土石混填体变形力学特性大型三轴试验研究
摘 要：为了进一步研究土石混填体的变形力学特性，全面考虑含水量、含石量、岩性及土性等因素的影响作用，采用YS30-3型应力路径三轴剪切试验机，基于正交试验方法进行了一系列土石混填体大型三轴压缩研究.试验结果表明，在三轴受力条件下，土石混填体在低围压下的应变软化特征不明显，试样的粘聚力普遍较低而内摩擦角则比较高，且内摩擦角更容易受其他因素的影响而发生显著变化.含石量对土石混填体的抗剪强度影响程度最大，随试样中的含石量从25%增加到70%，其内摩擦角从34.54°近似线性增长至46.39°.含石量和围压分别是影响土石混填体体变特性最主要的内因和外因，即在含水率、岩性、土性相同的情况下，含石量越低试样高压剪缩性越明显，含石量越高其低压剪胀性越明显.
关键词：土石混填体；正交试验设计；大型三轴试验；含石量；剪切强度；体变特性
中图分类号：TU411.7 文献标识码：A
文章编号：1674-2974（2016）03-0142-07
山区进行大规模基础设施建设时，出于保护环境和节约投资的需要，土石混填体被广泛应用于地基和路基填筑[1-2].然而，土石混填体由于颗粒粒径变化较大且难以控制，致使其变形力学性质较为复杂，从而造成施工困难、施工质量难以保证，甚至可能引发工程事故.因此，更加系统深入地研究土石混填体变形力学特性已成为了中国西南山区基础建设亟待解决的关键问题之一，具有重要的理论与工程实际意义.
目前，对于土石混填体比较常用的试验方法有大型直剪试验.油新华等[3]、Li等[4]、Xu等[5]通过开展一系列原位水平推剪对土石混填体的强度特性进行了研究，初步掌握了土石混填体的承载机理与破坏模式，但是原位试验具有工作量大、操作复杂、精度有限、现场条件不易控制等缺点，致使有关成果无法进一步推广应用.为此，董云[6]、王江营等[7]先后在室内采用大型直剪仪对土石混填体进行了更为全面深入的试验研究，有关研究结果揭示了含石量、含水量以及干密度等因素对土石混填体抗剪强度、直剪变形特性等方面的影响，王江营等[7]还得到了土石混填体在不同水作用条件下完整的剪切变形特征曲线，这些试验成果可更好地指导工程实践以及有关理论研究.
然而，在大型直剪试验中土石混填体的受力不均匀现象比较严重，试样的破坏面被人为限定在了上下剪切盒之间，且无法掌握试样的体变特征.相比之下，通过开展大型三轴剪切试验可更加合理、全面地对土石混填体的变形力学特性进行研究.因此，武明[8]、柴贺军等[9]、周勇等[10]、高春玉[11]采用大型三轴仪对土石混填体进行了试验研究，分析了在三轴条件下含石量、干密度、岩性等因素对土石混填体的抗剪强度及应力应变关系的影响.但是，已有的土石混填体大型三轴试验多数只考虑某一两个因素的影响，试验不够全面，所得到的结果可能存在一定片面性；此外，在上述试验中均未重点对土石混填体的体变特性进行研究，这对其工程应用、理论计算及本构模型研究均会造成影响.
由上述可知，已有的研究尚存在一定的不足，因此，需要开展更为全面的大型三轴试验，综合考虑含水量、含石量、岩性和土性等因素对土石混填体抗剪强度、应力应变关系以及体变特征的影响，以充分掌握其变形力学特性，为相关的理论研究和工程实践提供一定参考和依据，而这便正是本文试验研究的出发点与核心内容.
1 试验设备及试验参数设定
1.1 主要试验设备
试验设备：摇筛机、台秤、喷壶、对开制样筒、乳胶膜和YS30-3型应力路径大型三轴剪切试验仪，其中试样直径300 mm，高600 mm.
1.2 试验参数设定
由土石混填体定义及已有的研究成果可知，含水量、含石量、岩性、土性等因素均会对土石混填体的变形力学特性产生影响，因此，本文在试验中将综合考虑这4个因素，各个因素的水平设定具体如下.
1）岩性与土性.由于实际工程中土石混填体在受外荷载作用下岩石不可能发生破坏，故本文不从母岩强度方面来考虑岩性，而从岩石的颗粒形状来考虑岩性.土性则参照土力学教材中土的分类，即粘性土和无粘性土.为了达到参照和对比的目的，本文采用与文献[7]中相同的岩性和土性，即土料分别为无黏性砂土（土性Ⅰ）和南方地区比较常见的红粘土（土性Ⅱ）；石料分别为磨圆度较好的圆砾（岩性Ⅰ，饱和单轴抗压强度Rc=34.1 MPa）和由山体破碎而成的角砾（岩性Ⅱ，饱和单轴抗压强度Rc=47.5 MPa）.
2）含水量.根据文献[7]中重型击实试验结果可知，土石混填体的最优含水量wop大致为4%～7%，为了反映水对土石混填体变形力学特性的影响，本文在试验中同样考虑4种不同的含水量：0（不含水），4%，7%，饱和.
