DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.12.022

重复压缩-回弹条件下土石混填体变形规律与压实指标相关性试验研究

周德泉¹，邓超^{1, 2}，李叠磊¹，周毅³

(1. 长沙理工大学 土木工程学院，湖南 长沙，410114；

2. 中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙，410012；

3. 广东省长大公路工程有限公司，广东 广州，510620)

摘要：从湖南省龙(山)—永(顺)高速公路大坝隧道弃碴填筑体取样，开展土石混填体压实模拟及压实评价指标室内对比试验。研究结果表明：土石混填体压缩曲线呈上凸型；回弹曲线平缓圆滑，呈微下凹型；第i+1次压缩回弹曲线均位于第i次曲线下方，线形相似；土石混填体变形具有记忆效应；湿化对土石(灰岩)混填体压实变形特征影响不明显；分级加载比1次加载产生的变形大；随着循环荷载和加载次数增加，累积总变形、累积塑性变形和累积塑性变形率增大，压缩5次基本不再增大；分级总变形、分级塑性变形和分级塑性变形率随加载次数增加而减小，减小率也不断减小；当循环荷载超过400 kPa时，分级总变形、分级塑性变形和分级塑性变形率基本接近；在工地碾压过程中，采用高吨位压路机或者轻重机具组合碾压5次，能有效提高土石混填体的压实度；压实评价指标K₃₀(地基系数)、E_v1(静态变形模量)与e(孔隙比)具有较好的相关性，E_v2(静态变形模量)、E_vd(动态变形模量)与e(孔隙比)的相关性较差；K₃₀和E_v1可作为土石混填体压实质量评价指标。

关键词：土石混填体；累积变形；地基系数；变形模量

中图分类号：TU 413             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2018)12-3077-10

Experimental study for soil-rock mixture about deformation law and correlation between compaction indexes under repeated compression-rebound

ZHOU Dequan¹, DENG Chao^{1, 2}, LI Dielei¹, ZHOU Yi³

(1. School of Civil Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China;

2. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410012, China;

3. Guangdong Provincial Changda Highway Engineering Co. Ltd, Guangzhou 510620, China)

Abstract: Samples were obtained from the Daba tunnel of the Longyong highway in Hunan Province, and compaction simulating and comparative test of compaction quality indexes were carried out. The results show that the compression curves of soil rock mixture are overall convex type in plate loading test, and the rebound curves are smooth and slightly concave type. The (i+1)th compression-rebound curve is located below the ith curve, and has the similar linearity. The over-pressure curve has memory effect. The effect on wetting compaction deformation characteristics of soil-rock (limestone) mixture is not obvious. The deformation caused by the step loading is larger than that of the single loading. All of the cumulative total deformation and cumulative plastic deformation and ratio of accumulative plastic deformation increase with the increase of cyclic loading and loading times, but do not increase when cyclic times exceed 5 times. The classification total and plastic deformation and ratio of classified plastic deformation decrease with the increase of loading times, and the decreasing rate also decreases. But when cyclic loading exceeds 400 kPa, the classification total deformation and plastic deformation and ratio of classified plastic deformation are approximately equal. In the site rolling process, the use of high tonnage roller and 5 times combination rolling of light and weight equipment can effectively improve the compaction degree of soil rock mixture. Void ratio e has good correlation with compaction quality index K₃₀ (foundation coefficient) and E_v1 (static deformation modulus), but little correlation with compaction quality index E_vd (dynamic deformation module) and E_v2 (static deformation modulus). K₃₀ and E_v1 may be effective in evaluating indicators of compaction quality for soil-rock mixture.

