顧曉強，梁玉珍，周奇輝，劉尊景，荊子菁

（1.同濟大學土木工程學院，上海 200092；2.同濟大學巖土與地下工程教育部重點實驗室，上海 200092；3.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州 311122）

隨著我國基礎設施建設的蓬勃發(fā)展，公路、機場、甚至新城等越來越多建設在山區(qū)，如四川九寨黃龍機場、延安新城等，這些工程遇到大量填方問題。因運輸條件等限制，填方工程大都采用就近取材原則，即一般以開山礫石作為填料進行填筑。無疑，填筑體的穩(wěn)定性和變形是填方工程最關注的2個方面，而填料的強度與變形特性是最關鍵因素之一。

既有研究表明，影響填筑體變形的主要因素是填筑的高度和壓實度，在工程中通常通過增大填料的礫石質量分數(shù)和提高壓實度的方法來減小土石混合料自重應力引起的壓縮變形[1］。針對粒徑大的粗粒土不易壓實的特性，劉麗萍等[2］研發(fā)了大型擊實儀，分析了含石量對土石混填體壓實性能的影響。張淑寶[3］通過室內(nèi)快速壓縮試驗，研究了含水率和壓實度對砂性土填料壓縮特性的影響，結果表明砂性土填料的壓縮模量隨壓實度的增大而顯著增大，隨含水率的增大呈先減小后增大的規(guī)律。石熊等[4］研究了粗粒土填料力學特性與粗料質量分數(shù)、外荷載及降雨入滲的關系。孟莉敏等[5］研究了碎石土在剛性側限條件下的壓縮蠕變性質，結果表明加載后的單位壓縮量與荷載呈對數(shù)函數(shù)關系。黃金林等[6］進行了現(xiàn)場碾壓試驗，分析了碾壓施工參數(shù)與壓實質量的關系。秦紅玉等[7］通過大型三軸試驗分析了高低圍壓下粗粒料的剪脹性、破碎性及應力應變關系。Feda[8］、Simoni和Houlsby[9］通過三軸試驗研究了粗粒土的應力應變關系，分析了粗粒土剪脹性的原因。柴賀軍等[10］、李翀等[11］、Yang等[12］分析了粗粒土顆粒粒徑對強度、變形、內(nèi)摩擦角的影響。礫石填料的應用越來越廣泛，但由于不同工程中礫石填料的來源、級配、顆粒形狀等差別很大，因此需對填料進行試驗研究來確定其物理力學特性。

本文依托全球在建規(guī)模最大的白鶴灘水電站移民區(qū)高填方工程，開展擊實試驗、大型一維壓縮試驗、三軸試驗等室內(nèi)土工試驗及現(xiàn)場碾壓試驗，系統(tǒng)研究回填礫砂料的壓縮與剪切特性，并確定填料基于廣義鄧肯—張模型的整套參數(shù)，為填料級配、含水量、鋪層厚度、碾壓遍數(shù)等關鍵施工參數(shù)的確定和后續(xù)高填方體的變形分析提供科學依據(jù)和技術支撐。

1 工程概況

白鶴灘水電站位于四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，壩址距離上游巧家縣城45 km，距離下游溪洛渡水電站195 km。白鶴灘水電站作為全球單機容量最大、在建規(guī)模最大的水電站，是開發(fā)治理長江的重要水電工程，也是國家能源戰(zhàn)略布局“西電東送”的骨干電源點。為避免白鶴灘水電站建成后蓄水導致部分巧家縣移民安置區(qū)被淹，需實施高填方工程作為建設用地以解決移民安置問題。

