徐 俊，韓文喜，吳亞東，易琳力，孫 晨

(1.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川成都610031；2.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031；3.中國建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院，四川成都610059)

0 引 言

砂頁巖型填料為砂巖和泥巖互層構(gòu)造地層，機(jī)械開挖爆破后，獲得的砂頁巖混合粗粒材料廣泛分布在成都和重慶的砂頁巖夾層結(jié)構(gòu)地層中，以重慶地區(qū)為例，據(jù)《重慶地質(zhì)圖(比例尺 1∶500 000)》，三疊紀(jì)、侏羅系和白堊系地層砂泥巖層間結(jié)構(gòu)總厚度達(dá)2～6 km。在實(shí)際的開挖過程中，很難將兩者完全分開，因此將兩者的混合物用作主要建筑材料，并廣泛用于機(jī)場填充、水利大壩、公路和鐵路路基等項(xiàng)目。在實(shí)際的機(jī)場高填方項(xiàng)目中，填充材料的最大粒徑超過1 000 mm，最小粒徑小于0.075 mm。在大粒徑范圍內(nèi)，不同粒徑的顆粒含量孔隙特性不同，特別是粒徑大于5 mm的粗顆粒含量對填料的力學(xué)性能有顯著影響，對建筑物的穩(wěn)定性和沉降變形影響巨大。

在水土堆石壩的填筑工程以及鐵路和公路的道路填筑中，關(guān)于土石混合料的強(qiáng)度和變形特性的文獻(xiàn)相對較多。凌華等[1]利用大型三軸排水剪切試驗(yàn)探究了不同巖性及密度的條件下細(xì)粒含量對抗剪強(qiáng)度特性的影響。王光進(jìn)等[2]采用FLAC軟件模擬礫石粗粒土的三軸壓縮試驗(yàn)得出，在相同的粒徑級配條件下，粗粒土內(nèi)摩擦角隨粗粒含量增大而明顯增大。杜俊等[3]采用室內(nèi)中型直剪儀研究了粗粒含量對堆石體剪切特性的影響。王光進(jìn)等[4]利用大型直剪試驗(yàn)研究了粗粒含量對試樣抗剪強(qiáng)度參數(shù)以及顆粒破碎特性的影響。但是，目前國內(nèi)外的研究學(xué)者都以機(jī)場高填方工程中的頁巖型填料為具體研究對象，有關(guān)粗顆粒含量對其力學(xué)性能影響的相關(guān)文獻(xiàn)很少。張文學(xué)[5]研究了戈壁地區(qū)高速公路粗粒土填料的力學(xué)特性發(fā)現(xiàn)，粗粒土含量越大，擊實(shí)后干密度越大。李振等[6]研究了粗顆粒組分含量對中細(xì)砂抗剪強(qiáng)度的影響發(fā)現(xiàn)，在同一級配下，增加粗顆粒含量，各組混合砂樣抗剪強(qiáng)度均表現(xiàn)出先降低后升高的趨勢[7-10]。本文針對不同粗粒含量的砂泥巖填料采用不同的試驗(yàn)方法(常規(guī)三軸試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)、離散元模擬三軸試驗(yàn)等)，對粗粒含量對機(jī)場高填方砂泥巖類填料力學(xué)性質(zhì)的影響進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試樣制備

根據(jù)建設(shè)單位的詳勘報(bào)告，試驗(yàn)材料取自重慶江北國際機(jī)場東航站區(qū)及第三跑道建設(shè)項(xiàng)目料源，主要取自侏羅系沙溪廟組的風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、中風(fēng)化砂巖和中風(fēng)化泥巖，以及分布厚度較薄的粉質(zhì)粘土。測試材料取自砂巖和泥巖爆破材料。根據(jù)重慶機(jī)場3個(gè)料源場的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，砂巖質(zhì)量占總質(zhì)量的30%時(shí)，接近于實(shí)際的建筑填充料。因此，本文分別對現(xiàn)場取樣的砂巖和泥巖爆破材料進(jìn)行篩選，按一定的比例進(jìn)行混合，按砂巖與泥巖質(zhì)量比為3∶7均勻混合制成試驗(yàn)樣品。根據(jù)規(guī)格，樣品的自然水分含量為2.5%。

