冻融循环作用下不同含石量土石混合料剪切特性分析.pdf

收稿日期:基金项目:中国国家铁路集团有限公司科技计划开发计划()甘肃省教育厅产业支撑计划项目()作者简介:张江峰()男甘肃天水人硕士生文章编号:()冻融循环作用下不同含石量土石混合料剪切特性分析张江峰(兰州交通大学 土木工程学院甘肃 兰州)摘要:为了探究冻融过程对土石混合料剪切特性的影响采用室内冻融循环试验和大型直剪试验分析了含石量为、土石混合料试样(均处于最优含水率)和不同循环次数条件下抗剪强度变化规律 结果表明:冻融循环作用对土石混合料试样剪应力剪切位移关系曲线变化有一定的影响在高法向应力下随循环次数的增加剪应力峰值显著降低关键词:土石混合料冻融循环含石量抗剪强度中图分类号:文献标志码:土石混合料由于其结构的特殊性与传统的土体、岩石体相比具有非均质性和各向异性 土石混合料的力学特性不但受其内部结构的影响而且还受外界环境影响而发生显著变化 近年来许多学者对不同因素工况下土石混合料的力学特性开展了一系列研究 刘龙旗等研究了含水率对土石混合体抗剪强度间的关系得到不同含水率土石混合体直剪试验并得到抗剪强度参数与含水率之间的影响关系 卜建清等针对如冻融循环作用、细粒含量等粗粒土进行室内三轴试验并得到冻融循环次数、围压及细粒土含量等影响因素对粗粒土材料强度的影响关系 等开展了不同压实度土石混合体大型三轴和数值模拟试验研究了冻融状态下土石混合体的损伤机理并提出关于对土石混合体在冻融循环作用下的损伤模型 等针对在正常和冻融循环 次条件下不同含石量的土石混合体开展大量的三轴试验和数值试验分析比较了不同含石量土石混合体试样的宏观性质研究发现不同含石量试样经历冻融作用后弹性模量和抗剪参数均有不同程度的减小含石量为 的试样衰减量最大通过数值模拟解释了细观破坏机制目前在常温状态下大量学者针对土石混合料的力学特性展开研究 土石混合料作为重要的路基填料在高寒地区每年不断经历短期冻融循环作用土石混合料路基填料的力学特性不同于纯土体或者岩石含石量的不同起着显著的影响因素且在冻融作用下不同含石量对土石混合料力学特性影响研究较少 本文以甘南地区王夏高速公路现场某标段路基填料作为试验用料设计并应用自制室内大型直剪仪在室内进行冻融循环作用下不同含石量配比的土石混合料直剪试验分析不同含石量土石混合料在冻融作用下的剪切力学特性 室内直剪试验.实验仪器及材料大型直剪试验用到的仪器设备为自制直剪试验仪、电子秤、液压千斤顶、液压泵、压力传感器、智能显示仪表、./微型往复活塞空气压缩机、百分表等 试验水平荷载和法向荷载加载由液压千斤顶和压力传感器控制 最大水平荷载 最大水平行程 剪切盒直径 高度 第 卷 第 期 年 月兰州工业学院学报 .试验材料取自甘肃省 王夏高速公路某标段现场路基填料如图 所示其中土石混合料中的岩石以灰岩、砂质板岩为主土体为黄土 对现场取回的试样通过自然风干并通过筛分试验得到天然级配曲线如图 所示图 路基填料图 天然级配曲线 按照文献建议以 作为土石混合料土和石的划分阈值定义含石量为土石混合体中大于 粗颗粒粒径的质量占试样总质量的百分比同时考虑粗颗粒尺寸效应根据/土工试验方法标准试样的最大粒径不超过试样直径的/及高度的/因此本次试验取最大块石粒径为 用剔除法替代法的综合处理方法先剔除试样中块石粒径大于 的块石然后根据不同含石量击实试验获取最优含水率与最大干密度的关系具体如表 所示表 不同含石量混合料击实特性含石量/最优含水率/最大干密度/(/).以天然颗粒级配曲线为标准设计含石量分别为、的土石混合料试样(均在最优含水率条件下制样)不同含石量颗粒级配曲线如图 所示图 不同含石量的颗粒级配曲线.