3）含石量及相应的级配组成.已有的土石混填体工程实践和理论研究中，大多是取5 mm作为土石分界粒径，因此，本文在试验中亦采用该标准，共设定了4种含石量：25%，40%，55%和70%.考虑到试样直径D可达300 mm，试验中通常要求D/dmax≥5，所以石料的最大粒径dmax可取60 mm.图1为不同含石量土石混填体颗粒级配曲线.
2 试验方案及试验过程
2.1 正交试验方案的建立
由1.2节可知，本文拟对含水量和含石量各取4个水平，对土性和岩性各取2个水平，如果在试验中同时考虑这些因素进行全面试验的话，则共有42×22=64种组合（试样），每种试样分别在4级不同围压下进行剪切，即应制作256个试样进行试验.对于大型三轴试验而言，这不仅需要投入大量的时间、人力及物力，而且效率非常低下.因此，亟需一种科学合理的方法来建立出更为高效的试验方案，而正交试验设计[12]便是用于多因素、多水平的一种方法，它是按照一定数学规律从全面试验中选取部分有代表性的方案进行试验，这些点具有“均匀分散”与“整齐可靠”的特性，有着很高的效率，同时也非常便于对试验数据进行整理分析.
鉴于此，本文采用正交试验设计的思想来建立土石混填体大型三轴试验方案，表2为本文所考虑的试验因素及相应的水平.
由表2可知，根据正交表选择方法，应采用L16（42×29），于是便建立了具体的试验方案，如表3所示，共有16种组合，为全面试验（64种）的1/4，可显著减少工作量.
2.2 土石混填体大型三轴试验过程
1）试样制作与安装.根据表3中的每一种方案组成以及图1中的级配曲线，准备不同粒径的土石料，将土石料均匀拌和，然后按质量分成6等分，分层装入制样桶内并击实，试样压实度控制在92%左右.制样结束后，将试样外层的橡皮膜套在试样帽上，并用橡皮筋扎紧，将试样帽上的管道与真空泵连接.打开真空机从试样顶部抽气，利用负压，拆除制样桶.将底座清理干净，安装压力室.
2）试样饱和与固结.对于需要进行饱和的试样，采用“水头压力+抽真空”的方式使其饱和，当试样饱和度≥95%后，把围压调整到预设值，打开排水阀，试样开始固结，孔隙水压力逐渐消散，当排水量与时间的关系曲线逐渐趋于水平，且孔隙水压力已经消散基本不再变化时，可认为试样已完成固结.
3）试样剪切.每组试样均在剪力分别为200，400，600及800 kPa下进行剪切，剪切过程采用应变控制，剪切速率设为1 mm/min，当出现稳定的残余应力或竖向应变达到15%时，停止试验.图2为土石混填体试样经三轴试验破坏后典型的照片，从中可以看出，试样破坏后中间部位鼓胀比较明显.
3 试验成果整理与分析
3.1 土石混填体剪切强度指标
根据每种试样在不同围压下的应力应变曲线便可求得其到相应的剪切强度指标，不同方案下土石混填体的粘聚力c与内摩擦角φ如表4所示.
由表4可知，土石混填体在三轴试验条件下其内摩擦角普遍较高，而粘聚力相对较低，这种现象与采用相同土石料的文献[7]中直剪试验的结果是一致的，即土石混填体的抗剪强度主要源于不同粒径颗粒之间的相互嵌入、咬合及摩擦等效应.但是，表4中的c和φ值却明显高于文献[7]中c1和φ1，这可能由以下几方面原因引起：
1）试样的最大粒径不同.大型三轴试验中试样的最大粒径dmax=60 mm，而在文献[7]中由于剪切盒的限制dmax=40 mm，柴贺军等[9]通过试验发现，颗粒最大粒径对土石混填体的抗剪强度特性及应力应变关系均存在一定的影响；
2）试验条件不同.大型三轴试验由于配有专门的制样筒，试样压实度达到了约92%，且围压σ3在200～800 kPa之间；直剪试验中试样的压实度约为90%，而且由于仪器限制其最大法向应力σn只有300 kPa；
3）试验方法不同.三轴试验和直剪试验的原理是不一样的，这在一定程度上也会造成所求得的抗剪强度指标不尽相同.
3.2 各个因素对土石混填体抗剪强度的影响
通过对表4中试样的抗剪强度指标c和φ值进行分析可知：当试样不含水时，其粘聚力并不为零，这表明在外界压力作用下颗粒之间存在一定的咬合粘聚力；随着试样含水量或含石量等参数的改变，其粘聚力亦会随之有所变化，但是考虑到粘聚力变化的“绝对值”很低，且规律性不明显.考虑到试样的抗剪强度主要源于内摩擦角，因此，接下来将各个因素对土石混填体的内摩擦角有何影响展开具体的分析.
根据表4中的结果，参照正交试验设计的数据处理方法，可求得各个因素在不同水平下的内摩擦角平均值（Ⅰ，Ⅱ，…，Ⅳ），以及相应的极差R，由于各因素的水平数不相同，需对极差R进行修正，R′即为修正后的结果，具体如表5所示.