Key words: soil-rock mixture; accumulative deformation;foundation coefficient; deformation modulus

我国山岭众多，中西部地区地质环境和水文条件复杂且差异性较大，修筑高速公路、高速铁路等基础设施势必开挖山体、修筑隧道，必然产生大量的弃碴(土石混合体)。弃碴是工程建设需要慎重处理的问题之一。山区弃碴转运困难，异地堆填闲置消耗大量的土地、人力和财力，若处置不当则会污染环境，造成水土流失、坡体失稳等，阻碍区域可持续发展。山区高速公路建设实践表明，弃碴越来越多地被用作路基的填筑材料^[1-4]，形成土石混填体，其物理力学特性比较复杂。目前，人们对土石混填体的研究主要集中于压实度检测方法和变形特性。张献民等^[5-8]提出了土石混填路基的压实度检测新方法，梁承祥等^[9-12]对土石混填路基的压实和剪切变形特性进行了研究。但由于岩石种类不同、风化程度各异，人们对实际土石混填体的工程特性并不十分清楚，土石混填路基的填筑质量仍然难以得到有效保障。为此，本文作者通过对湖南省龙(山)—永(顺)高速公路大坝隧道弃碴填筑体现场取样，在室内固定反力架下设置试验装置进行模型试验，研究石灰岩中开挖隧道形成的土石混合体筑路特性，以便为控制土石混填路基施工质量提供依据。

1  试验

在长沙理工大学结构试验中心反力架下加工围挡，制作可方便施加荷载的模型槽，见图1。模型槽内充填大坝隧道弃碴填筑体样品，该样品作为模型土。通过室内小型平板载荷试验模拟现场压实施工过程，分别对3处测点(A，B和C)土石混填体进行不同额定荷载下的1次预加压+4次循环荷载+1次12 h超载湿化+1次超载循环荷载试验，探究实际土石混填体在不同加载过程中的荷载-变形曲线特征、压缩变形与加载次数的关系，以指导现场压实控制。加载路径见表1。

图1  重复压缩-回弹模型试验布置图

Fig. 1  Arrangement of model test for repeated Compression-rebound

表1  加载过程

Table 1  Loading process of experiment       kPa

在土石混填体现场压实模拟试验完成后，挖出土样重新摊铺，记录槽内土样初始高度h₀，计算初始孔隙比e₀。通过长×宽为1.2 m×1.2 m的刚性板进行加荷，记录槽内土样压缩后的高度h_i(i=1，2，3，4)，按下式计算压缩后相应孔隙比e_i：

          (1)

压实指标相关性模型试验布置如图2所示。具体方案如下。

图2  压实指标相关性模型试验布置图

Fig. 2  Arrangement of model test for correlation between compaction indexes

1) 准备工作。在反力梁两立柱内侧安装“钢管+钢板+木板”组合结构，形成侧限模型槽，其长×宽×高为1.5 m×1.4 m×0.6 m，在槽壁刻画竖向尺寸。预铺装10.0 cm厚的土石混填体并压实，再摊铺厚度为30.0 cm的土石混填体，以此近似模拟现场土石混填体压实所处环境。标定压力传感器、千斤顶。

2) 重复压缩-回弹模型试验。按照图1中B，A和C的顺序进行平板载荷试验。测点处放置直径为400.0 mm的承压板(中部预留孔洞)、千斤顶、压力传感器，其间隙根据实际情况加减垫块、传力墩进行调节。在凳式传力架左、右两侧对称设置2个大量程百分表，并与承压板保持垂直，且保持独立，不受试验加载及读数的扰动。试验参照文献[13]中附录C进行。要点为：测试前加载5 kN，以校核实验系统的整体工作性能，然后分级加载，根据平台反力与变形特征决定终载；每级荷载前后测读百分表，按间隔10，10，10，15和15 min读数，以后每0.5 h测读1次，在连续2 h内，当每1 h内承压板沉降小于0.1 mm时加下一级荷载；操作油泵旋纽，尽量分级卸载，每级维持 0.5 h，测读百分表，完成预加载1次。表1所示加载过程的参数测读方法相同。