1.2 試樣級配設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法

根據(jù)MH/T 5035T—2017《民用機(jī)場高填方工程技術(shù)規(guī)范》對填料類別的分類，設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法及試樣數(shù)量見表1，級配見圖1。為了研究粒徑大于5 mm的粗顆粒含量P5對于土石混合料力學(xué)性質(zhì)的影響，本文針對P5分別為70%、50%和30%設(shè)計(jì)了3種級配，分別進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

表1 試樣數(shù)量及研究方法

圖1 顆粒級配

2 試樣強(qiáng)度變形特性試驗(yàn)研究

2.1 常規(guī)三軸試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)試樣為高140 mm、直徑70 mm的圓柱形試樣，并根據(jù)95%的壓實(shí)度秤取相應(yīng)質(zhì)量的土料，取最優(yōu)含水率，采用三瓣膜法擊實(shí)器分層裝料、壓實(shí)。樣品制備完成后，將乳膠膜置于膜接收管上，并分別在100、200 kPa和300 kPa的壓力下置于MTS三軸試驗(yàn)機(jī)的壓實(shí)室中進(jìn)行試驗(yàn)。級配5偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系見圖2。從圖2可知，級配5土料并沒有明顯的偏應(yīng)力峰值。因此，將軸向應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)的偏應(yīng)力值作為試樣的破壞強(qiáng)度值。不同圍壓下試樣的破壞強(qiáng)度值及壓縮模量見表2。

表2 試樣破壞強(qiáng)度值及壓縮模量

圖2 級配5應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

根據(jù)不同圍壓下試樣的破壞強(qiáng)度值，應(yīng)用摩爾-庫倫準(zhǔn)則繪制摩爾圓(見圖3)。計(jì)算級配5土料的粘聚力為10.43 kPa、內(nèi)摩擦角為19.97°。

圖3 級配5應(yīng)力摩爾圓

利用YS-30A型應(yīng)力路徑控制大型三軸剪切試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行三軸試驗(yàn)。每1個(gè)級配分別在圍壓100、200 kPa和300 kPa條件下進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)。每次試驗(yàn)后進(jìn)行1次篩分試驗(yàn)，以便后續(xù)進(jìn)行填料破碎性的研究。從試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，級配2～4在不同圍壓下均表現(xiàn)出剪脹現(xiàn)象，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系見圖4。從圖4可知，在每1級配條件下，試樣均表現(xiàn)出通常散粒土石混合料的三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征，且3組試驗(yàn)在100 kPa圍壓下均有軟化現(xiàn)象，峰值強(qiáng)度均出現(xiàn)在軸向應(yīng)變?yōu)?%左右，偏應(yīng)力隨著軸向應(yīng)變繼續(xù)增大開始下降，在軸向應(yīng)變達(dá)到10%左右時(shí)趨于穩(wěn)定。級配4的軟化現(xiàn)象最明顯，級配2較級配3的軟化現(xiàn)象明顯，這一現(xiàn)象并沒有與試樣中粗顆粒含量P5表現(xiàn)出線性相關(guān)關(guān)系。分析認(rèn)為，試樣中粗顆粒含量并不是直接影響試樣的強(qiáng)度軟化特性，而是與細(xì)顆粒等不同粒徑構(gòu)成不同的孔隙特征影響試樣的強(qiáng)度軟化特性，可能與試驗(yàn)過程中大顆粒的剪切破碎有關(guān)。

圖4 級配2～4應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

在不同圍壓條件下，每1級配試樣的破壞強(qiáng)度以及壓縮模量見表3。根據(jù)不同圍壓下試樣的破壞強(qiáng)度值，應(yīng)用摩爾-庫倫準(zhǔn)則并繪制摩爾圓(見圖5)，分別計(jì)算各組試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表4。

表3 試樣破壞強(qiáng)度及壓縮模量

圖5 級配2～4應(yīng)力摩爾圓

表4 試樣抗剪強(qiáng)度參數(shù)

2.2 離散元模擬三軸試驗(yàn)研究

級配1是石料粒徑顆粒占多數(shù)的散粒體，顆粒之間的粘聚力可以不計(jì)。因此，采用非粘結(jié)線性接觸模型，模型本構(gòu)關(guān)系見圖6。圖6中，Ks、Kn分別為彈簧的切向、法向模量；ηn為阻尼，Un為兩顆粒之間法向相對位移量。

圖6 顆粒接觸本構(gòu)模型

為消除邊界效應(yīng)，保持與室內(nèi)三軸試樣的一致性，在離散元模擬中，建立高徑比為2∶1的圓柱形試樣。級配1的石料需考慮三軸壓縮試驗(yàn)的尺寸效應(yīng)，確定試樣最短邊即試樣直徑與最大粒徑比值為5。因此，確定模擬的三軸試驗(yàn)尺寸直徑為1 000 mm、高為2 000 mm。

