泥質巖土石料填筑體變形特性試驗研究

文琪鑫， 鄧榮貴， 孫 怡， 李凱甜

(西南交通大學土木工程學院， 四川成都 610031)

1 泥質巖土石料的使用與研究

高速公路、機場跑道及工廠等越來越多地在山區出現，挖填平場是不可避免的，由于運輸條件限制，許多填方采用就近取材原則，以大塊石作為填料進行土石方填筑，填筑體的變形是一項工程的控制因素，其變形規律對優化設計和工程安全至關重要。

土石填料的典型特點是顆粒級配和均勻性差，采用強夯工藝進行土石料填筑是目前較為主流的做法，塊石填方地基強夯處理需注意填料粒徑及級配、回填方法、分層厚度和檢測與評價等施工要點[1]，填筑高度和壓實度是影響沉降量的主要因素[2]，采取增大石料的含量與提高壓實度方法可以減小土石混合料自重應力引起的瞬時壓縮變形[3]。有學者提出土石混填路堤強夯加固深度需考慮強夯加固范圍內各影響因素并給出了相應計算公式[4]。在進行高填方沉降預測時，通過反演計算模型的材料參數結合數值分析是一種較為準確且有效的辦法[5]，也可以采用考慮初始壓實度、初始含水率及土石比與所受荷載預測填筑土層強度和沉降量的算法[6-7]。有學者利用數值模擬研究了高填方邊坡的沉降，提出了填筑層數對邊坡沉降的影響[8]。巖石的流變性與絕大多數巖體工程的失穩和破壞有關，蠕變既是巖石的特性，也是土和碎石混合料的重要特性，是土和碎石混合料能否應用于高填方工程和預估高填方工后剩余沉降量的重要依據[9]。除了對一般土石的研究，也有很多對黃土、膨脹土等特殊土高填方的研究，如考慮地形和壓實度因素對黃土高填路堤沉降量影響[10-11]，對膨脹土采用“芯土”及外包土用作路基填筑的方法，與外界水體隔離，有效防止弱膨脹土遇水失穩等各種病害[12]。但對于泥質巖這種也需要作為特殊土對待的巖體，鮮有從固體大顆粒角度，對土石料填筑體在荷載作用下的變形機理研究。本文采用土石料填筑體長期變形模擬試驗裝置，對某機場泥質巖填筑體進行了變形機理分析，建立了對數數學模型，對泥質巖開挖土石料填筑體變形機理進行了闡述。

2 泥質巖土石料試驗概況

2.1 試驗設備

本試驗目的是研究巖石固體大顆粒填筑體的長期變形。而現有設備主要針對小顆粒，一般工程填筑體土石料原型設計級配的最大粒徑可以達到800～1000 mm，考慮尺寸效應，設備大小必須是顆粒平均粒徑的3～5倍以上，若將大顆?？s尺太小，其變形規律可靠性偏低，且無法考慮溫度、含水量變化對土石料風化影響，故現有設備無法滿足試驗需求。

本試驗采用自主研制的土石料填筑體長期變形模擬試驗裝置，該試驗系統包括支撐裝置、水循環系統和風循環系統，支撐裝置上設置有模型箱，支撐裝置上固定安裝有加載時，延伸至模型箱內、并對模型箱內的土石料填筑體施加豎向載荷的加載裝置，加載裝置上設置有采集土石料填筑體豎向壓縮變形量的采集裝置。該設備模型箱的尺寸為72.6 cm×75.6 cm×76 cm(長×寬×高)，可做最大尺寸160 mm，最大加載量油壓表讀數20 MPa，換算至試樣頂面荷載為496 kPa，可以實現填筑體自然加載變形、風化變形、降雨軟化變形、蠕變變形及多種因素耦合的綜合變形試驗等功能。本試驗僅使用其自然加載變形功能(圖1)，首先將試樣用土石料按預想設計置入支撐裝置，然后采用加載裝置，即模型頂部由三個液壓千斤頂依靠反力裝置加載，傳力路徑為千斤頂、U型槽鋼、傳力板，土石料堆填試樣頂面，側向約束為四塊雙層1.5 cm厚有機玻璃板(聚甲基丙烯酸甲酯)外套U型槽鋼約束，有機玻璃板拉伸強度為50～77 MPa，彎曲強度為90～130 MPa，斷裂伸長率為2 %～3 %。隨著加載變形試驗的進行，讀取采集裝置數據，并統計試驗后顆粒形態及級配參數，發現其規律，達到試驗目的。