該工程場地西側緊鄰擬建呈近南北向分布的巧家防護堤，場地內(nèi)高程低于堤頂設計高程826 m的區(qū)域將采用土石料分層碾壓回填，最大回填高度約30 m。本文主要研究該場地填筑工程材料的壓縮變形特性和強度特性。工程范圍及地理地貌如圖1所示。填筑場區(qū)以石灰窯溝為界，分為南北兩區(qū)塊，北塊場地呈不規(guī)模三角形分布，南塊場地呈狹長四邊形。場區(qū)地層按成因和物質組成從上往下依次為坡積含礫黏土、泥石流堆積碎石混合土、沖積細粒土質砂、沖積黏土夾粉土和粉砂及洪積含礫黏土。

圖1 工程范圍及地形地貌Fig.1 Project scope and topographical map

2 填料來源及級配

高填方工程填筑材料主要包括塊石料和砂礫石料，由水碾河料場開采。該料場礫石土料分布范圍廣，物質組成變化大，主要為沖洪積（泥石流堆積）碎石混合土，夾層少、含泥量較高，且厚度不大，是理想的填料料源。

水碾河料場代表性填料的級配曲線如圖2。其實際存在粒徑60～200 mm之間的塊石，質量分數(shù)為16.1%，室內(nèi)試驗時由于試驗儀器尺寸限制級配最大粒徑僅為60 mm。粒徑在0.075～60 mm間的顆粒稱為粗粒，從圖2可知，填料中粗粒質量分數(shù)為86.3%，其中礫粒質量分數(shù)為68.6%，砂粒質量分數(shù)為17.7%。根據(jù)《土的工程分類標準》[13］，該填料為含細粒土礫。表1中：Gs為土粒比重；D10、D50、D60分別為累計質量分數(shù)為10%、50%和60%的粒徑；Cu為不均勻系數(shù)；Cc為曲率系數(shù)。根據(jù)前人研究[14］，當填料中大于5 mm的顆粒質量分數(shù)控制在40%～70%、填料中小于0.075 mm顆粒質量分數(shù)小于總土質量的10%且填料的不均勻系數(shù)大于10時，填料是易于壓實的良好填料。天然級配下，填料中粒徑大于5 mm的礫石質量分數(shù)為46.5%，填料中小于0.075 mm顆粒質量分數(shù)為13.7%，由此可初步判定填料在天然級配下比較容易壓實。

表1 室內(nèi)試驗中填料的物理性質參數(shù)Tab.1 Physical properties of gravelly soils used in laboratory tests

圖2 試驗礫石填料級配曲線Fig.2 Gradation curves of gravelly soils tested

3 不同礫石質量分數(shù)下重型擊實試驗

將天然級配下礫石土填料按2%的間距調整含水率，制備試樣進行重型擊實試驗。擊實儀錘重35.2kg，擊實筒內(nèi)徑300mm，擊實功能為2 684.9 KJ·m-3。試驗結果如圖3所示，當含水率較低時，擊實后的干密度隨含水率的增大而增大，當干密度增大到某一值后，干密度隨著含水率的增加而減小，干密度的最大值即為該擊數(shù)下的最大干密度，與其對應的含水率為最優(yōu)含水率。試驗得天然級配下礫石土最大干密度為2.3 g·cm-3，最優(yōu)含水率為6.2%。

圖3 礫石填料天然級配擊實曲線Fig.3 Compaction of gravelly soils with natural gradation

楊斌[14］研究結果表明粗顆粒填料中大于5 mm的顆粒質量分數(shù)對其壓實度有重要影響。因此，本次試驗以填料天然級配各級質量分數(shù)為基數(shù)，按粒徑大于5 mm的礫石質量分數(shù)分別為0、20.0%、40.0%、46.5%（天然級配）和70.0%共進行5組不同礫石質量分數(shù)的重型擊實試驗，詳細分析礫石質量分數(shù)對填料擊實度的影響規(guī)律，結果如圖4、圖5。

