粗顆粒回填料的破碎性質(zhì)試驗(yàn)研究

田春雨

(包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014060)

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粗顆粒回填料的破碎性質(zhì)試驗(yàn)研究

田春雨

(包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014060)

通過(guò)大型三軸剪切試驗(yàn)儀對(duì)配制的9組試樣進(jìn)行剪切試驗(yàn)。配制試樣時(shí)，考慮了不同的物料組成、相對(duì)密度、級(jí)配狀態(tài)，試驗(yàn)圍壓與現(xiàn)場(chǎng)基本一致的受力狀態(tài)。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)了不同粗顆粒回填料的破碎性質(zhì)規(guī)律。統(tǒng)計(jì)顆粒破碎率與土體峰值內(nèi)摩擦角的結(jié)果，擬合出二者關(guān)系曲線圖，并用指數(shù)函數(shù)表達(dá)式表示。

粗顆粒土；回填料；破碎性質(zhì)；試驗(yàn)研究

某高填方邊坡選用近直立擋土墻結(jié)構(gòu)形式，墻后采用現(xiàn)場(chǎng)的土石混合粗顆粒回填料，局部夾雜大量的塊石。該類(lèi)填料具有壓實(shí)性能好、透水性強(qiáng)、抗剪強(qiáng)度高、填筑密度大、沉陷變形小和承載力高等特點(diǎn)[1]。填料的物理力學(xué)性質(zhì)的確定對(duì)工程至關(guān)重要。原巖巖性變化較大，主要為泥巖、煤矸石與砂巖。填料的粒徑不均勻，最大顆粒粒徑在200 mm以上。原巖破碎又會(huì)引起土體級(jí)配的改變，從而使其物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化[2]。擬對(duì)不同條件的填料破碎性質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)研究，從而得到粗顆粒回填料的顆粒破碎性質(zhì)規(guī)律，以及與土體抗剪強(qiáng)度的關(guān)系。

1 試驗(yàn)方法

由于無(wú)法根據(jù)所測(cè)現(xiàn)場(chǎng)原級(jí)配進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，超徑的顆粒采用等量替代法[3]進(jìn)行縮尺模擬。本次9組試驗(yàn)材料設(shè)定三個(gè)參數(shù)：泥、砂巖比例，相對(duì)密度，原始級(jí)配。泥、砂巖比例設(shè)定3∶7、5∶5、7∶3三個(gè)比例；相對(duì)密度設(shè)定0.55、0.65、0.80三個(gè)密度；原始級(jí)配設(shè)不良、一般、良好三個(gè)等級(jí)。用YSZ-200大型三軸剪切試驗(yàn)儀進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)圍壓選擇與現(xiàn)場(chǎng)基本一致的受力狀態(tài)(100～400 kPa，每100 kPa為一級(jí)，共四級(jí))。試樣在試驗(yàn)后晾干并重新篩分。根據(jù)Marsal提出的顆粒破碎率Bg[4]，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出物料組分、相對(duì)密度、原始級(jí)配三個(gè)因素對(duì)填料破碎性質(zhì)的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 物料組分對(duì)顆粒破碎的影響

不同泥、砂巖比例的試料在試驗(yàn)圍壓(100～400 kPa)時(shí)的顆粒破碎率，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1分析可知：隨著泥巖含量的增加，試料破碎率有減小的趨勢(shì)。由于砂巖的強(qiáng)度大于泥巖的強(qiáng)度，泥巖顆粒會(huì)先發(fā)生破碎。在泥巖含量較低的時(shí)候，顆粒破碎率隨著泥巖含量的增加而增大，但是當(dāng)泥巖含量增大到一定程度時(shí)，泥巖由于顆粒破碎產(chǎn)生的黏土顆粒包圍在粒徑較大的顆粒周?chē)瑴p小了顆粒之間的作用力，顆粒破碎效應(yīng)減弱。

2.2 相對(duì)密度對(duì)顆粒破碎的影響

不同相對(duì)密度的試料在試驗(yàn)圍壓(100～400 kPa)時(shí)的顆粒破碎率，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2分析可知：隨著試料相對(duì)密度增大，土體的顆粒破碎率的變化較為復(fù)雜。當(dāng)土體相對(duì)密度較低時(shí)，土體顆粒間的接觸點(diǎn)較少，土體不容易發(fā)生破碎，從另一個(gè)角度講，單位土體所受到的接觸應(yīng)力較大時(shí)，土體顆粒之間容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，土體易發(fā)生破碎；當(dāng)土體的相對(duì)密度較大時(shí)，土體顆粒之間接觸變得緊密，土體顆粒之間的接觸點(diǎn)變多，土體顆粒發(fā)生破碎的概率增大。綜合土體在較低相對(duì)密度和較高相對(duì)密度下的顆粒情況，兩者相互抵消，所以相對(duì)密度對(duì)土體顆粒破碎影響較為復(fù)雜，規(guī)律性差。

表1 不同泥、砂巖比例試料的顆粒破碎率(%)Tab.1 The particle breakage rate in different proportion of mudstone and sandstone(%)

表2 不同相對(duì)密度試料的顆粒破碎率(%)Tab.2 The particle breakage rate in different relative density of the sample (%)