3) 压实指标相关性模型试验。挖出土样，重新摊铺模型土。利用滑轮组吊装长×宽为1.2 m×1.2 m的刚性板，通过千斤顶加载的方法制作不同孔隙比的土石混填体，在图2(a)所示平面位置测试地基系数K₃₀、静态变形模量E_v1和E_v2以及动态变形模量E_vd。地基系数K₃₀反映路基在荷载作用下的可压缩性，测试时，利用直径f=300 mm的刚性荷载板进行平板载荷试验。预压荷载0.01 MPa，此后以增量△σ=0.04 MPa逐级加载。在每级荷载作用下，以1 min内的沉降量不超过该级荷载沉降量的1%且加载时间不小于3 min为稳定标准，读取沉降量并记录荷载强度，直至总的沉降量达到或超过1.25 mm时停止试验。对静态变形模量E_v1和E_v2进行试验时，应预先施加荷载0.01 MPa，保持加荷恒载时间为30 s，稳定后卸除荷载并将百分表的读数归零，并保证百分表与荷载板垂直且接触良好。在进行第1次加载试验时，应将荷载至少分为6级施加，增量△σ=0.08 MPa。每次施加荷载的时间不宜超过1 min，每级荷载维持时间不少于2 min，且保持恒载。当沉降量刚好超过或等于5 mm或者试验最大荷载超过0.5 MPa时，逐级卸载。卸载按最大荷载的0.50，0.25和0的比例递减、遵循3级卸载原则。卸除荷载后，按照初次施加荷载的程序再次加载，第2次加载可以直接加到第1次所加最大荷载的倒数第2级荷载。动态变形模量E_vd荷载板的直径也为300 mm，锤质量为10 kg，最大冲击力为7.07 kN，荷载脉冲宽度为18 mm，试验记录落锤冲击时板的沉降。

2  试验结果与分析

2.1  土样级配特征

土石混填体中，岩性以肉红色、浅灰色、青灰色的隐晶质结构的瘤状灰岩为主，包含少量的页岩，土性主要表现为砂性土特征，由砂岩、页岩的碎粒、砂土及微量的硬塑黏土组成。

室内平板载荷试验要求土石混填体直径f≤75 mm，本试验采用等量替代法对超粒径料进行处理。筛分试验时，利用对超粒径料现场多次取样求均值的方法得到超粒径的颗粒为12.86%。采用下式计算代换后某粒径的粒料通过率：

       (2)

式中：P_i为代换后某粒径的粒料通过率；P₅为原级配中粒径为5 mm的粒料通过率；P_m为原级配中粒径为75 mm的粒料通过率；P_0i为原级配中某粒径粒料的通过率。

对土石混填体中的超粒径颗粒用允许最大粒径至粒径为5 mm的颗粒各级按含量加权平均等质量替代，这样既保持了原土石混填体中粗料的骨架作用，又保持了土石混填体级配连续性及相似性。经过处理后土石混填体的颗粒级配曲线见图3。从图3可见：不均匀系数C_u=24＞5，且曲率系数，级配不良，不利于压实；粒径小于0.1 mm的颗粒质量分数小于5%。

2.2  不同加载过程中荷载-变形曲线特征

不同荷载下土石混填体经历1次预压+4次循环加载+1次超载的压缩-回弹曲线如图4所示，其中，“第1次200 kPa”指第1次压缩-回弹、最大荷载为200 kPa，其他类同。图4(a)所示为试验点A经历1次100 kPa预压+4次200 kPa循环加载+1次超载至300 kPa的压缩-回弹曲线；图4(b)所示为试验点B经历1次300 kPa预压+4次400 kPa循环加载+1次超载至500 kPa的压缩-回弹曲线；图4(c)所示为试验点C经历1次500 kPa预压+4次600 kPa循环加载+1次超载至700 kPa的压缩-回弹曲线。从图4可见：

1) 土石混填体压缩曲线整体上呈上凸型，经预压和第1次加载之后产生了明显沉降；回弹曲线平缓圆滑，均呈微下凹型，卸载完毕时无法回到加载前的水平，这说明土石混填体为非理想弹性体，在荷载作用下产生的变形由弹性变形和塑性变形2部分组成；第i+1次压缩回弹曲线均位于第i次曲线下方，线形相似；当第1次加载超过预压荷载、超载超过第4次加载时，加压曲线将回归到前次压缩曲线的延长线上，即具有记忆效应。

2) 预压越大(图4(b)、图4(c))，变形就越大，说明工地碾压选用高吨位压路机是合理的；预压100 kPa 后第1次加载到200 kPa 产生的变形(图4(a))比预压期直接加载到200 kPa 产生的变形(图4(b))大,预压300 kPa 后第1次加载到400 kPa产生的变形(图4(b))比预压期直接加载到400 kPa产生的变形(图4(c))大。由于塑性变形的累积效应，预压较小荷载，然后施加到额定荷载与直接施加到额定荷载相比能产生较大变形。这说明在工地碾压过程中，轻重机具有组合碾压作用，能明显提高土体的压实度。

