細(xì)料含水量對(duì)紅砂巖-粉質(zhì)黏土混合料力學(xué)特性影響試驗(yàn)研究

龔 輝，郭娜娜，張乙彬

(1.貴州橋梁建設(shè)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000；2.貴州橋梁建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550000)

1 引 言

土石混合料是由土和巖塊(碎石)組成的復(fù)合體。混合料中土的種類不同，巖塊的種類及含量不同，相應(yīng)強(qiáng)度和變形特征亦不同。其強(qiáng)度參數(shù)不僅取決于土料和石料本身的強(qiáng)度，還受混合料的空隙壓密、粗顆粒的接觸狀態(tài)、細(xì)粒的含水量等眾多因素有關(guān)，但各因素的影響機(jī)制目前并未有統(tǒng)一的結(jié)論，所以目前還沒有一種理論系統(tǒng)的闡述土石混合料的力學(xué)性質(zhì)。

為系統(tǒng)研究細(xì)料含水量對(duì)土石混合料力學(xué)特性的影響，以西南地區(qū)紅砂巖-粉質(zhì)黏土混合料為研究對(duì)象進(jìn)行室大型直剪試驗(yàn)，以研究細(xì)料含水量對(duì)混合料整體力學(xué)特性的影響。

2 試驗(yàn)方案

本次室內(nèi)大型直剪儀的剪切盒直徑定為560 mm，剪切盒高度為500 mm。根據(jù)試樣尺寸與試樣最大粒徑之間的合理關(guān)系：D/dmax=8～12，可試驗(yàn)的粗粒土最大粒徑為40～80 mm。

考慮細(xì)粒含水量對(duì)剪切力學(xué)特性的影響，其他試驗(yàn)參數(shù)保持不變含石量P5=50%，含石最大粒徑dmax=120 mm，配制采用的細(xì)料干ρd=1.52 g/cm3，而細(xì)料含水量W細(xì)變化為：8%風(fēng)干樣、20%(最優(yōu)含水量)、30%(液限)，40%浸水狀態(tài)。每一個(gè)含水量的土樣做四4個(gè)室內(nèi)大型直剪，法向壓力分別取90 kPa、190 kPa、390 kPa、490 kPa，配置過程中細(xì)料直接取自現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)干樣，粗集粒中5～10 mm粒組、10～20 mm粒組、20～40 mm粒組、40～60 mm粒組、60～80 mm粒組、80～100 mm粒組和>100 mm粒組均按細(xì)粒干質(zhì)量的14.29%配制。

3 剪切力學(xué)特性

3.1 剪應(yīng)力-位移分析

不同細(xì)料含石量及不同法向應(yīng)力條件下土石混合體剪應(yīng)力-剪切位移曲線如圖1所示。為了研究細(xì)料含水量的影響，本次進(jìn)行了同一含石量(50%)的對(duì)比性試驗(yàn)。當(dāng)含石量較小時(shí)，剪切主要發(fā)生了細(xì)料中，而含石量較高時(shí)，水分主要是賦存于細(xì)料中，也顯示不出影響規(guī)律，所以本課題選取含石量為50%時(shí)的混合料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)分析。圖1顯示了紅砂巖-粉質(zhì)粘土混合料中粉質(zhì)粘土含水量對(duì)混合料剪切應(yīng)力發(fā)揮的影響規(guī)律，從圖上可看出，含水量的影響極其明顯，含水量越高，相同位移對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力越小。當(dāng)細(xì)料作為粗集料間的填充物時(shí)，細(xì)料含水量增加，會(huì)“潤(rùn)滑”粗集料間的接觸界面，而當(dāng)粗集料作為懸浮物夾雜在細(xì)料中時(shí)，細(xì)料含水量增加在減少細(xì)料強(qiáng)度的同時(shí)，也削減了細(xì)料對(duì)粗集料的“包裹力”使得剪切帶中和附近的粗集料易于發(fā)生滑動(dòng)、滾動(dòng)。

圖1 土石混合體剪切應(yīng)力-位移曲線

3.2 剪切強(qiáng)度分析

根據(jù)莫爾庫(kù)化強(qiáng)度準(zhǔn)則線性擬合到抗剪強(qiáng)度參數(shù)(表1)，并將其隨細(xì)料含水量的變化趨勢(shì)繪于圖2，可見摩擦角及粘聚力都隨細(xì)料含水量的增高而被不同程度的削弱，但規(guī)律略有不同，內(nèi)摩擦角在含水量從8%～22%區(qū)間內(nèi)削弱相對(duì)較慢，而22%～40%加劇削弱；而粘聚力則在細(xì)料狀態(tài)由風(fēng)干狀態(tài)增濕到液限狀態(tài)這一區(qū)間內(nèi)急劇線性削弱，而當(dāng)含水量達(dá)到液限后粘聚力隨含水量的衰減已可忽略。

表1 不同含水量土石混合體剪切強(qiáng)度

圖2 強(qiáng)度參數(shù)與含水量關(guān)系

3.3 剪切破壞面分析

四種細(xì)料含水量對(duì)應(yīng)的剪切后的剪切破壞面，當(dāng)細(xì)料為風(fēng)干樣(含水量8%)剪切過程剪切面均發(fā)生了“繞石”現(xiàn)象，并未發(fā)生“切石”的情況，整個(gè)剪切面凹凸不平。當(dāng)細(xì)料含水量為最優(yōu)含水量時(shí)，剪切過程剪切面發(fā)生了“切石”現(xiàn)象，并且剪碎位置不限于靠近剪切環(huán)的位置，在試樣中間也發(fā)生大面積的剪碎。當(dāng)細(xì)料含水量為液限時(shí)，紅砂巖在法向加壓過程中“吸食”了土體中部分的水分，紅砂巖顆粒間的泥質(zhì)膠結(jié)力因水分的進(jìn)入發(fā)生“軟化”，在剪切面附近的紅砂巖呈土塊狀崩解。

4 結(jié) 論

(1)細(xì)料含水量對(duì)紅砂巖-粉質(zhì)黏土混合體的宏觀力學(xué)性質(zhì)影響較大，含水量越高，相同位移對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力越小。

(2)摩擦角及粘聚力都隨細(xì)料含水量的增高而被不同程度的削弱，但規(guī)律略有不同，內(nèi)摩擦角在含水量從8%～22%區(qū)間內(nèi)削弱相對(duì)較慢，而22%～40%加劇削弱；而粘聚力則在細(xì)料狀態(tài)由風(fēng)干狀態(tài)增濕到液限狀態(tài)這一區(qū)間內(nèi)急劇線性削弱，而當(dāng)含水量達(dá)到液限后粘聚力隨含水量的衰減已可忽略。

(3)不同細(xì)料含水量對(duì)應(yīng)的剪切面破壞面形成機(jī)理大有不同，當(dāng)細(xì)料為風(fēng)干樣時(shí)，剪切面發(fā)生繞石效應(yīng)，當(dāng)細(xì)料含水量為最優(yōu)含水量時(shí)，剪切面發(fā)生切石效應(yīng)，當(dāng)細(xì)料含水量為液限時(shí)，混合料中的紅砂巖由于吸水在剪切力作用下發(fā)生類土塊狀崩解。