大型土石混合料三轴试验与数值模拟分析

大型土石混合料三轴试验与数值模拟分析

1土石混合料力学特性的试验研究近年来，随着我国公路建设向山区的延伸，道路大坝的填充过程中发现了大量由道路桥梁和隧道形成的混合土石材料。但土石混合料粒度变化大、含水量不均匀,加之受传统的检测方法或仪器设备的限制,使得在实际工程中很难方便准确地确定混合料的强度和变形指标。本文通过室内大型三轴试验,研究了不同试验方案下、不同颗粒组成的土石混合料的力学特性。提出土石混合料强度及变形指标随岩性、含石量、最大粒径及密度等因素变化的规律,为工程设计、施工提供参考。2试验计划和过程2.1测读试验数据和计算机自动数据采集采用大型土石混合料三轴试验机进行试验。该机是按土工试验国家标准和交通、水利水电等行业规程规范研制的,具有人工测读试验数据和计算机自动数据采集两种测量方式,试验控制方式为应变速率控制,最低应变速率达0.01mm/min。2.2模型试验的结果共六个常规试验方案,见表1。另对1号土样进行了两组K-G模型试验,试验过程中保持平均应力不变。各方案所施加的围压为100kPa、150kPa、200kPa和250kPa四级。2.3相似级配土样试验所用土样均采自该项目的示范工程,主要包括三类:无粘性土石混合料(1号),砂岩土石混合料(2号);灰岩土石混合料(3号)。试样采用相似级配法确定土样的相似级配。对于相似级配中的超粒径颗粒,按规程要求采用等质量代换法予以处理。3试验结果及分析3.1强度特性3.1.1常规试验、保持平均应力p的情况下的强度包线试验中对土石混合料分别在两种工况下选用两种应力路径(保持围压σ3不变的常规试验、保持平均应力p不变的K-G模型试验)进行对比,见图1。σ3=c条件下的强度包线φ值略大于p=c(c为常数)的φ值,而c值的对比则没有明显的规律。总体来说不同应力路径对土石混合料的强度影响较小。3.1.2强度与摩擦角根据分级加荷的常规试验,不同密度情况下强度参数的变化表现出以下规律:随着试验干密度从1.76g/cm3增加到2.12g/cm3,强度参数值呈现逐渐上升的趋势,其咬合力c值从12.03kPa上升为23.08kPa,摩擦角φ值从30°增加到43°,见图2。这表明随着密度的增大,土石混合料颗粒间的接触和咬合都同时增大,强度也随之增大。3.1.3粗料中c和值的变化从1号土样的一组不同P5(大于5mm颗粒含量)值的分级加压试验(方案3)结果中看到,不同粗料含量对土石混合料的力学特性有明显影响,见图3。其力学参数c′、φ′值随粗料含量呈现这样的规律:c′值随P5的增加而减小,当P5>80%时,c′值接近于0;而φ′值随着P5的增加而增加。两个强度参数的变化趋势相反。同时,P5=30%的总应力强度出现偏高现象,其最大主应力差位于P5=70%和P5=80%的曲线之间。这可能是由于该种土料其P5=30%的级配良好,粗、细粒料充填密实,颗粒间的接触和咬合都很好所引起。3.1.4应力—颗粒最大粒径的影响在同等密度情况下,调整试样最大粒径,按规程进行了一个试样多级加荷的试验,见图4,随着最大粒径dmax从30mm变化到60mm,试样强度参数也随之变化,其中咬合力c值下降,而摩擦角φ值则略有升高。从应力—应变曲线图上可看出,最大主应力差峰值较为接近,最大峰值差比不同密度、不同粒度的峰值差小二分之一以上。不同的级配情况下,内摩擦角和咬合力的变化趋势相反,与不同的P5含量的情况类似,。3.2-压力适应性3.2.1土体应力—不同密度的影响不同密度情况下应力应变曲线见图5,随着试验干容重从1.76g/cm3增加到2.12g/cm3,不同密度土样的应力—应变曲线峰值呈现递升的趋势,并且曲线形态与快剪过程曲线的变化规律相符。3.2.2土样应力分析不同含石量(P5)的一组试验中,见图6,P5=50%、70%、80%的应力峰值呈现出逐渐上升的趋势,说明在一定范围(P5>30%)内,不同粒度土样的应力应变随P5值的升高而增大。但P5=30%的试样出现了反常,原因已在强度分析中说明。该组样的曲线形态与快剪过程曲线的变化规律相符。3.2.3主应力载荷变化不同最大粒径组的应力应变曲线,如图7所示。随着最大粒径dmax从30mm变化到60mm,dmax=30mm、40mm、50mm三个试样的主应力峰值较为集中,且都大于dmax=60mm试样。说明土石混合料的强度取决于粗、细颗粒的共同作用,当粗、细颗粒级配均匀,土颗粒间充填密实时强度更高,。4石量对土石混合料力学特性的影响(1)粗颗粒的强度影响土石混合料的整体强度。砂岩较软,强度稍低;灰岩稍硬,强度较砂岩略高。(2)随着密度的增大,土石混合料颗粒间的接触和咬合都同时增大,强度也随之增大。(3)不同含石量对土石混合料的力学特性有明显影响。c′值随P5的增加而减小,当P5>80%时,c值接近于0;而φ′值随着P5的增加而增加。两个强度参数的变化趋势相反。(4)随着最大粒径dmax从30mm变化到60mm,试样强度参数也随之变化,其中咬合力c值下降,而摩擦角φ值则略有升高。(5)不同密度土样的应力—应变曲线峰值呈现递升的趋势,