由圖4、圖5可知，粒徑大于5 mm的礫石質量分數(shù)在70.0%范圍內(nèi)時最大干密度及最優(yōu)含水率與礫石質量分數(shù)呈二次多項式關系，且相關系數(shù)均大于0.96。當?shù)[石質量分數(shù)小于40.0%時，最大干密度隨礫石質量分數(shù)的增大迅速增大；但隨著礫石質量分數(shù)的進一步增大，土的最大干密度增長趨勢逐漸變緩。這是因為相較于粗顆粒，細顆粒的比表面積大而密度較小。因此當?shù)[石質量分數(shù)較小時，隨著礫石逐漸取代細顆粒，致使干密度逐漸增大；隨著礫石質量分數(shù)繼續(xù)增大，較大的粗顆粒在土體中逐漸形成連續(xù)的骨架結構，細顆粒填充于粗顆粒之間的孔隙內(nèi)，由于粗顆粒的骨架作用而較難壓縮，填料的最大干密度增長趨勢逐漸不明顯。在料源相同條件下，利用此關系可合理控制現(xiàn)場填筑質量。

此外，當?shù)[石質量分數(shù)小于40.0%時，隨著礫石質量分數(shù)的增加，最優(yōu)含水率迅速減小，當?shù)[石質量分數(shù)繼續(xù)增大，最優(yōu)含水率減小趨勢變緩。這是因為粗顆粒比表面積小，其質量分數(shù)增大會降低試樣的黏性，增大顆粒之間的摩擦力，同時減小土樣的吸水能力，使顆粒相互移動至最佳密實狀態(tài)僅需要較小的含水率，即最優(yōu)含水率逐漸減小。當?shù)[石質量分數(shù)進一步增大時，粗顆粒形成的骨架結構使土樣的吸水性能改善，最優(yōu)含水率的減小趨勢逐漸變緩。對比圖4、圖5還可知，相對于最優(yōu)含水率，填料中礫石質量分數(shù)對最大干密度的影響更為顯著，可見良好的顆粒級配有助于提高最大干密度。在實際工程中，使用天然級配下的填料能夠獲得較大的干密度，且對應的最優(yōu)含水率較低，約為6%左右。

圖4 不同礫石質量分數(shù)下填料的最大干密度Fig.4 Effect of gravel content on maximum dry density of gravelly soils

圖5 不同礫石質量分數(shù)下填料的最優(yōu)含水率Fig.5 Effect of gravel content on optimal water content of gravelly soils

圖6給出了基于室內(nèi)試驗粗顆粒質量分數(shù)對土體峰值內(nèi)摩擦角的影響。圖中φp-φp0為峰值內(nèi)摩擦角差值，其中φp為某一粗顆粒質量分數(shù)下試樣的峰值內(nèi)摩擦角，φp0為粗顆粒質量分數(shù)為零時試樣的峰值內(nèi)摩擦角，φp-φp0反映了粗顆粒質量分數(shù)W對土體峰值抗剪強度的影響。由圖6可知，不同混合體的峰值內(nèi)摩擦角隨粗顆粒質量分數(shù)的變化趨勢大體一致，且存在2個較為明顯的界限值Wf和Wc。當W＜Wf或者W＞W(wǎng)c時，土體的峰值內(nèi)摩擦角受粗顆粒質量分數(shù)的影響較??；當Wf＜W＜Wc時，土體的峰值內(nèi)摩擦角隨著粗顆粒質量分數(shù)的增大而逐漸增大。值得注意的是，不同學者[15-18］的研究結果均表明，Wf約為30%～40%，Wc約為70%～80%。

圖6 不同粗顆粒質量分數(shù)下材料的峰值內(nèi)摩擦角與粗顆粒質量分數(shù)的關系Fig.6 Relationship between peak friction angle and content of coarse particles