圖1 土石料填筑體長期變形模擬試驗裝置

2.2 試驗設計

由于土石料粒徑較大，采用原型尺寸開展相應的室內試驗難度較大，故需對原型土石料進行縮尺。本試驗采用相似級配法，通常是全料的粒徑皆被縮小, 使粗粒含量變小, 細粒含量增大, 導致試樣性質發生變化，但此試驗采用的是均勻大小顆粒，即均勻級配，故采用相似級配法可以保持顆粒級配幾何相似、不均勻系數及曲率系數不變，且其能較好反映工程性質。試驗終止標志為試樣變形達試樣總高的20 %，或試樣明顯破壞。本試驗試樣為紅層泥質巖，取自四川某在建大型機場工程，巖體顆粒主要集中在140～160 mm之間，采用自由堆填方式，試驗模型全貌圖如圖2。

圖2 試樣及試驗設備

試驗步驟如下：

(1)安裝雙層透明有機玻璃板模型箱。

(2)將擬選尺寸泥質巖大顆粒，隨機、逐一輕放至模型箱內，在接近頂部時，選用形態粗糙度類似顆粒進行鋪填，整體呈自由堆填。

(3)安裝傳力裝置、加載裝置和測量裝置。

(4)按每級荷載油壓表讀數1 MPa加載，即試樣頂面荷載為24.8 kPa加載，每級變形穩定后進行下一級加載，至油壓表讀數19 MPa，終止加載。期間觀察顆粒破碎變化，記錄加載板位移，即試樣變形。

(5)采用篩分法統計試驗后巖樣顆粒級配特征。

載荷作用位移采用電子千分表測量，共計4個測點(圖3)。

圖3 位移測點布置

3 填筑土石料特征

3.1 填筑土石料形態特征及顆粒級配特征

本文隨機選取20個泥質巖顆粒，利用計算機圖像分析軟件Image-Pro Plus6.0獲取顆粒的輪廓，并用2種定量方法測量這些顆粒的IPP圓度和輪廓分維數，再結合鮑爾斯目標對比法對土石料顆粒形態特征進行說明(圖4)。

圖4 部分試驗初始填料顆粒

每個顆粒形態各異，具有很強隨機性。顆粒巖性均均勻，巖石表面自然狀態下巖體手捻粉末感，濕巖手捻摸有滑膩感，當水分較大時，較為粘手，沒有顆粒感存在。巖石主要吸收綠光和少量藍光、黃綠光，其顏色主要表現為綜紅色，不透明；其為分子鍵礦物構成，對光的吸收程度小，反光能力較弱，光澤即弱，屬土狀光澤。測得IPP圓度和輪廓分維數如圖5、圖6所示。

圖5 IPP圓度

圖6 輪廓分維數

IPP圓度是以偏離正圓面積來計算圓度，巖石圓度一般大于1，其值越大越不圓。此巖樣顆粒IPP圓度均大于1.5，平均值為2.04。輪廓分維數是用一較小標尺長度去量測輪廓周長，直到標尺長度接近顆粒最小直徑時停止，并經過系統計算所得到，其值越大顆粒輪廓越不規則。此巖樣顆粒輪廓分維數均大于1.02，平均值為1.057。結合目估對比法，根據鮑爾斯圓度標準，所有顆粒均屬于尖棱角狀。

