縮尺方法對土石混合料力學性質的影響

胡華昌

（遼寧省遼西北土木工程咨詢有限公司，遼寧 鞍山 114000）

縮尺方法對土石混合料力學性質的影響

胡華昌

（遼寧省遼西北土木工程咨詢有限公司，遼寧 鞍山 114000）

為探討縮尺方法對土石混合料力學性質的影響，對同一原級配料分別采用剔除法、等量替代法和相似級配法處理，進行振動擊實和固結排水三軸壓縮試驗。結果表明，縮尺方法對土石混合料振動擊實特性和抗剪強度均有影響；采用相似級配法處理的土石混合料最優含水率和最大干密度均高于剔除法與等量替代法處理的級配料；相似級配法處理后的土料抗剪強度較高，等量替代法縮尺的土料強度較低，剔除法縮尺土料強度居中。

土石混合料；縮尺方法；振動擊實；最優含水率；抗剪強度

1 概述

土石混合料是一種土與石的混合材料，既含有一定級配的無粘聚性顆粒材料，又含有一定粘聚性的細粒土。由于其具有強度高、施工便利、取用方便等優點，在土石壩中得到廣泛應用。目前，針對土石混合料物理力學性質研究，Miller等［1］最早對不同含石量的粘性土石混合料開展了剪切強度試驗研究，結果表明，當塊石骨料含量為74%時土石混合料最密實，抗剪強度較高。劉麗萍［2］等通過對不同級配、粗粒含量及破碎率的土石混合料進行了擊實試驗，分析了擊實功、擊實方法及等效處理方法對土石混合料擊實結果的影響，并進一步探討了用空隙率控制法和不同粗集料含量下改進的工地壓實度控制方法［3］，作為土石混合料壓實質量控制標準的可行性。A.A.Mirghasemi［4］等則對粗粒形狀對土石混合料的物理力學特性的影響進行了研究。左永振［5］等對某原型級配粗粒料，按規范要求采用4種縮尺方法，獲得15條模擬級配，并在相同振動功能條件下，對模擬級配進行了最大干密度試驗。李曉等［6］對土石混合料的應力-應變特征曲線進行分析，并指出土石混合料強度與破壞形式主要受含石量控制。

隨著機械化程度的不斷提高，上壩土料最大粒徑逐漸增大，為使試樣在現有儀器中受力與變形情況與現場相近，試樣中最大粒徑與儀器尺寸存在一個比值［7］，約為 5～6。對于超過儀器尺寸容許的粒徑常稱為超粒徑。對于超粒徑土常采用縮尺方法對其處理，20世紀 40年代末期關于縮尺效應的試驗研究就已經開始，到目前為止，國內外已有許多學者對縮尺效應問題進行了研究。孟憲麒等［8］采用200cm@200cm@100cm大型直剪儀和50cm@50cm@40cm中型直剪儀石頭河土石壩壩殼堆石料進行了大量的抗剪強度試驗。結果表明，采用相似級配法原級配料縮尺的砂卵石料，小試樣比大試樣的內摩擦角大。李鳳鳴等［9］對小浪底堆石壩的堆石料按相似級配法進行縮尺處理，并進行了大型高壓固結、三軸剪切試驗和離心模型試驗。結果表明，按相似級配法縮尺后，原級配料的力學性質有不同程度地改變，試樣剪脹性明顯增大。

目前通常采用剔除法、等量替代法和相似級配法對超徑土進行處理。剔除法為：將超過儀器容許粒徑以上部分全部剔除，再把余下土料當作整體，分別求出各粒組含量，該方法對于超徑土含量小于10%的級配基本接近原級配，且不均勻系數變化不大，但對于超徑土含量過多不適用；等量替代法為：用儀器容許粒徑以下的部分替代超粒徑土，該方法保證了細粒含量不變，但改變了粗粒級配和不均勻系數；相似級配法為：根據儀器容許粒徑，按幾何相似條件，等比例縮小粒徑，該種方法能保持不均勻系數不變，但增加了細粒含量，當細粒含量增大不大于30%時，采用該方法試驗與原級配料試驗力學性質相差不大。實踐經驗表明，上述三種縮尺方法基本保持了粗細顆粒的含量和比例，能在一定程度上反映天然材料的主要特性。本文采用上述三種不同的縮尺方法對同一原級配土石混合料進行振動擊實和固結排水三軸壓縮試驗，探討這三種縮尺方法對土石混合料壓實特性和抗剪強度的影響。

2 試驗土料與試驗方法

試驗土料原級配，最大粒徑為80mm，比重為2.71，分別采用剔除法、等量替代法和相似級配法對原型級配進行縮尺，縮尺后最大粒徑為20mm，縮尺后級配與原級配如圖1所示。振動擊實試驗采用表面振動壓實儀，振動功率為1.1kW，振動頻率為47.5～60Hz，激振力為2.2～4.2kN，夯板作用在試樣表面靜壓力為13.8kPa。將原級配土縮尺處理后，按含水率相差2%制備試樣，每組試樣為6個，將制備好的試樣放入保溫桶中，用塑料膜蓋嚴，放置24h，將試料分三份，分三層倒入擊實桶內振動擊實。具體步驟為，將第一層土裝入擊實桶，放在振動臺上，加套筒，并把加重蓋板置于土面上，將振動擊實儀參數調到最優，開始振動，結束后，加第二層和第三層土并重復上述步驟。三軸壓縮試驗采用應變控制式三軸壓縮儀，試樣尺寸為Φ×H=101mm×200mm，圍壓分別為100、200kPa和400kPa，在壓力室底座上裝對開模和橡皮膜，并在透水板上放一濾紙，根據試驗要求，將縮尺處理后的三種土樣，分三層填入，固結時間為1h后，以0.2mm/min的剪切速率進行試驗，直至試樣明顯破壞或軸向應變達到試樣高度的15%時，試驗結束。