由級配1的級配曲線確定每組粒徑范圍內(nèi)質(zhì)量含量，即可確定相應(yīng)粒徑范圍內(nèi)土顆粒所占試樣總體積的體積含量。然后，以每組粒徑范圍的平均粒徑為圓球顆粒的直徑計(jì)算出顆粒數(shù)目，再在PFC軟件中隨機(jī)生成。在級配1曲線中，1～5 mm粒徑范圍內(nèi)土體質(zhì)量僅占5%，但計(jì)算所得顆粒數(shù)目達(dá)到300多萬顆，大大降低了計(jì)算效率。因此，在模擬時(shí)最小粒徑取5 mm。

對于級配1試樣模擬所需的細(xì)觀參數(shù)，本文通過先模擬級配2試樣并不斷調(diào)整細(xì)觀參數(shù)和試算，使模擬得到的級配2試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與實(shí)際室內(nèi)試驗(yàn)相吻合時(shí)，用所得的細(xì)觀參數(shù)來獲取。再將這組參數(shù)代入級配1試樣的離散元模擬中。

建立尺寸與室內(nèi)三軸壓縮試驗(yàn)試樣尺寸相一致的高600 mm、直徑300 mm的圓柱形試樣，分別在100、200 kPa和300 kPa圍壓條件下進(jìn)行3次模擬試驗(yàn)，導(dǎo)出計(jì)算結(jié)果繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線，與級配2試樣室內(nèi)三軸壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比(見圖7)。從圖7可知,離散元模擬三軸壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與室內(nèi)試驗(yàn)基本一致，差別在于離散元模擬的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出硬化特性；室內(nèi)三軸壓縮試驗(yàn)得出的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，特別是在100 kPa圍壓條件下表現(xiàn)出明顯的軟化特性。主要是因?yàn)樵陔x散元模擬中，替代土顆粒的是規(guī)則的剛性圓球，實(shí)際上土顆粒是具有棱角且不規(guī)則的。在剪切過程的后期，尤其是粒徑較大的土顆?？赡茈S著繼續(xù)剪切發(fā)生破碎，破碎成較小粒徑的顆粒填充試樣中的孔隙，不像模擬時(shí)試樣的壓密僅僅是通過圓球顆粒之間相對位置發(fā)生滑移而實(shí)現(xiàn)的理想狀態(tài)。

圖7 級配2試樣室內(nèi)試驗(yàn)與模擬試驗(yàn)結(jié)果對比

室內(nèi)三軸壓縮試驗(yàn)與模擬的三軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線在偏應(yīng)力迅速上升后會(huì)表現(xiàn)出不同的特性，偏應(yīng)力由快速變化到緩慢變化時(shí)即應(yīng)力-應(yīng)變曲線的拐點(diǎn)，對應(yīng)的軸向應(yīng)變均在5%左右，并且偏應(yīng)力峰值相差并不大，初始模量也很相近，室內(nèi)試驗(yàn)與模擬試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線總體上是一致的?？梢哉J(rèn)為，離散元模擬時(shí)選取的細(xì)觀參數(shù)是正確的。具體的細(xì)觀參數(shù)見表5。表5中，kn為兩接觸顆粒之間的法向接觸剛度系數(shù)；ks為兩接觸顆粒之間的切向接觸剛度系數(shù)；μ為兩接觸顆粒之間摩擦系數(shù)；ρ為顆粒圓球的密度；k_wall為墻體的剛度。

表5 離散元模擬細(xì)觀參數(shù)

將得出的細(xì)觀參數(shù)代入建立的級配1試樣的模擬模型中，分別在100、200 kPa和300 kPa圍壓條件下進(jìn)行3次模擬試驗(yàn)，導(dǎo)出計(jì)算結(jié)果并繪制級配1試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，見圖8。通過圖8可以得出級配1試樣在不同圍壓條件下的壓縮模量以及破壞強(qiáng)度，見表6。根據(jù)不同圍壓下試樣的破壞強(qiáng)度值，應(yīng)用摩爾-庫倫準(zhǔn)則繪制摩爾圓，見圖9，計(jì)算級配1試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。級配1試樣的內(nèi)摩擦角為58.14°，粘聚力為167.30 kPa。

