磨破碎。在一定荷載作用下，顆粒體形成獨立的穩定結構，當增加荷載不足以改變此結構時，變形主要表現為較小的顆粒碾磨破碎變形，壓縮模量陡增，變形曲線出現臺階狀;反之，將出現局部顆粒擠壓破碎，引起應力及顆粒位置重調整，此時壓縮模量突降，造成相對較大的變形，如400 kPa～600 kPa段。

水—荷載的耦合作用一直是造成風化巖填料力學性能衰變的主要因素，因此開展浸水前后的壓縮變形試驗是十分必要的，其試驗結果見圖2。由圖2a)看出:在荷載小于200 kPa范圍內，飽和試樣的壓縮變形接近風干試樣的壓縮變形，而隨著豎向荷載的增大，變形差值逐漸增大，終止壓力800 kPa的變形差值達5.23 mm，幾乎為干燥試樣的總壓縮變形的一半，這說明風化巖路堤施工期對填料灑水碾壓有助于路堤的壓實。同時由圖2b)看出，干燥試樣的壓縮模量變化具有明顯的波動性，而飽和試樣的壓縮模量則隨荷載增大而增大。這說明水—荷載的耦合作用易弱化顆粒間的接觸應力，加大顆粒集合體的組構形變。究其原因:1)風化作用使風化巖一般都含有親水礦物，水的存在會加速顆粒的膨脹、崩解，使骨架顆粒的強度降低;2)風化巖填料顆粒本身含有較多的微裂隙及裂紋，水、荷載的耦合作用使微裂隙及裂紋邊緣在加載時產生瞬間張拉力，加速顆粒裂隙及裂紋的擴展貫通，最終發生顆粒破碎;3)風化巖填料的壓縮過程是荷載產生塑性功轉化為顆粒破碎耗能與滑移摩擦耗能的過程，水的作用使滑移摩擦角φf降低，顆粒組構易于改變。上述試驗結果也解釋了現場采用風化巖填料修筑的施工便道會在降雨后一段時間內產生較大沉降變形的原因。

圖3為風化巖填料的循環卸載—再加載曲線，從圖3中可以看出，在本次低應力水平試驗范圍內，每次卸載后的回彈變形均較小，最大不超過0.8 mm，基本為不可恢復的塑性變形，這與文獻[3]的試驗規律一致，但未出現明顯屈服點，每次再加載路徑均未沿著卸載路徑進行，而是隨著循環次數的增加，相應荷載下的變形增量逐漸增大(見圖4)，這可能與風化巖填料自身的工程特性有很大的關系。風化巖填料不同于鈣質砂，其顆粒強度低、粒徑大，受多次構造運動和變質作用的影響，其顆粒內部存在微裂紋及微孔洞等材料缺陷，在低應力循環荷載反復作用下造成顆粒及結構疲勞損傷的加劇，促使新裂隙及裂紋的不斷產生，舊裂隙及裂紋反復擴展連通，引發試樣顆粒斷裂破碎、試樣顆粒結構發生變化，結果導致隨著循環次數的增加，相應荷載下的變形增量逐漸增大，終止壓力變形大于圖3中常規加載的終止壓力變形。這說明風化巖路堤在行車荷載作用下產生較大的沉降變形。

3 結語

1)在低應力水平范圍內，不同結構狀態填料的壓縮變形曲線形態略有不同，骨架—孔隙結構填料的變形曲線形態呈輕微的上凸型，變形較小，而其他兩種結構填料的變形曲線則呈明顯的下凹型，且變形相對較大。

2)風化巖填料在壓縮試驗過程中，變形曲線因加載間距的縮小而呈臺階狀，壓縮模量陡增突降的波動現象更是明顯。

3)水—荷載的耦合作用一直是造成風化巖填料力學性能衰變的主要因素，因此在現場施工中應加強風化巖路堤的防排水處理。

4)風化巖填料自身的工程力學性質較差，在循環卸載—再加載作用下易加大試樣的壓縮變形，且隨著循環次數的增加，相應荷載下的變形增量逐漸增大，這說明行車荷載對風化巖路堤的工后沉降有較大的影響。

5)在風化巖填料壓縮試驗過程中，壓縮模量隨壓力時增時減的波動現象，這不僅與約束條件、粒徑比及顆粒強度相關，而且與試樣的結構狀態、加載間距、密度與水—荷載的耦合作用也有很大的關系。

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