图3  土石混填体颗粒级配曲线

Fig. 3  Grain-size distribution curve of soil-rock samples

图4  不同加载过程中荷载-变形曲线

Fig. 4  Load-deformation curves in different loading processes

2.3  湿化效应

为了研究土石混填体湿化变形规律，超载后从承压板中部预留的孔洞灌注2瓶矿泉水，恒载12 h，读取沉降，再回弹，最后完成1次加载-回弹。湿化前后荷载试验曲线对比见图5，其中，图5(a)所示为经过超载至300 kPa、湿化恒载12 h、卸载至0 kPa后再进行1次最大加载为300 kPa的压缩-回弹曲线；图5(b)所示为经过超载至500 kPa、湿化恒载12 h、卸载至0 kPa后再进行1次最大加载为500 kPa的压缩-回弹曲线；图5(c)所示为经过超载至700 kPa、湿化恒载12 h、卸载至0 kPa后再进行1次最大加载为700 kPa的压缩-回弹曲线。从图5可见：恒载作用下加水湿化12 h，土石混填体沉降量很小；湿化前的压缩曲线与湿化后的压缩曲线线形相似、呈上凸形；湿化前后回弹曲线均呈微下凹形，说明湿化对石灰岩土石混填体的变形特征影响不明显，没有出现湿化全风化砂岩^[14]和湿化花岗岩残积土^[15]加载曲线的下凹曲线特征。

2.4  压缩变形与加载次数的关系

从图4可见：最大荷载为200，400和600 kPa的4次压缩-回弹曲线与压路机碾压4遍的压缩-回弹曲线十分相似。

2.4.1  累积压缩变形与加载次数的关系

图4中，4次等载(200，400和600 kPa)循环加卸载之后分别经受了1次超载(分别为300，500和600 kPa)，所以，试验点A经受了5次200 kPa压力，试验点B经受了5次400 kPa压力，试验点C经受了5次600 kPa压力，产生了5次累积变形和4次累积塑性变形(包括1次预压产生的变形)。累积沉降-加载次数曲线见图6，累积塑性变形-加载次数曲线见图7，累积塑性变形率(塑性变形与总变形之比)与加载次数的关系见图8。从图6~8可见：

图5  湿化前后荷载试验曲线对比

Fig. 5  Comparison of compression curves between wetting and without wetting samples

图6  累积总变形-加载次数曲线

Fig. 6  Relationship curves between accumulative total deformation and loading times

图7  累积塑性变形-加载次数曲线

Fig. 7  Relationship curves between accumulative plastic deformation and loading times

图8  累积塑性变形率-加载次数曲线

Fig. 8  Relationship curves between ratio of accumulative plastic deformation and loading times

1) 加载次数增加，土石混填体累积总变形和累积塑性变形增大，增长率降低(曲线斜率降低)，压缩5次后基本不再增长。曲线没有拐点。

2) 循环荷载越大，土石混填体累积总变形和累积塑性变形也越大，压实度越高；累积总变形、累积塑性变形-加载次数曲线的斜率随循环荷载增大而增大。

3) 当循环荷载较大时，累积塑性变形率随压缩遍数呈整体增大趋势，与花岗岩残积土的变化趋势^[15]相似。且额定荷载越大，累积塑性变形率越大。当循环荷载较小时，压实2次后的累积塑性变形率变化不明显，这与全风化泥质砂岩的变化趋势^[14]相似。

在工地碾压过程中，宜选用高吨位高能量压路机，单次压实效果好，且增加压实遍数更有效。

2.4.2  分级压缩变形与加载次数的关系

图4中，每次等载压缩-回弹曲线都反映了总变形、塑性变形和弹性变形。为了便于辨析，将等载循环加卸载阶段每次等载压缩-回弹过程拟定为“级”。获得的分级总变形、分级塑性变形和分级塑性变形率与加载次数的关系见图9~11。分析图9~11可见：

