考虑颗粒破碎的堆石料剪胀特性研究

石北啸; 刘赛朝; 吴鑫磊; 常伟坤

doi:10.11779/CJGE202107023

考虑颗粒破碎的堆石料剪胀特性研究 English Version

石北啸^{1, 2,},
刘赛朝^3, ,,
吴鑫磊³,
常伟坤³

1.
南京水利科学研究院岩土工程研究所,江苏　南京　210024
2.
水利部水库大坝安全重点实验室,江苏　南京　210024
3.
河北工程大学水利水电学院,河北　邯郸　056038

基金项目:

国家重点研发计划课题 2018YFC1508502

国家自然科学基金项目 51679149

国家自然科学基金项目 51779152

国家自然科学基金项目 U1765203

详细信息

作者简介:
石北啸(1976— ),男,博士后,正高级工程师,主要从事粗颗粒料力学试验研究与土石坝安全的工程咨询工作。E-mail：shibeixiao@nhri.cn

通讯作者:
刘赛朝, E-mail：1143319854@qq.com

中图分类号: TV641.43
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出版历程
- 收稿日期: 2020-08-02
- 网络出版日期: 2022-12-02
- 刊出日期: 2021-06-30

Dilatancy behaviors of rockfill materials considering particle breakage

1.
Geotechnical Engineering Department, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210024, China
2.
Key Laboratory of Reservoir and Dam Safety of the Ministry of Water Resources, Nanjing 210024, China
3.
School of Water Resources and Hydropower, Hebei University of Engineering, Handan 056038, China

摘要

摘要: 针对某高堆石坝的筑坝堆石料开展大型三轴排水剪切试验,研究堆石料在不同孔隙比及不同应力状态下的颗粒破碎与剪胀特性关系,结果表明,不同孔隙比堆石料在低围压下都表现出剪胀,但随围压增大,堆石料的剪胀现象均逐渐消失并转为剪缩。提出了破坏剪胀率概念,用以描述堆石料颗粒破碎与其剪胀特性的关系,试验发现,随着堆石料颗粒破碎率增加,破坏剪胀率呈幂函数规律减小,剪胀现象逐渐消失；随着堆石料初始孔隙比增加,破坏剪胀率减小,但试验围压越大,初始孔隙比对剪胀特性的影响越小。基于上述试验结果,提出了堆石料初始孔隙比与其剪胀性和颗粒破碎的关系式,用于不同围压下堆石料剪胀特性的预测。
- 堆石料 /
- 三轴试验 /
- 相变应力比 /
- 破坏剪胀率
Abstract: In order to study the relationship between particle breakage and dilatancy characteristics of rockfill materials under different porosity and stress conditions, the large-scale triaxial tests are carried out on the rockfill materials of a high rockfill dam. The results show that the of rockfill materials with different porosities exhibit different degrees of dilatancy under low confining pressure. As the confining pressure increases, the dilatancy phenomenon of the rockfill materials gradually disappears and turns into shrinkage. Therefore, the concept of breaking dilatancy ratio is put forward and used to describe the relationship between particle breakage and dilatancy characteristics. It is found that as the crushing rate of rockfill particles increases, the breaking dilatancy rate decreases in the form of a power function, and the dilatancy phenomenon gradually disappears. As the initial porosity of the rockfill materials increases, the failure dilatancy decreases, but the larger the confining pressure, the less the initial porosity has a smaller effect on the dilatancy characteristics. Based on the above test results, the relationship among the initial porosity of the rockfill materials, their dilatancy and particle breakage is established to predict the dilatancy of the rockfill materials under different confining pressures.
- rockfill /
- triaxial test /
- phase transformation stress ratio /
- failure dilatancy ratio

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0.   引言

随着中国城市化进程的加快,各种土木工程建设也随之开展,施工过程中产生了大量的工程渣土和工程泥浆^[1]。目前,工程泥浆的主要处置方法有外运排放法、机械压滤法、絮凝沉淀法等^[2-5]。然而,由于工程泥浆产量大,含水率高,外运排放过程极易产生二次污染,且需占用大量堆场土地,耗时长^[2]。楼春晖等^[3]采用机械压滤技术对工程泥浆进行处理,并分析了压滤压力、压滤时间以及压滤效果之间的关系。魏雁冰等^[4]采用不同塑料排水板布置方式的真空预压法,在泥浆池对工程泥浆开展了原位处理试验研究。武亚军等^[5]将化学药剂处理与真空预压法相结合,提出了用于工程泥浆处理的药剂真空预压法。然而,上述处理方法或处理能力有限,或处理时间长,其工程适用性还需展开进一步探究。