圖8 級配1應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

表6 級配1試樣破壞強(qiáng)度及壓縮模量

圖9 級配1應(yīng)力摩爾圓

3 粗粒含量對砂泥巖類填料力學(xué)性質(zhì)的影響

3.1 對應(yīng)力-應(yīng)變特性的影響

根據(jù)不同級配試樣試驗(yàn)所繪制的應(yīng)力-應(yīng)變曲線得到主應(yīng)力差(σ1-σ3)表示的每組試樣的強(qiáng)度破壞值，繪制試樣強(qiáng)度破壞值與級配之間的關(guān)系圖，見圖10。從圖10可知，每組級配試樣圍壓越大，強(qiáng)度破壞值就越大。級配1～ 5試樣的粗粒土含量逐步減小，試樣的強(qiáng)度破壞值也逐步降低?？梢哉J(rèn)為，試樣粗粒土含量與強(qiáng)度破壞值呈正相關(guān)。

圖10 強(qiáng)度破壞值與級配的關(guān)系

級配2～4試樣的試驗(yàn)方法和控制因素等均是相同的，僅是粗顆粒含量P5不同。繪制級配2～4試樣強(qiáng)度破壞與粗粒土含量關(guān)系曲線，見圖11。從圖11可知，3組級配試樣在任一圍壓下的強(qiáng)度破壞值均隨P5的增大而增大，然而試樣強(qiáng)度破壞值對于P5的敏感性有較大差異。P5增大到60%時(shí)，峰值強(qiáng)度提高速度隨著粗顆粒含量增大而加大。分析認(rèn)為，P5增大到60%時(shí)，粗顆粒表現(xiàn)出一定的骨架作用，細(xì)顆粒土僅僅起到填充作用。由于粗顆粒外形的棱角狀，剪切過程中顆粒間需要交叉并經(jīng)歷較大的滑移路徑，以重新排列填充顆粒間空隙，直至粗顆粒發(fā)生破碎，因此剪切強(qiáng)度顯著提高。

圖11 強(qiáng)度破壞值與粗顆粒土含量的關(guān)系

3.2 對抗剪強(qiáng)度特性的影響

根據(jù)試驗(yàn)得到的不同級配試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，繪制抗剪強(qiáng)度參數(shù)與級配的關(guān)系曲線，見圖12。從圖12可知，級配1～5試樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角都是逐步減小的?？梢哉J(rèn)為，隨粗顆粒含量P5的增加，砂泥巖類填料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)也越大，兩者呈正相關(guān)。

圖12 抗剪強(qiáng)度參數(shù)與級配的關(guān)系

粗顆粒含量P5對內(nèi)摩擦角與粘聚力的影響是不同的。試樣內(nèi)摩擦角與P5之間的關(guān)系類似于試樣強(qiáng)度破壞值與P5之間的關(guān)系。P5增大到60%時(shí)，內(nèi)摩擦角的提高隨著粗顆粒含量增大而變化顯著。分析認(rèn)為，當(dāng)P5增大到60%時(shí)，粗顆粒間相互嵌入咬合并表現(xiàn)出骨架作用，在剪切過程中，顆粒間咬合力顯著增加并表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角明顯提高。

P5對粘聚力的影響則表現(xiàn)出相反的情況。在P5增大到60%時(shí)，粗顆粒表現(xiàn)出骨架作用，但細(xì)顆粒只填充大顆粒之間的孔隙，粘聚力僅僅表現(xiàn)為粗顆粒之間的接觸與摩擦，因此P5即使再增大，粘聚力也基本沒有變化。P5在60%以下時(shí)，細(xì)顆粒開始起作用，粘聚力表現(xiàn)為粗顆粒與細(xì)顆粒、細(xì)顆粒與細(xì)顆粒、粗顆粒與粗顆粒之間的接觸咬合以及顆粒之間的摩擦，因此隨著粗顆粒含量減小，粘聚力開始出現(xiàn)顯著變化。可以認(rèn)為，砂泥巖類填料的粘聚力由細(xì)顆粒含量控制，抗剪強(qiáng)度參數(shù)、內(nèi)摩擦角由P5控制。