試驗所用粒徑主要集中在140～160 mm之間，質量在2.900～4.100 kg之間，為均勻級配，平均粒徑為146 mm，顆粒級配曲線如圖7。

圖7 初始顆粒級配曲線

3.2 填筑土石料物理力學特性

填料用泥質巖初始含水量為2 %，天然重度為2.38 g/cm3。采用機械鉆孔加工7個標準巖樣，即直徑50 mm，高100 mm的圓柱體型，分3個進行單軸加載試驗，4個進行三軸加載試驗。

3.2.1 單軸加載試驗

三個巖樣巖性基本相同，最大荷載平均值為7.60 kN，應力為3.87 MPa；最大位移平均值為1.5188 mm，應變為0.0152。三者在達到峰值前后均經歷一段波動，但峰值附近波動變形較小，這與巖石原處地應力條件及風化程度有一定關系。三者在達到峰值后應力下降，表現出一定的脆性特征。巖樣單軸加載參數如表1所示，變形曲線如圖8所示。

表1 單軸加載參數

圖8 單軸應力-應變曲線

3.2.2 三軸加載試驗

三軸試驗是常規情況下的，即σ1>σ2=σ3，施加的圍壓分別為是1 MPa、2 MPa、3 MPa和4 MPa。加載試驗實施方案如下：首先以0.5 MPa/s 的速度施加軸壓和圍壓至靜水壓力值(即預設圍壓值)，并保持15 s不變，此過程采用應力控制模式；然后保持圍壓不變，繼續以0.5 MPa/s 的速度施加軸壓，直至巖樣破壞，此過程采用位移控制模式。巖樣三軸加載參數如表2所示，三軸變形曲線如圖9所示。

表2 三軸加載參數

圖9 三軸應力-應變曲線

根據三個單軸試驗巖樣不難看出，巖石巖性基本相近，故三軸試驗結果圖像差異主要由圍壓控制。在處于1 MPa的相對低圍壓狀態下時，當豎向荷載達到5.10 MPa時，荷載將不再上升基本保持不變，直到豎向位移達到限值；圍壓2 MPa時，其峰值豎向荷載有明顯上升，增加為8.05 MPa，為圍壓2 MPa時的1.5倍，峰值后下降至5.10 MPa附近直至破壞；圍壓3 MPa、4 MPa時，其峰值荷載相近，為9.17 MPa，較圍壓2 MPa時無明顯上升，圍壓3 MPa巖樣破壞時荷載與圍壓1 MPa、2 MPa相近，圍壓 4 MPa破壞荷載為前三種的1.2倍。

四者圖像均在達到峰值后迅速下降一段，然后趨于穩定，說明在圍壓作用下先表現脆性，再表現出延性。單軸和三軸變形曲線中均未體現出壓密階段，可以認為巖石自然狀態下較為密實。

4 填筑體土石料變形特征及分析

4.1 填筑體變形特性及其分析

土石料填筑體在荷載小于120 kPa時，變形較為迅速；120 kPa與240 kPa之間，變形較為緩慢，并伴有巖石破碎聲；240 kPa與320 kPa之間變形速率適中；320 kPa與447 kPa之間，變形緩慢，有微弱巖石破碎聲，在趨近447 kPa時，變形變化很小，總變形量達到了82.4 mm，大部分顆粒肉眼可見破壞，認為此時填筑體達到了破壞狀態，試驗終止。

通過對試驗過程的觀察及數據的整理，可以認為泥質巖土石料填筑體均質顆粒在荷載作用下的變形可分為四個階段：巖塊似彈塑性變形階段，巖塊接觸面(點)壓裂變形階段，填筑體塊?？臻g結構崩潰失穩變形階段和巖塊破碎與空隙閉合擠密變形階段。整體變形規律可用對數模型進行擬合(圖10)，散點圖為荷載-變形曲線，光滑對數曲線為擬合曲線，垂直于橫軸的點畫線為四個變形階段分界線。

圖10 荷載-變形曲線

由擬合曲線可以建立荷載變形數學模型，相關系數為R=0.938，如下：

s=-3.674ln(F)+14.721

(1)