与此同时,废弃矿坑的存在导致大面积的地表岩石裸露,易造成水土流失和环境污染,且存在发生滑坡等地质灾害的风险^{[1, 6]}。随着土地资源的紧缺,废弃矿坑作为一种潜在土地资源,越来越受到关注。

探索工程化处理方法是解决工程泥浆处置难题的一个有效途径。真空预压法是加速软土地基排水固结的常用方法,其在工程泥浆脱水处理中也得到了使用^[4-5]。当采用真空预压法处理工程泥浆时,其处理效果受黏粒含量的影响,黏粒含量的越多,真空预压下的固结过程越慢,也越容易发生淤堵。低位真空预压联合上部堆载可用于工程泥浆的大规模脱水处理。以工程泥浆和工程渣土互层回填废弃矿坑,既能实现工程渣土和工程泥浆的协同处置,又能以渣土层作为上部堆载加速泥浆层的排水固结,并提升回填后场地的承载力,实现土地资源再利用。

基于此,针对杭州某工地产生的高含水率工程泥浆,以大型地基与边坡工程模型试验装置为实验平台,对工程泥浆的自重固结及低位真空加载过程展开了大型模型试验研究,探讨了低位真空处理工程泥浆的工程可行性,为后期进行工程泥浆与工程渣土互层回填废弃矿坑再造地基提供参数指导。

1.   试验步骤与设计

1.1   试验材料

本文所用试验材料主要包括工程泥浆、生石灰、碎石、细砂及土工布等。由于工程泥浆的体量较大（约124 m³,厚度6.6 m）,模型槽内下部（0～4.4 m）和上部（4.4～6.6 m）工程泥浆的基本性质存在差异,模型槽内上下部工程泥浆的各项基本性质,如表1所示。上下部工程泥浆的颗粒分布曲线,如图1所示。

表 1 工程泥浆的基本性质

Table 1. Basic properties of construction waste slurry

厚度范围/m 土粒相对密度含水率/% 有机质含量/% 液限/% 塑限/% 塑性指数黏粒/% 粉粒/% 砂粒/%

4.4~6.6 2.64 285.5 2.88 41.7 21.4 20.3 5.8 54.8 39.4
0~4.4 2.61 240.6 4.02 48.7 25.2 23.5 9.3 63.2 27.5

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图 1 工程泥浆的颗粒分布曲线

Figure 1. Grain-size distribution curves of construction waste slurry

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根据表1和图1可知,工程泥浆的黏性土颗粒较少,主要以粉砂土颗粒为主。本文选用的生石灰产自江西,其纯度在95%以上,呈细小颗粒状。生石灰能够与水反应生成氢氧化钙,它可以与工程泥浆的土颗粒发生离子交换和火山灰反应,形成渗水通道,从而起到增渗作用。碎石、细砂材料主要用于形成底部垫层。试验所用土工布包括普通的热轧长丝土工布和无纺土工布,热轧长丝土工布用于隔离和过滤泥浆中的水分和土颗粒,其表观孔径为75 μm；无纺土工布主要用于分隔碎石层和砂垫层,以及保护模型槽底部,以免其被碎石棱角划破,其表观孔径约为200 μm。

1.2   试验装置

本次试验在大型地基与边坡工程模型试验装置中进行,取其部分空间进行试验,该空间表面贴有HPDE土工膜,模型槽试验空间尺寸为4.8 m×3.9 m×7.5 m。

大型模型槽外配备有低位真空加载系统,其仪器设备包括真空泵、储能罐、真空表、水汽分离罐、水表等。真空泵为水环真空泵,用于提供真空荷载；储能罐主要用于储存真空能量,用于真空泵停止工作时的真空加载；真空表主要用于实时监测真空压力的大小；水汽分离罐主要用于稳定真空压力；水表用于监测真空加载过程抽水量的变化。低位真空加载系统与大型模型槽（预埋的真空管网）之间通过硬质水管连接,水管直径为4 cm。为测定试验过程泥浆中孔隙水压力的变化,试验开始前,模型槽内布设有孔隙水压力计。试验开始前,试验装置及仪器布置的整体示意图见图2,图2中标出了试验开始前孔压计的位置和试验开始后泥面沉降测点的位置。

