土石混合料压缩特性的研究

摘  要：随着我国中西部地区经济发展的需要以及高速公路建设向中西部地区的延伸，高填方土石混填路基成为常见的山区公路路基类型。本文依托于张家口市某高等级公路项目，采用现场调研、室内试验的方法，利用大型压缩试验研究土石混合料的压缩特性。研究结果如下：含石量会对土石混合料的压缩特性产生较大影响。含石量55%的土石混合料的压缩特性，在低荷载条件下类似于含石量70%的土石混合料的压缩特性，在高荷载条件下类似于含石量40%的土石混合料的压缩特性。

关键词：高速公路；土石混填路基；含石量；压缩实验

中图分类号：（P642.2）         文献标志码：      文章编号：

Abstract： With the need for economic development in the central and western regions of China and the extension of highway construction to the central and western regions， high fill earth rock mixed subgrade has become a common type of mountain highway subgrade. Based on a high-grade highway project in Zhangjiakou City， this paper adopts the methods of on-site investigation and indoor tests to study the compression characteristics of soil rock mixture using large-scale compression tests. The research results are as follows： The stone content has a significant impact on the compression characteristics of the soil rock mixture. The compression characteristics of the earth rock mixture with a stone content of 55% are similar to those of the earth rock mixture with a stone content of 70% under low load conditions， and similar to those of the earth rock mixture with a stone content of 40% under high load conditions.

Keywords： expressway; Earth-rock mixed filling subgrade; Stone content; Compression experiment

0 引言

随着我国中西部地区经济发展的需要以及高速公路建设向中西部地区的延伸，对于高速公路建设的要求也相应提高。由土与石混合而成的土石料[1]逐步成为山区及丘陵地区高速公路路基的主要填料。这种土石混合料在物理力学性质上与传统的细粒土路基填料有很大差异，其颗粒粒径变化大、物质组成复杂，尺寸特征及碎石含量均不尽相同。为更好地解决土石混填路基的相关问题，应该系统深入研究土石混合料的物理力学性能[2]，为土体性质对工程性质的影响研究增加数据依据。

对于土石混合料物理力学特性的研究，国内外相关学者已经做了大量研究。50年代，利用砂砾石、堆石等材料填筑土石坝工程时，采用以天然休止角代替内摩擦角的稳定分析指标，不能充分反映粗粒土特有的工程特性，设计偏向保守。60年代以后，研制了大型振动密实仪、大型管涌渗透仪、及大型剪切仪等一系列适用于粗粒土的试验仪器，对粗粒土的渗透特性、抗剪强度特性、压实特性等进行研究，得到一系列有价值的成果。如通过利用大型三轴仪研究土石混合料的应力应变特性，提出土石混合料的本构关系；通过大型直剪仪研究土石混合料的抗剪强度特性，并已有研究试验资料的基础上进行总结分析，提出抗剪强度参数；将试验资料与理论分析相结合，深入研究土石混合料的渗透特性[3]。以上对于土石混合料变形及强度特性、渗透特性的研究，为土石混合料在高速公路中的应用奠定了良好基础。

本文依托于张家口市位于山岭与城市边缘的某高等级公路项目[4]，结合前人已有的研究成果，采用室内试验对土石混合料压缩特性进行分析探讨，探索不同因素对土石混合料压缩特性的影响，对土石混合料的物理力学性质做进一步研究。

1依托工程土石混合料概况

1.1  土石混合料概况

实验材料来源为依托工程路基挖方和隧道弃渣中的中风化绢云钠长片岩、中风化绢云石英片岩及其风化物。根据工程现场资料所示，此地区的土石混合料均属于粗粒土，为级配良好砾。由现场填料筛分结果来看，依托工程土石混合料的含石量在40%-75%之间。

2土石混合料大型压缩试验

2.1  试验方案

本次试验主要仪器为大型固结仪[5]，其他所需物品有：筛网、喷漆、凡士林、百分表等。结合工程实际情况，为了研究不同含石量和含水率对土石混合料压缩性质的影响，特设计如下试验方案：设置含石量为40%、55%、70%的三组土石混合料进行压缩试验，研究含石量对土石混合料压缩性质的影响。