3.3 對顆粒破碎特性的影響

對級配2～4試樣進(jìn)行試驗(yàn)的篩分，再將Marsal[11]定義的破碎率Bg作為顆粒破碎程度的度量，得出試樣在不同圍壓下的顆粒級配及顆粒破碎率，見表7。從表7可知，試驗(yàn)后小于5 mm的細(xì)顆粒含量顯著增加，級配4試樣細(xì)顆粒含量增加幅度最小，而級配2試樣增加的幅度最大。分析認(rèn)為，級配4試樣細(xì)顆粒含量最小為70%，粗顆粒含量最小為30%，粗顆粒部分懸浮在細(xì)顆粒中，最不容易發(fā)生破碎。級配2試樣的顆粒破碎程度最大，在三軸壓縮試驗(yàn)后期，破碎而成的小粒徑顆粒更容易填充大顆粒之間的孔隙，并引起試樣內(nèi)部顆粒重新發(fā)生滑移排列，宏觀上表現(xiàn)出更為明顯的軟化現(xiàn)象。

表7 試樣顆粒級配及顆粒破碎率

根據(jù)表7中計(jì)算的不同圍壓下各級配試樣的破碎率，繪制級配與破碎率的關(guān)系曲線，見圖13。從圖13可知，試樣的破碎率也隨著粗顆粒含量的增大而增大，各級配試樣的整體破碎率隨著圍壓增大而增大。同時(shí)，由粗顆粒含量不同引起的破碎率變化幅度明顯大于由圍壓變化引起的破碎率變化幅度。在砂泥巖填料中，粗顆粒的含量相較于壓力大小導(dǎo)致試樣破碎的效果更為顯著。結(jié)合砂泥巖類填料顆粒破碎結(jié)果與三軸試驗(yàn)中試樣的抗剪強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度參數(shù)等結(jié)果可以看出，試樣更高破碎率對應(yīng)更大的抗剪強(qiáng)度參數(shù)及更高的峰值強(qiáng)度。

圖13 試樣破碎率與級配的關(guān)系

3.4 對壓縮特性的影響

根據(jù)各級配試樣三軸壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線求得壓縮模量Es，繪制壓縮模量Es與級配之間的關(guān)系曲線，見圖14。從圖14可知，各組級配試樣的壓縮模量都隨圍壓變大而變大，隨級配1～5試樣的粗粒土含量減小呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢?？梢哉J(rèn)為，試樣粗粒土含量P5與壓縮模量呈正相關(guān)。根據(jù)分析，隨著粗粒土含量的增加，分布在樣品剪切面上的粗顆粒的數(shù)量也增加，大顆粒之間的接觸、摩擦與咬合作用增強(qiáng)，使得試樣產(chǎn)生同樣的剪切變形時(shí)所需的剪應(yīng)力增大。因此，試樣表現(xiàn)出壓縮模量隨著粗粒土含量的增大而增大的現(xiàn)象。當(dāng)P5低于60%時(shí)，粗顆粒與細(xì)顆粒共同作用構(gòu)成試樣，即使當(dāng)粗顆粒含量更少時(shí)，粗顆粒懸浮在細(xì)顆粒中，試樣的剪切面上分布的均是細(xì)顆粒，這種情況下，隨著粗顆粒含量的減少，壓縮模量下降的趨勢趨于平緩。

圖14 試樣壓縮模量與級配的關(guān)系

4 結(jié) 語

本文基于重慶機(jī)場高填方砂泥巖類填料設(shè)計(jì)了5組級配試樣，通過擊實(shí)試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)以及離散元模擬三軸試驗(yàn)等，對粗粒含量對機(jī)場高填方砂泥巖類填料力學(xué)性質(zhì)的影響進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

(1)砂泥巖類填料試樣的壓縮模量、內(nèi)摩擦角、強(qiáng)度破壞值與填料的粗粒含量呈正相關(guān)。粗粒含量P5低于60%時(shí)，試樣的力學(xué)參數(shù)數(shù)值隨粗粒含量變化不太顯著，P5增大到60%時(shí)，隨著粗顆粒含量的增加，上述參數(shù)值開始顯著增大。

(2)砂泥巖類填料試樣的粘聚力與粗粒含量呈正相關(guān)。P5增大到60%之前，試樣的粘聚力隨粗粒含量增大變化顯著。P5增大到60%之后，試樣的粘聚力基本不隨粗粒含量變化而變化。

(4)試樣粗粒含量越大，顆粒的破碎程度越大，試樣更高破碎率對應(yīng)著更大的抗剪強(qiáng)度參數(shù)及更高的峰值強(qiáng)度。同時(shí)，試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出更強(qiáng)的軟化現(xiàn)象。