图 2 模型槽试验装置及仪器布置的示意图

Figure 2. Schematic diagram of model devices and instrument arrangement

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1.3   试验方案

在展开大型模型槽试验前,利用抽滤试验研究表明,生石灰可增大工程泥浆的渗透系数,但渗透系数的增大会使得工程泥浆抽滤时更容易出现裂缝,从而使得泥浆抽滤结束后的含水率较高。为提高工程泥浆的渗透性,同时降低低位真空加载结束后工程泥浆的含水率。本次试验拟总共泵入6.6 m厚度的工程泥浆,其中下部4.4 m厚度的工程泥浆按6 kg/m³比例加入生石灰,上部2.2 m厚度的工程泥浆不添加生石灰。

考虑到篇幅,本文仅对试验的前两个阶段的固结过程展开分析,即自重固结阶段（0～26 d）及低位真空加载阶段（26～78 d）,两个阶段的共持续78 d。试验步骤为：①在模型槽底部铺设两层无纺土工布,随后放置4 m×3 m的真空管网,并通过硬质水管将其与低位真空加载系统连接。②铺设厚度为33 cm的碎石层,随后铺设一层无纺土工布,铺设7 cm厚的砂垫层,铺设两层热轧长丝土工布。③以热轧长丝土工布顶面为基准面,在竖向高度0.0,0.5,1.0,2.0,3.0 m以及砂垫层中设置了11支Geokon孔压计（埋设前对孔压探头进行了饱和及标定,孔压计类型均为振弦式孔压计,其中2.0 m及3.0 m以上位置处孔压计量程为70 kPa,其余位置处的量程为350 kPa）,其中6个设置在模型槽平面中心轴线上,其余5个设置在距模型槽平面中心轴线1.2m处,其具体位置可参照图2；以PPT-1.2-3.0为例,图中孔压计标号的意义为：距离平面中心1.2 m,竖向高度为3.0 m处的孔压计。④向模型槽内泵入泥浆,泵入泥浆厚度达6.6 m,在泵入工程泥浆厚度达4.4 m前,按6 kg/m³比例倒入生石灰,达4.4 m厚度后,不再倒入生石灰。⑤工程泥浆于2019年8月28日全部泵入完毕,泵入后工程泥浆开始进行自重固结,自重固结阶段工程泥浆的表层状况如图3所示。当泥面沉降速率低于3.3 cm/d时,自重固结阶段结束。⑥自重固结达26 d后（2019年9月23日）,利用上部液体的密封作用,对工程泥浆进行低位真空加载,考虑到逐级加载有利于减轻底部工程泥浆的於堵情况,因此对工程泥浆进行分级加载,低位真空加载过程如图4所示（考虑到试验时间较长,这里以日期作为横坐标）,当真空荷载达80 kPa后,不再增加真空荷载。⑦在低位真空恒载下,当泥面的沉降速率低于0.66 cm/d时,低位真空加载过程结束。

图 3 自重固结阶段工程泥浆的表层状况

Figure 3. Surface condition in self-weight consolidation

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图 4 真空压力值随时间的变化

Figure 4. Variation of low vacuum loading with time

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2.   自重固结阶段

2.1   泥面的沉降规律

不同泥面测点的位置如图2所示。图5给出了模型试验自重固结阶段几个典型测点处泥面的沉降规律。

图 5 自重固结阶段泥面的沉降规律

Figure 5. Variation of surface settlement in self-weight consolidation

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从图5中可以看出,在自重固结阶段,工程泥浆的沉降量逐渐增大,沉降速率呈现先快后慢的特点,不同测点处工程泥浆的沉降速率存在一些差异。需说明的是,尽管试验前对模型槽的密闭性进行了测试,但自重固结过程中模型槽底部发生了渗漏（槽外有水体渗出）。从图5（b）中可以看出,尽管槽底发生渗漏后泥面的沉降速率未明显增大,但渗漏后泥面的沉降速率在较长时间内基本趋于平缓。在整个自重固结阶段,泥浆表面的平均沉降量达2.22 m,平均沉降速率为8.5 cm/d,不同位置的沉降差最大达35 cm。