式中：F(kPa)為填筑體頂板荷載，s(cm)為填筑體豎向平均位移。

土石料本構模型常用土體的壓縮特性雙線性函數模擬，即當平均應力p小于屈服應力時，材料處于彈性變形狀態；當其超過屈服應力后，土體顆粒開始破碎，圧縮曲線下彎明顯，塑性體積變形持續積累[13]。本文試驗為側限約束單向加載，荷載-變形曲線為對數函數模型，故采用下述指數函數[14]進行理論計算：

(2)

式中：e0為材料的初始孔隙比；hs為固相硬度，是堆石料抵抗能力的一種綜合度量，量綱與應力一致；n是無量綱量，由材料級配確定。

堆石料為均勻級配，n取1.204 8，hs取2 004 kPa，初始孔隙比e0=0.481,則據式(2)得e-logp曲線如圖11光滑曲線所示。試驗所得e-logp曲線如圖11帶標記線所示。

圖11 試驗和理論得e-logp曲線

試驗測點數據主要落在陡傾段，說明本試驗所用均勻大顆粒，初期具有很強結構性，在荷載作用下，顆粒接觸點首先得到破壞，破碎顆粒填充孔隙，結構發生破壞變形，即從加載初始就進入了顆粒破碎階段。試驗結果曲線和經驗曲線較為接近，對于均勻大顆粒堆石料變形計算可采用(1)式，且可直接從顆粒破碎階段開始考慮。

4.2 填筑體變形后的顆粒特性及其分析

按變形后填筑體總高從上至下分為三層進行顆粒級配統計分析，因顆粒原型尺寸較大，破碎無明顯分層，統計按每層厚度約20 cm進行，對于有些顆粒貫穿于上下層，按顆粒尺寸1/2為界，將顆粒歸為體積較大部分所處層。分別計算三層及整體的不均勻系數、曲率系數(表3)。

表3 各層及整體級配指標

各層及整體的曲率系數均在1～3之間，第一、二及整體不均勻系數均小于5，第三層不均勻系數大于5，級配指標評價為良好。試驗后各層間指標差異不大，各層與整體級配指標差異也不大。如圖12，從試驗前整體和試驗后各層及整體級配曲線可以看出，試驗后曲線明顯緩與試驗前，這是因為隨著顆粒破碎形成大量不同粒徑小顆粒，填補泥質巖大顆粒之間空隙，且空隙被擠密，填筑體密實度增大；也可以看出試驗后從上往下級配逐漸變好，結合試驗觀察，可以說明在靜荷載作用下下層擠密效果良好，此試驗第三層密實度較高，可以作為工程填料參考級配。

圖12 試驗前整體和試驗后各層及整體級配曲線

5 結論

(1)泥質巖開挖土石料顆粒從IPP圓度和輪廓分維數的定量描述，其平均值分別為2.054、1.057，均大于鮑爾斯目估標準顆粒的尖棱角狀對應值，且結合目估對比法定性分析，該顆粒群均為尖棱角狀。

(2)填筑體在側限剛性約束的豎向荷載作用下經歷較快，緩慢夾破碎聲，中速，緩慢夾破碎聲四個不同變形階段，其可察覺破碎聲均發生在變形緩慢階段，說明填筑體的變形主要受塊?？臻g結構控制，土石顆粒破壞為輔。

(3)填筑體變形隨應力變化近似對數規律，可采用文中數學模型對此類均勻顆粒自由堆填體進行變形預測，變形可分為四個階段：巖塊似彈塑性變形階段，巖塊接觸面(點)壓裂變形階段，填筑體塊?？臻g結構崩潰失穩變形階段和巖塊破碎與空隙閉合擠密變形階段。在實際工程中應重視堆填體的空間結構布置，以增大第三變形階段的載荷區間，提高承載力，減少沉降量。

(4)加載完成后觀察第三層具有較好擠密效果，且經篩分統計，該層顆粒級配良好，故所得級配參數可用作工程土石 料填筑體參考。

本試驗研究僅為初步的，泥質巖土石料顆粒特性與開挖方式的關系，以及不同初始級配對土石料填筑體變形的影響等問題尚需進一步研究。