3 試驗結果及分析

3.1 擊實特性研究

針對不同縮尺方法得到的級配土料分別進行振動擊實試驗，結果如圖2。

圖1 土料原級配與縮尺后級配曲線

圖2 干密度-含水率關系曲線

由圖2可知，采用不同縮尺方法處理土料，其振動擊實特性曲線均為雙峰型，即干密度隨含水率的增大先減小后增大，達到峰值后又減小；土石對同一原級配土石混合料采用不同的縮尺方法縮尺后，所得縮尺級配料其擊實特性存在明顯差異。用相似級配法處理的級配料，最優含水率和最大干密度均高于另外兩種縮尺方法處理后的級配料；用等量替代法處理的級配料，最優含水率介于剔除法和相似級配法之間，而最大干密度低于另外兩種縮尺方法處理后的級配料；用剔除法處理的級配料最優含水率低于另兩種處理方法，而最大干密度介于等量替代法和相似級配法。

3.2 抗剪強度研究

對不同縮尺方法得到的級配土料進行固結排水三軸壓縮試驗，試驗結果如圖3所示。取主應力差（σ1～σ3）的峰值點為破壞值點，其對應強度為試驗土料的抗剪強度，并根據該強度繪制摩爾-庫倫強度包線，求取摩爾-庫倫抗剪強度參數：內摩擦角φ和粘聚力c。其結果如表1所示。

圖3 應力應變關系圖

表1 抗剪強度及摩爾-庫倫強度參數表

由圖3和表1可知，隨圍壓的增大，土料抗剪強度增大，當圍壓較低時（100kPa），三種不同縮尺方法處理的級配料抗剪強度相差不大，隨著圍壓增大，相似級配法處理土料抗剪強度增大明顯。相同圍壓下，同一原級配料不同縮尺方法處理的級配料抗剪強度不同，相似級配法處理后的土料抗剪強度較高，等量替代法縮尺的土料強度較低，剔除法縮尺的土料強度居中。該規律與振動擊實試驗中縮尺方法對最大干密度的影響規律一致，即相似級配法處理后的土料最大干密度較高，等量替代法縮尺的土料最大干密度較低，剔除法縮尺的土料最大干密度居中。這可能是由于該自然土料采用相似級配法處理后，土顆粒級配均勻，顆粒間填充效果好，因此，得到的最大干密度大，土樣密實，土體抗剪強度高。采用等量替代法、剔除法和相似級配法處理的土料粘聚力和內摩擦角均增大，且粘聚力增大較明顯，而內摩擦角雖有增長，但不明顯。

4 結論

本文針采用三種不同縮尺方法對同一原級配土料進行縮尺處理，并比較了土石混合料不同縮尺方法對擊實特性和抗剪強度的影響，主要結論如下：

（1）縮尺方法對土石混合料振動擊實特性和抗剪強度均有影響。

（2）采用相似級配法處理的土石混合料最優含水率和最大干密度高于剔除法與等量替代法處理的級配料。

（3）相似級配法處理后的土料抗剪強度較高，等量替代法縮尺的土料強度較低，剔除法縮尺的土料強度居中。

［1］Miller E A，Sowers G F.The strength characteristics of soil-aggregate mixtures［J］.H ighway Reseaech Board Bull，1957（183）：16-23.

［2］劉麗萍，折學森.土石混合料壓實特性試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2006，25（01）：206-210.

［3］劉麗萍，王東耀.土石混合料壓實質量控制方法［J］.長安大學學報（自然科學版），2006，26（01）：35-48.

［4］Mirghasem i A A，Rothenburg L，Matyas E L.Influence of particle shape on engineering properties of assemblies of two-dimensional polygon-shaped partic les［J］.Geotechnique，2002，52（03）：209-217.

［5］左永振，張偉，潘家軍等.粗粒料級配縮尺方法對其最大干密度的影響研究［J］.巖土力學，2015（S1）：417-422.

［6］李曉，廖秋林，赫建明，等.土石混合體力學特性的原位試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2007，26（12）：2377-2384.

［7］屈智炯等.新型石渣壩-粗粒土筑壩的理論與實踐［M］.北京：中國水利水電出版社，2002.

［8］孟憲麒，史彥文.石頭河土石壩砂卵石抗剪強度［J］.巖土工程學報，1983（02）：92-103.

［9］李鳳鳴，卞富宗.兩種粗粒土的比較試驗［J］.勘察科學技術，1991（02）：27-31.

P642.11+6

A

1672-2469（2017）02-0097-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.031

2016-05-10

胡華昌（1991年—），男，助理工程師。