2.3 顆粒級(jí)配對(duì)顆粒破碎的影響

不同顆粒級(jí)配的試料在試驗(yàn)圍壓(100～400 kPa)時(shí)的顆粒破碎率，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3分析可知：隨著不均勻系數(shù)增大，試料的顆粒破碎率呈減小的趨勢(shì)。隨著粗粒含量的增大，試料顆粒破碎率呈先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)顆粒級(jí)配為良好狀態(tài)時(shí)，顆粒破碎率最小。顆粒級(jí)配為良好狀態(tài)時(shí)，顆粒之間的作用點(diǎn)較多，顆粒之間的作用力均勻分布，單個(gè)顆粒受到的應(yīng)力較小，不容易產(chǎn)生破碎。當(dāng)粗粒含量較多時(shí)，顆粒之間接觸方式以粗顆粒棱角間接觸的形式為主，土體顆粒之間極易產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，這會(huì)導(dǎo)致土體顆粒發(fā)生明顯的破碎，使顆粒破碎率增大。

表3 不同顆粒級(jí)配試料的顆粒破碎率(%)Tab.3 The particle breakage rate in different particle gradation of the sample (%)

3 顆粒破碎與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系

粗顆粒回填料在外力作用下，土體顆粒會(huì)發(fā)生顆粒破碎的現(xiàn)象，顆粒破碎對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響主要從以下兩方面考慮：第一，土體顆粒發(fā)生顆粒破碎使得土體的剪脹性減弱，因此土體的抗剪強(qiáng)度減弱。第二，土體在顆粒破碎時(shí)消耗一部分能量，這使土體的抗剪強(qiáng)度增加[5]。因此，土體的抗剪強(qiáng)度發(fā)生變化是這兩方面共同導(dǎo)致的結(jié)果。

圖1是土體在各級(jí)圍壓下的主應(yīng)力比與軸向應(yīng)變的曲線關(guān)系圖。隨著圍壓的逐級(jí)增大，最大主應(yīng)力比逐級(jí)降低。當(dāng)圍壓越低時(shí)，最大主應(yīng)力比降低的幅度越大。由此可以推測(cè)，土體的最大主應(yīng)力比的減小與顆粒破碎相關(guān)。

圖1 主應(yīng)力比與軸向應(yīng)變關(guān)系圖Fig.1 The relationship between principal stress ratio and axial strain

統(tǒng)計(jì)的顆粒破碎率與土體峰值內(nèi)摩擦角結(jié)果，擬合出顆粒破碎指標(biāo)Bg與峰值內(nèi)摩擦角φ的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 φ-Bg關(guān)系曲線圖Fig.2 The curve between φ and Bg

圖2表明，φ、Bg兩者之間的關(guān)系可以用指數(shù)函數(shù)描述。隨著顆粒破碎指標(biāo)Bg的增加，粗顆粒回填料的峰值內(nèi)摩擦角減小。φ與Bg的函數(shù)表達(dá)式如下：

φ= 86.806e-0.041Bg

φ隨著B(niǎo)g的增加而減小，但是Bg存在上限值100%，因此φ也存在下限值。此時(shí)土體的顆粒破碎不影響峰值內(nèi)摩擦角的變化，土體的強(qiáng)度由土體顆粒之間的相互作用力決定。

4 結(jié)語(yǔ)

粗顆粒回填料在剪切作用下會(huì)發(fā)生顆粒破碎的現(xiàn)象，顆粒破碎效應(yīng)會(huì)顯著影響土體的物理力學(xué)性質(zhì)。當(dāng)泥巖塊體含量達(dá)到一定程度后，隨著泥巖塊體比例的增加，土體的顆粒破碎率呈下降的趨勢(shì)；相對(duì)密度對(duì)顆粒破碎率影響較為復(fù)雜，兩者沒(méi)有明顯的關(guān)系；顆粒級(jí)配良好時(shí)，土體的顆粒破碎率最小，當(dāng)級(jí)配較差且粗粒含量較大時(shí)，土體顆粒破碎率比較大。

粗顆粒回填料作為一種典型的散粒材料，土體顆粒間的滑移與相互作用力影響著土體的應(yīng)力應(yīng)變。當(dāng)土體顆粒所受外力大于其抗壓強(qiáng)度，會(huì)發(fā)生顆粒破碎的情況，土體顆粒將發(fā)生滑動(dòng)。土體發(fā)生顆粒破碎的時(shí)候，顆粒間摩擦力與顆粒破碎共同影響土體的抗剪強(qiáng)度。粗顆粒回填料強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮顆粒破碎的影響。

[1] 郭慶國(guó). 粗粒土的工程特性及應(yīng)用[M]. 鄭州：黃河水利出版社，1999.

[2] 張家銘，汪稔，張陽(yáng)明，等.土體顆粒破碎研究進(jìn)展[J]. 巖土力學(xué)，200，24(S2)：661-665.

[3] 中華人民共和國(guó)水利部、能源部. 土工試驗(yàn)規(guī)程SD128-87[S]. 北京：水利水電出版社，1988.

[4] Marsal R J. Large scale testing of rockfill materials [J]. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division，1967，93(SM2)：27-43.

[5] 賈革續(xù).粗粒土工程特性的試驗(yàn)研究[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2003.

Crushing properties of the coarse grained soil for backfill material

TIAN Chun-yu

(Baotou Railway Vocational & Technical College,Baotou 014060,China)

Nine groups′ specimens are tested with the large-scale triaxial shear tests. The different material composition,relative density and gradation state are taken into account,and the confining pressure is consistent with that of the site. The experiment found the breaking property of different coarse grained soil for backfill material. The relationship between particle breakage rate and peak of internal friction angle is fitted,and it is expressed with exponential function expression.

Coarse grained soil; Backfill material; Breaking property; Experiment

2016-01-16

田春雨(1982-)，男，講師，碩士研究生。

TU448

A

1674-8646(2017)06-0012-03