1) 加载次数增加，分级总变形、分级塑性变形和分级塑性变形率随之减小，减小趋势变缓，分2个阶段：第1阶段是从第1遍至第2遍压缩回弹结束，为急剧减小阶段，此时土体被迅速压实；第2阶段是从第2遍结束开始至最后，为缓慢减小阶段，土体变形逐渐由弹性变形主导。当加载到第5次时，分级总变形仍减小，这与全风化泥质砂岩^[14]和花岗岩残积土^[15]循环加卸载3次趋于稳定明显不同。第1次加载400 kPa产生的分级总变形和分级塑性变形比第1次加载200 kPa产生的相应变形小(1 mm)，是因为其预压(300 kPa)较大，大部分变形提前完成。

图9  分级总变形-加载次数曲线

Fig. 9  Relationship curves between classification total deformation and loading times

图10  分级塑性变形-加载次数曲线

Fig. 10  Relationship curves between classified plastic deformation and loading times

图11  分级塑性变形率-加载次数曲线

Fig. 11  Relationship curves between ratio of classified plastic deformation and loading times

2) 循环荷载增大，分级总变形、分级塑性变形和分级塑性变形率随之增大；当循环荷载超过400 kPa时，分级总变形、分级塑性变形和分级塑性变形率基本接近。

在现场压实过程中，压实遍数可以增加到5遍以上，但单靠增加压实遍数来增加压实效果是有限的。现场压实效果主要靠提供较大荷载的高能量压路机实现。

2.5  压实指标相关性

静态变形模量E_v1和E_v2与地基系数K₃₀都是在直径为30 cm 的承载板上逐级施加静力载荷，观测地基在各级荷载作用下的沉降量，根据荷载-沉降曲线计算的。其中，K₃₀=P/1.25，单位为MPa/mm，其中P为第1 次加载测得的荷载-沉降曲线上沉降s=1.25 mm(沉降包括弹性变形和塑性变形)时对应的荷载，每级荷载增量为0.04 MPa；静态变形模量通过1次加载或重复加载测得的应力-位移曲线上0.3 倍最大荷载和0.7 倍最大荷载之间的割线斜率确定，每级荷载增量为0.08 MPa。由第1 次加载曲线求得的变形模量为1次变形模量，用E_v1表示；由第2 次加载曲线求得的变形模量为2次变形模量，用E_v2表示，其变形主要以弹性变形为主，计算方法为

              (3)

式中：r为荷载板半径，m；△σ为应力差， MPa；△s 为沉降差，m。

E_vd为动态变形模量，通过落锤试验和沉陷测量直接求出，以反映土体动态特性。在假定冲击力恒定和泊松比为0.21的情况下，由下列弹性半空间体上圆形局部荷载公式计算：

  (4)

式中：σ为应力，MPa；s为沉降，m；μ为泊松比；r为荷载板半径，m。

2.5.1  不同孔隙比土石混填体K₃₀和E_vi测试曲线

通过对模型槽内土石混填体试样先后进行压实，按式(1)计算获得4种孔隙比e(0.246 4，0.211 5，0.165 3和0.137 2)。在不同的压实荷载作用下土石混填体产生沉降，对比测试不同压实状态下的土石混填体压实指标。图12和图13所示分别为K₃₀和E_v1测试曲线。

从图12和图13可见：在不同的压实状态下，土石混填体荷载-沉降曲线平缓程度不同；土石混填体越密实，荷载-沉降曲线越平缓，表明土石混填体在压实功作用下，压实度越高，抵抗变形的能力越强，路基在施工、使用期间抗变形能力也越强；静态变形模量试验第1次加载时土石混填体表现出K₃₀曲线相似的规律；静态变形模量2次加载曲线的斜率比较接近，可知E_v2对密实程度不太敏感，K₃₀和E_v1对密实程度较敏感。E_v2反映的是土石混填体的特征参数，主要是反映弹性变形。E_v2更适合作为路基特别是基床表层和基床底层刚度检测指标。碾压的目的是为了消除土体的塑性变形，使填料更加密实。显然，K₃₀与E_v1更好地反映出填料的塑性变形，因此，K₃₀与E_v1可以有效地评价土石混填体的压实质量。