由表5中修正后的极差R′值大小可知，大型三轴试验中各个因素对土石混填体内摩擦角影响的主次顺序是：含石量→含水量→岩性→土性.同时，为了更加直观地了解各个因素的影响趋势，根据表5画出各因素与试样内摩擦角平均值的关系图，如图3所示，于是可知：
1）不同因素对土石混填体的内摩擦角的影响趋势存在较大的差别，含石量同样是最主要的影响因素，随含石量从25%增加到70%，其内摩擦角近似呈线性增长，内摩擦角增量Δφ与含石量P5之间的关系可大致表示为：
2）随试样的饱和度从0变为1，其内摩擦角首先略有升高然后又有较大幅度的降低，而饱和后试样的内摩擦角最大降低约13%.
3）角砾试样的内摩擦角普遍大于圆砾试样；无黏性土下试样的内摩擦角虽然略高于黏性土，但这两个因素的影响程度均非常有限.
3.3 应力应变关系曲线特征分析
通过对土石混填体的应力应变关系曲线进行归纳分析后发现，在三轴试验条件下，即使试样的组成或试验条件存在较大差别，但它们变形关系曲线之间的差异性却没有直剪试验条件下那么显著，图4为3组具有代表性的应力应变关系曲线，对其分析后可知：
1）当试样处于低围压（σ3=200 kPa）下时，其应力应变关系曲线在峰值之后呈现出应变软化的趋势，强度略有降低，但不是很明显，这表明土石混填体具有在峰后依然能承受较大荷载作用的强度特性.
2）当试样的围压逐渐增加到800 kPa后，其应力应变关系曲线不再具有应变软化的趋势，进而转变为应变硬化的特征，但是强度同样增加得非常缓慢.不过可以预测，如果围压进一步增大（如σ3=2 MPa），那么土石混填体的应变硬化特性将会变得更为显著.
3）在其他因素相同时，相同围压下，试样的含石量越高其变形模量便会越大，且随轴向应变e1的发展，亦会较快地由线弹性变形阶段进入到弹塑性变形阶段.可见，含石量不仅对土石混填体的强度特性存在较大影响，同样还会影响其变形特性.
2）随着试样中的含石量由25%（试样a）增加到70%（试样c），当σ3=200 kPa时，试样虽然都表现出剪胀性，但试样a的体变约为1.5%，而试样c的体变则接近3%，且体变速率高于试样a；当 σ3=400～600 kPa时，试样c在ε1超过5%之后体变均出现了明显的负增长，而试样a仅在σ3=400 kPa时才有这种现象，且负增长的速率略低于试样c；当σ3=800 kPa时，试样虽然都表现出剪缩性，但试样c的剪缩量及体变速率均小于试样a. 可知，试样含石量越高，其低压剪胀性越明显；而含石量越低，则高压剪缩性更为显著.
土石混填体在围压和含石量影响下，之所以会表现出上述特性，是因为在试验初始阶段试样内部的石料仍未完全接触，在围压作用下试样体积减小使石料逐渐充分接触，其强度特性亦随之发挥出来；而随着剪切继续进行，粗颗粒需要相互跨越、翻转，于是便会造成试样体积膨胀，当围压较低时难以有效约束这种膨胀性，故表现为低压剪胀高压剪缩.
当试样中含石量增加后，会显著提高粗颗粒之间相互接触的概率，更利于土石混填体结构性的发挥，其低压剪胀性也因此而更加显著；如果含石比较低，那么在剪切过程中粗颗粒相互跨越或翻转的情况将会减少，随细颗粒发生整体移动的情况会有所增加，故其剪胀性会被削弱，剪缩性则变得更为明显.相比之下，含水量、岩性与土性等因素对试样的体变特性影响大不.
4 结 论
本文通过进行土石混填体大型三轴试验，综合考虑了含水量、含石量、岩性与土性等因素对其变形力学特性的影响，得到如下结论：
1）此次试验中试样存在一定的咬合粘聚力，但是其粘聚力普遍较低，在其他因素影响下变化幅度不大且规律性不明显；而试样的内摩擦角则相对比较高，且含水量和含石量对其有较大影响.即土石混填体的强度特性与其所处环境、级配组成等因素密切相关.
2）不同因素对土石混填体的抗剪强度有着不同的影响：含石量是影响程度最大的一个因素，试样的内摩擦角和变形模量均会随含石量的增加而显著增加；随试样的饱和度由0增加到1，其内摩擦角会先略有增加然后又明显降低；而岩性和土性对土石混填体的强度特性影响不大.
3）根据试样的应力应变关系曲线可知，其应变软化特性不明显，这表明土石混填体在峰值之后依然能承受较大的荷载作用.
4）土石混填体具有低压剪胀性和高压剪缩性，含石量和围压是影响其体变特性的主要因素；试样中含石量越高，其低压剪胀性越明显，而含石量越低，则高压剪缩性更为显著.
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