采用替代级配的方法设计三组不同含石量的试验，以原有级配为基础，以粒径5mm为界限，为达到控制级配的目的，保持粗细颗粒各粒径比例不变，分别计算试样中的“土”和“石”。

3.1  试验步骤

（1）烘干筛分现场采集到的土石混合料，得到不同粒径的颗粒。

（2）依据试验方案和试验级配，称取不同粒径土石混合料和水配置试样。

（3）均分配置好的土石混合料，依次在环刀中装填试样，并对试样进行整平。

（4）将顶盖以及互为120度角的三个百分表安装到环刀上，调节百分表位置，启动固结仪，先以100kPa进行预压，后以200kPa、400kPa、800kPa、1200kPa、1600kPa的加载顺序分级加载。当加载至160OkPa且试样变形量小于0.05mm/h时，结束本组试验。

（5）烘干筛分取出的试样，记录土石混合料中各粒径组分变化。

3  含石量对土石混合料压缩应变的影响

不同含石量下试样的侧限压缩应变ε随荷载P的变化曲线如图3.1所示。

根据图3.1可以看出，随含石量的增加，土石混合料压缩应变逐渐减小。并且随着含石量的增加，各压缩曲线之间的间距减小，即含石量的增加对土石混合料压缩应变的影响不断减弱。

另外，在各级荷载下含石量为40%的试样的应变都远高于其他两组含石量试样的应变。在荷载较低时，含石量为55%和70%的试样的应变相差不大，随着荷载增加，二者差值逐渐增大，具有明显差别。

这是因为含石量40%的试样是由压缩特性好的细颗粒承担荷载，所以产生的压缩应变较大；含石量55%的试样在较低荷载时是由粗颗粒承担荷载，增加和灾后粗颗粒破碎，荷载转为粗颗粒和细颗粒同时承担，而含石量70%的试样一直由粗颗粒承担荷载，故二者在低荷载时应变差值小，增加荷载后应变差值变大。

综上所述，含石量对土石混合料的压缩特性[6]影响较大。由试验的分析结果可知，在实际工程中，可通过增加道路含石量来减少路基的变形沉降。

4  结论

通过设计不同的试验组，文章中分析了不同含石量对土石混合料压缩应变的影响，探究了土石混合料压缩性质，并基于本次试验，对土石混填路基的填料压实提出工程建议。得出以下结论：

（1）土石混合料的压缩应变随含石量的增加而逐渐减小，且含石量对土石混合料变形的影响逐渐减弱；

（2）含石量55%的土石混合料的压缩特性，在低荷载条件下类似于含石量70%的土石混合料的压缩特性，在高荷载条件下类似于含石量40%的土石混合料的压缩特性。

（3）由试验的结果可，在实际工程中为减少路基的变形量可以采取增加填料含石量的方式。

参考文献：

[1].徐文杰，胡瑞林.土石混合体概念、分类及意义[J].水文地质工程地质，2009，36（04）：50-56+70.

[2].油新华，何刚，李晓. 土石混合体的分类建议[C]//中国地质学会工程地质专业委员会.2002年中国西北部重大工程地质问题论坛论文集.科学出版社，2002：5.

[3].Y. Wang and C. H. Li and Y. Z. Hu. X-ray computed tomography （CT） observations of crack damage evolution in soil-rock mixture during uniaxial deformation[J]. Arabian Journal of Geosciences， 2018， 11（9） ： 1-13.

[4].柴贺军，陈谦应，孔祥臣等.土石混填路基修筑技术研究综述[J].岩土力学，2004（06）：1005-1010.DOI：10.16285/j.rsm.2004.06.038.

[5].Karma Kuenza et al. Undrained torsional shear tests on gravelly soils[J]. Landslides， 2004， 1（3） ： 185-194.

[6].周志军，南浩林，张熠.土石混合料路用工程力学性质试验[J].长安大学学报（自然科学版），2007，No.121（05）：11-15.DOI：10.19721/j.cnki.1671-8879.2007.05.003.