图12  K₃₀试验时的荷载-沉降曲线

Fig. 12  Load-settlement curves of K₃₀ test

图13  E_vi试验时的荷载-沉降曲线

Fig. 13  Load-settlement curves of E_vi test

2.5.2  K₃₀，E_vi和E_vd与e的相关性

为了建立土石混填体压实评价物理指标与力学指标之间的关系，根据相关试验原理计算得到测试指标，研究指标与压实状态之间的关系。根据Origin最佳拟合得到的孔隙比e与各指标之间的关系如图14所示。为了更好地反映拟合关系精确性，得到反映拟合精确性的指标相关性系数P、拟合优度A，如表2所示。相关性系数P绝对值和拟合优度A越接近于1，表明相关性越强，拟合越精确。由图14和表2可知：K₃₀和E_v1与e之间相关性较好，说明K₃₀和E_v1可以有效地反映土石混填体的压实质量；E_v2与土样压实状态即密实程度之间的相关性较差，在一定程度上可以反映出土石混填体的压实情况；E_vd与土样孔隙比e拟合结果偏差较大，不能很好地反映土石混填体路基的压实情况，对土石混填体路基压实质量的检测仅起辅助评价作用。

2.5.3  K₃₀，E_vi和E_vd之间的相关性

为了探讨压实指标之间的关系，作K₃₀，E_vi和E_vd间关系图，如图15所示。从图15和表2可知：K₃₀-E_vi和E_v1-E_v2之间相关性较好，在实际工程中可以经过大量现场试验确定指标间的换算公式并推广到质量检测；E_vd与K₃₀和E_vi的相关性较差。

图14  K₃₀，E_vi，E_vd与e的关系

Fig. 14  Relationship among K₃₀, E_vi, E_vd and e

表2  K₃₀，E_vi，E_vd与孔隙比e的拟合方程

Table 2  Fitting equation among K₃₀, E_vi , E_vd and e

图15  压实参数的相关性曲线

Fig. 15  Correlation curves of compaction index

3  结论

1) 土石混填体压缩曲线整体呈上凸型，回弹曲线平缓圆滑均呈微下凹型，说明土石混填体为非理想弹性体；第i+1次压缩回弹曲线均位于第i次曲线下方，线形相似；超压曲线具有记忆效应；湿化对土石(灰岩)混填体压实变形特征影响作用不明显，且没有出现湿化花岗岩残积土和全风化砂岩加载曲线的凹曲线特征。

2) 分级加载比1次加载产生的变形大；循环荷载和加载次数增加，填料的累积总变形、累积塑性变形和累积塑性变形率增大，压缩5次基本不再增大。分级总变形量、分级塑性变形量和分级塑性变形率随加载次数增加而减小，减小率也不断减小。当循环荷载超过400 kPa时，分级总变形、分级塑性变形和分级塑性变形率基本接近。在工地碾压过程中，采用高吨位压路机或者轻重机具组合碾压5次，能有效提高土石混填体的压实度。

3) 密实程度对 K₃₀与E_v1较敏感，对E_v2不太敏感。土石混填体碾压的目的是为了消除填料的塑性变形，使填料更加密实；K₃₀与E_v1更好地反映出填料的塑性变形，可以有效地评价土石混填体的压实质量；E_v2反映土石混填体的材料特征，主要反映弹性变形，更适合作为路基特别是基床表层和基床底层刚度检测指标；在土石混填体压实质量检测中，应以 K₃₀和E_v1为主要参考指标，E_v2为辅助参考指标。动态变形模量E_vd与其他压实指标之间没有存在良好的相关性，以E_vd作为土石混填体压实质量评价指标尚待试验分析论证。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2017-12-22；修回日期：2018-03-15

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51378083)；湖南省交通运输厅科技项目(201304)；国家级大学生创新实验项目(201610536004)；长沙理工大学土木工程优势特色重点学科创新性项目(2016-1)；中南大学中央高校基本科研业务费专项(2017zzts178) (Project(51378083) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(201304) supported by Department of Transportation of Hunan Province; Project(201610536004) supported by the National College Students Innovation Experiment; Project(2016-1) supported by the Key Innovative Advantage Subject of Civil Engineering of Changsha University of Science and Technology; Project(2017zzts178) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities of Central South University)

通信作者：周德泉，博士(后)，教授，博士生导师，从事地基基础、隧道与地下工程研究；E-mail：zhoudequan28@163.com