2.2   孔隙水压力的发展规律

图6给出了自重沉降阶段距中心线1.2 m处孔隙水压力随时间和泥浆高度的发展规律。从图6（a）中可以看出,随着自重固结过程的进行,不同位置处工程泥浆的孔隙水压力均发生一定的下降,且泥浆高度越低,孔压的变化量也越大。当模型槽底部发生渗漏后,底部工程泥浆的孔隙水压力明显降低,但1.0 m以上高度工程泥浆的孔压变化受模型槽渗漏的影响较小。从图6（b）中可以发现,在初始阶段,孔隙水压力值随深度几乎呈线性分布,这说明工程泥浆初始时较为均匀,在自重固结过程中,孔压值逐渐静水压力线移动,这反映了工程泥浆的自重固结过程。

图 6 自重固结阶段孔隙水压力的发展规律

Figure 6. Variation of pore water pressure in self-weight consolidation

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2.3   讨论与分析

在本试验中,自重固结达26 d时,不同位置处工程泥浆的沉降差值达35 cm,在实际工程中,泥浆固结过程存在的沉降差异应引起重视。从图6中可看出,模型槽发生渗漏后,底部泥浆的孔压值位于静水压力线的左侧,这说明模型槽渗漏后,泥浆的自重固结状态由单面排水状态变为部分双面排水状态（其中底面为不完全排水边界）,这增大了工程泥浆的沉降速率。同时,当底面的孔压值低于同位置下的静水压力值时,根据有效应力原理可知,此时底部泥浆的有效应力值已大于自重固结完成后的有效应力值,这说明模型槽发生渗漏还增大了工程泥浆自重固结的最终沉降值。

3.   低位真空加载阶段

3.1   泥面沉降量的变化规律

在低位真空加载阶段,典型测点处泥面沉降量的变化规律见图7（图中沉降量该阶段的相对沉降值）。

图 7 低位真空加载阶段泥面沉降量的变化规律

Figure 7. Variation of surface settlement in low vacuum loading

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从图7中可以看出,在分级加载阶段（9月23日—10月13日）,泥浆的沉降量随时间几乎呈线性降低；在恒载阶段（10月13日—11月14日）,泥浆的沉降量随时间呈抛物线形式降低,这与自重阶段的沉降曲线相似。在低位真空加载阶段,不同测点位置处的沉降值仍有较大差异,不同位置的沉降差达14.4 cm,但最大沉降差的测点位置发生了变化。在低位真空加载阶段,泥面的平均沉降量为92 cm,该阶段的沉降量为自重固结阶段沉降量的41.1%。

3.2   孔隙水压力的发展规律

在低位真空加载阶段,由于孔压计PPT-0-1.0出现损坏,为便于比较,这里给出了距中心线1.2 m处孔隙水压力随时间和泥浆高度的发展规律,如图8。

图 8 低位真空加载阶段孔隙水压力的发展规律

Figure 8. Variation of pore water pressure in low vacuum loading

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从图8中可以看出,施加真空荷载后,砂垫层中的孔压值迅速降低,且与真空压力值相近,这说明真空荷载已较为均匀的传递至模型槽底部。在泥浆中,泥浆底面孔压值的下降较为明显,但下降量低于砂垫层的下降量,且在后两级加载过程中,孔压值无明显降低；高度1.0 m处的孔压值在真空加载后出现“渐进式”下降,加载达50 d时,孔压值从59.5 kPa降至29.6 kPa,下降量约30 kPa；1.0 m高度以上的孔压变化几乎不受真空加载影响,加载过程的下降量很小。

3.3   讨论与分析

由于上部液体的存在,无需密封即可对工程泥浆进行低位真空加载处理。经过自重固结及低位真空加载两阶段处理,工程泥浆的平均沉降量达314 cm,平均含水率从255.6%降低至115.9%,平均孔隙比从6.72降低至3.04,体积减量达47.6%,这说明低位真空加载处理工程泥浆具有一定的工程可行性。在低位真空加载阶段,从孔压的变化规律中可看出,真空压力从土工布以下的砂垫层传递至泥浆层时出现“孔压突降”情况。当真空荷载为80 kPa时,该“孔压突降”值约为50 kPa,这可能是在长时间真空加载过程中,土颗粒进入土工布中造成土工布淤堵,有关产生“孔压突降”的原因还需结合试验展开进一步的研究。