样品制备首先根据不同含石量混合料击实特性(如表 和图)计算称取各种不同含石量所需各粒径质量以最优含水率加水拌料使混合料均匀分布在不锈钢盆上部用缠绕膜包裹密封放置 使试样内部水分分布均匀 在试样制备过程中分 层击实击实时对每一次加入土石混合料的质量进行一个称重根据剪切面与上下剪切盒交界面错开的原则分 次制样在模具中用击实法压实加料之前在制样模具内部边缘放 层塑料薄膜使试样脱模更加容易每层击实采用相同的击实次数每层击实厚度控制在 上下后 层在每次加料前进行凿毛处理防止试样出现分层现象脱模完成后用缠绕膜包裹试样防止试样水分蒸发制作成直径 、高度 的圆柱形试样土石混合料试样如图 所示图 土石混合料试样 最后计算出试样总质量就可以得到试样的湿密度 进而根据公式()求出试样的干密度再根据公式()计算试样的压实度通过计算可知试样压实度 .优()第 期 张江峰:冻融循环作用下不同含石量土石混合料剪切特性分析式中:是试样湿密度 是试样干密度 优是最优含水率.()式中:是压实度 是试样干密度 是试样最大干密度(/).试验方案.冻融循环试验冻融过程将制好的不同含石量试样进行编号考虑到试样尺寸较大为了达到完全冻结和完全解冻将试样放入制冷冰柜冷冻 冻融循环设备如图 所示 参考甘南地区气候特点最低月均气温 左右最高月均气温 设置冷冻温度为 待试样达到冻结时间从冷冻设备中取出试样在室内常温 进行自然解冻 也就是说 次冻融循环过程在 内完成 根据文献研究发现土石混合料力学特性在经历 次冻融循环后趋于稳定 因此本次冻融循环次数分别设计为、次 试验设计方案如表 所示共计 个试样图 冻融循环设备表 试验设计方案编号冻融循环次数含石量/法向应力/、.室内直剪试验采用自制室内大型直剪仪开展不固结不排水快速剪切试验如图 所示具体过程如下)将冻融循环后的试样快速装入剪切盒中在试样上部放置传压板和垂直千斤顶缓慢操控垂直千斤顶在试样上部施加额定的法向荷载在整个过程中需注意法向应力的施加是否保持稳定状态并及时校正()自制大型直剪仪()剪切破坏面图 土石混合料试样剪切过程 )控制液压泵徐徐推进水平千斤顶均匀施加水平剪应力并记录水平位移百分表读数剪切速率控制在 内使试样达到剪切破坏)关于试样剪切破坏的标准按照规范要求当千斤顶提供的水平荷载读数稳定不再增加或显著下降或由水平位移百分表读数快速增加时可认为试样已发生剪切损坏当没有出现上述 种情况时应控制水平位移达到试样尺寸的/结束试验 试验结果与分析.剪应力与剪切位移关系特征由室内大型直剪试验得到不同含石量土石混合料在冻融循环作用下剪应力与剪切位移的关系曲线如图 所示 图 为含石量为 的试样在不同冻融循环次数及法向应力分别为、下剪应力剪切位移关系曲线 从图 可以看出随着法向应力的增加剪应力随剪切位移的增大逐渐增大但在高法向应力为、时剪应力达到峰值后剪应力随剪切位移的增加会出现明显的应变软化现象这是由于高法向应力状态下试样内部颗粒之间剪切变形积蓄的应力较大发生剪切破坏时释放的能量越多故导致应变软化程度较大 在低法向应力下试样快速达到塑性 兰州工业学院学报 第 卷屈服后应力基本保持不变 在同一法向应力下随着冻融循环次数的增加含石量为 试样剪应力峰值有明显的变化试样抗剪强度显著减小 冻融循环试验分冻结和融化 个过程在冻结过程中试样内部颗粒间孔隙水逐渐结冰导致体积增大破坏试样内部结构 但在融化过程中由于颗粒间孔隙的变大而不利于水分重新迁移 因此试样内部颗粒之间会随着冻融次数的增加形成较大的孔隙对试样颗粒造成更大的破坏导致剪应力降低图 剪应力剪切位移关系曲线.抗剪强度变化为了便于分析将土石混合料试样在不同含石量、法向应力及冻融循环次数条件下的抗剪强度采用公式()进行加权平均处理加权平均抗剪强度如图 所示 ()式中:为土石混合料加权平均抗剪强度 为第 次施加法向应力 为施加 时对应的抗剪强度图 不同含石量抗剪强度与冻融循环次数关系曲线 由图 可知试样抗剪强度随含石量的增大先增大后减小即土石混合料中块石能有效提高抗剪强度但含石量为 的试样抗剪强度最大可达.