4.   结论

本文通过展开大型模型槽试验,对高含水率工程泥浆的自重固结及低位真空加载过程进行了试验研究,研究得到了以下3点结论。

（1）经过自重固结及低位真空加载两阶段处理,工程泥浆的平均沉降量达314 cm,平均含水率从255.6%降低至115.9%,平均孔隙比从6.72降低至3.04,体积减量达47.6%,这表明低位真空加载处理工程泥浆具有一定的工程可行性。

（2）低位真空加载处理工程泥浆的过程中,真空压力从土工布以下的砂垫层传递至泥浆层时出现“孔压突降”情况,有关产生“孔压突降”的原因还需进一步的研究。

（3）根据工程泥浆中不同位置处孔隙水压力随时间的发展规律可知,低位真空加载方式可较好的加固底部泥浆,但上部泥浆无法得到较好的处理,后续应重点关注上部泥浆的脱水处理。

本文撰写及修订过程中,得到了南京水利科学研究院陈生水正高级工程师提供的帮助和指导,在此诚恳致谢。

图 1 不同粒径混合堆石料

Figure 1. Rockfill materials with different particle sizes

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图 2 设计与试验级配曲线

Figure 2. Grain-size distribution curves of design and test

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图 3 不同孔隙率的 $ε_{v}$ – $ε_{1}$ 和 $（ σ_{1} - σ_{3} ）$ – $ε_{1}$ 关系曲线

Figure 3. Relationship curves of $ε_{v}$ – $ε_{1}$ and $（ σ_{1} - σ_{3} ）$ – $ε_{1}$ under different porosities

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图 4 不同围压下 $ε_{v}$ – $ε_{1}$ 和 $（ σ_{1} - σ_{3} ）$ – $ε_{1}$ 关系曲线

Figure 4. Relationship curves of $ε_{v}$ – $ε_{1}$ and $（ σ_{1} - σ_{3} ）$ – $ε_{1}$ under different confining pressures

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图 5 $M_{pt}$ – $σ_{3}$ 关系曲线

Figure 5. Relationship between $M_{pt}$ and $σ_{3}$

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图 6 $q / p_{a} - p / p_{a}$ 关系曲线

Figure 6. Relationship between $q / p_{a}$ and $p / p_{a}$

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图 7 浙江某水电站工程料 $q / p_{a} - p / p_{a}$ 关系

Figure 7. Relationship between $q / p_{a}$ and $p / p_{a}$ of rockfill materials of a hydropower station in Zhejiang

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图 8 $B_{r} - σ_{3}$ 关系曲线

Figure 8. Relationship between of $B_{r}$ and $σ_{3}$

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图 9 $ζ_{f} - B_{r}$ 关系曲线

Figure 9. Relationship between $ζ_{f}$ and $B_{r}$

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图 10 $ζ_{f} - σ_{3}$ 关系曲线

Figure 10. Relationship between $ζ_{f}$ and $σ_{3}$

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图 11 $ζ_{f} - e_{0}$ 关系曲线

Figure 11. Relationship between $ζ_{f}$ and $e_{0}$

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图 12 $ζ_{f} - e_{0}$ 关系曲线

Figure 12. Relationship between $ζ_{f}$ and $e_{0}$

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图 13 $ζ_{f} - σ_{3} - e_{0}$ 关系曲线

Figure 13. Relationship among $ζ_{f}$ , $σ_{3}$ and $e_{0}$

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表 1 试验堆石料物理性质

Table 1 Physical properties of rockfill materials

试验编号	制样干密度/(g·cm^-3)	土粒相对质量密度G_s	初始孔隙比e₀
1	2.20	2.71	0.23
2	2.17	2.71	0.25
3	2.14	2.71	0.27

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表 2 不同孔隙比及围压下颗粒破碎率 $B_{r}$

Table 2 Values of particle breakage ratio $B_{r}$ under different porosities and confining pressures

初始孔隙比 $e_{0}$	$B_{r}$ /%
初始孔隙比 $e_{0}$	$σ_{3}$ =0.4 MPa	$σ_{3}$ =0.8 MPa	$σ_{3}$ =1.2 MPa	$σ_{3}$ =2.0 MPa	$σ_{3}$ =3.2 MPa
0.23	5.2	6.7	9.0	10.7	14.6
0.25	5.7	7.4	9.7	11.4	15.0
0.27	6.0	8.1	10.2	12.2	15.8

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施引文献(14)

期刊类型引用(4)

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