含石量为 试样抗剪强度小于含石量为 试样主要是含石量为 时细颗粒土体与块石含量占比相等能有效的形成良好的骨架密室结构故其抗剪强度最大 图 为冻融循环作用下试样抗剪强度衰减率 由图 可知随着冻融循环次数的增加试样的抗剪强度也逐渐降低冻融循环次数对抗剪强度的衰减主要集中在前 次在经历 次冻融循环后其衰减过程趋于平稳阶段 与正常状态下的试样相比较试样含石量分别为、的试样在经历 次冻融循环后其抗剪强度分别减小.、.、.说明不同含石量的土石混合料试样抗剪强度衰减率不同并不是抗剪强度随含石量的增加其衰减率越大当含石量在 之间时抗剪强度衰减率随含石量增大而增大但是含石量试样衰减率要小于 和 的含石量试样 由此可见冻融循环作用对不同含石量抗剪强度的影响规律不同经历相同冻融循环次数的衰减率变化规律也不相似含石量为 的试样在前 次冻融循环抗剪强度下衰减随循环次数的变化基本呈线性关系而含石量为、的试样衰减趋势基本相似 由图 还可以看出冻融循环对含石量为 试样抗剪强度衰减率最大这表明土石混合料中细粒料与块石含量占比相同时抗剪强度受冻融循环影响最为显著图 冻融循环作用下试样抗剪强度衰减率.抗剪强度参数变化基于摩尔库伦强度理论采用公式()将试验结果数据用 绘图软件进性线性拟合得到内聚力和摩擦角如图 所示 ()第 期 张江峰:冻融循环作用下不同含石量土石混合料剪切特性分析式中:为抗剪强度 为法向应力 为内聚力 为摩擦角()含石量()含石量()含石量()含石量 图 抗剪强度与法向应力关系 土石混合料中含石量是影响抗剪性能的最主要因素不同含石量下试样抗剪参数与冻融循环次数之间的关系曲线如图 所示由图 可知土石混合料内聚力和内摩擦角随含石量的增大先增大后减小且当含石量为 时两者均处峰值在正常状态下当试样含石量由 增加至 时内聚力由.增至.内摩擦角由.增至.二者分别增加.和.主要是由含石量的增加使试样内部颗粒之间的相互作用加强所引起的 当含石量为 时由于细粒料占比较小在剪切过程中块石相互挤压导致破碎程度较大故其抗剪强度参数较含石量为 试样减小但仍然高于含石量为 试样图 抗剪参数与冻融循环次数之间的关系 冻融循环次数的增加对不同含石量的土石混合料内聚力和内摩擦角有不同程度的影响二者均随冻融次数的增加而减小但当含石量为 时内聚力下降略微明显经历 次冻融循环后含石量为、的内聚力衰减率分别为.、.、.、.内摩擦角衰减率分别为.、.、.、.经过一定次数的冻融循环内摩擦角的减小程度相较于内聚力更加明显这是由于土石混合料中块石属于摩擦角强的材料 结论)土石混合料剪应力剪切位移曲线在经历冻融循环前后变化基本相似随着法向应力的增大剪应力剪切位移关系曲线会出现明显的应变软化现象)土石混合料抗剪强度随含石量增大先增大后减小不同含石量的土石混合料试样在经受一定 兰州工业学院学报 第 卷次的冻融循环作用后抗剪强度衰减率不同抗剪强度衰减主要集中在冻融循环前 次经过 次冻融循环 组试样中含石量为 的试样抗剪强度衰减率最大)冻融循环作用对土石混合料抗剪强度参数影响不同就整体而言冻融循环作用对内摩擦角的影响更为敏感这主要是由于土石混合料属于低内聚力、高摩擦角的材料参考文献:.:.:.:.王宇李晓赫建明等.土石混合体细观特性研究现状及展望.工程地质学报():.唐丽云王鑫邱培勇等.冻土区土石混合体冻融交界面剪切性能研究.岩土力学():.刘龙旗毛雪松肖亚军等.含水率对坡积体路基填料剪切特性影响试验研究.中国公路学报():.卜建清王天亮.冻融及细粒含量对粗粒土力学性质影响的试验研究.岩土工程学报():.():.():.():.贾学明柴贺军郑颖人.土石混合料大型直剪试验的颗粒离散元细观力学模拟研究.岩土力学():.舒志乐刘保县梁宁慧等.基于数字图像处理的土石体粗料分形特性研究.地下空间与工程学报():.中华人民共和国住房和城乡建设部./土工试验方法标准.北京:中国计划出版社.中华人民共和国行业标准.公路路基设计规范.北京:人民交通出版社.():().:(责任编辑:曾贤灏)第 期 张江峰:冻融循环作用下不同含石量土石混合料剪切特性分析