本試驗礫石土填料屬于二元混合物，粗顆粒質量分數(shù)的變化會明顯導致不同的密實度，如圖7。由圖7知，隨著粗顆粒質量分數(shù)的增加，二元混合物孔隙比先減小至最小值然后逐漸增加，反映了土體結構的變化。圖8a-8f表示礫石填料不同粗顆粒質量分數(shù)下的孔隙特征，與圖7中點a-f相對應。如圖8a、8b所示，粗顆粒質量分數(shù)W為0～20%時，粗顆粒質量分數(shù)較低且懸浮于細顆粒中，此時土體的峰值抗剪強度主要受細顆?？刂?，粗顆粒的影響可以忽略不計。如圖8c、8d所示，當粗顆粒質量分數(shù)W為40%～70%時，粗顆粒間彼此接觸形成了主要承擔外部荷載的骨架結構，細顆粒充填于骨架結構的相應孔隙中，此時粗、細顆粒共同支配土體的力學特性，土體孔隙比可達到最小值。當粗顆粒質量分數(shù)W進一步增加至70%及以上時，粗顆粒間的接觸數(shù)明顯增多，填充于骨架結構相應孔隙中的細顆粒質量分數(shù)逐漸減少，此時孔隙比開始增加，土體的峰值強度與純粗顆粒的峰值強度相近，如圖8e、8f所示。這也定性說明了大于5 mm的粗顆粒質量分數(shù)為40%～70%時，粗顆粒間形成的骨架結構使得礫石填料較密實，與本文擊實試驗成果相一致。

圖7 二元混合體孔隙比與粗顆粒質量分數(shù)的關系示意[19］Fig.7 Relationship between porosity of binary mixture and content of coarse particles[19]

圖8 礫石填料隨粗顆粒質量分數(shù)逐漸增加時的內(nèi)部結構示意[19］Fig.8 Schematic diagrams of packing structures at different coarse particle contents[19]

4 填料現(xiàn)場碾壓試驗

為進一步研究填料的現(xiàn)場碾壓密實特性，采用22 t（二驅驅動）和32 t（四驅驅動）自行式振動平碾壓路機分別對填料進行了現(xiàn)場碾壓試驗。在碾壓試驗中，礫石填料的松鋪厚度按40 cm、50 cm、60 cm布置，填料含水率按4%、6%、8%調配。

礫石填料采用22 t壓路機進行碾壓時碾壓遍數(shù)與壓實度的關系曲線如圖9所示，填料碾前含水率為6%。從圖9可知，壓實度隨著碾壓遍數(shù)的增加而增大，且碾壓遍數(shù)越多壓實度差異越大。當碾壓遍數(shù)超過8遍后，壓實度增加很小，沉降逐漸趨于平緩，再增加碾壓遍數(shù)對沉降變化影響不大。

圖9 礫石填料碾壓遍數(shù)與壓實度關系Fig.9 Relationship between times of grind and compaction degree of gravelly soils

碾壓過程中，填料的含水率對于壓實效果的影響比較突出。填料含水率小于最優(yōu)含水率時，隨著含水率的增大，顆粒之間的摩擦變小，有利于壓實度的提高。礫石填料采用22 t和32 t的壓路機進行碾壓時碾前含水率與壓實度關系曲線如圖10。由圖10可知，碾壓前含水率為6%時，填料的壓實度最高，填料含水率過低時顆粒間填充不密實，會造成碾壓效果不好，含水率偏高時會降低顆粒的密度、剪切模量及泊松比，進而影響碾壓質量[20］。因此，在填料含水率為6%附近時進行碾壓施工最為經(jīng)濟合理。

另外，填料的松鋪厚度對壓實度有較大的影響。在碾壓過程中，當松鋪厚度過薄時，振動壓實效果明顯，但會影響施工的進度，增加施工費用。松鋪厚度過厚時，因碾壓機的振動壓實作用深度有限，上部堆石體壓實較好，而下部的堆石體沒有充分壓實，造成碾壓效果不好。由圖10可知，當填料碾前含水率為6%、采用22 t壓路機進行碾壓時，隨著填料松鋪厚度的增大，壓實度明顯減小，采用32 t壓路機時，壓實度隨著松鋪厚度的增大變化不明顯。

圖10 礫石填料碾前含水率與壓實度關系Fig.10 Relationship between moisture content and compaction degree of gravelly soils

根據(jù)試驗結果，填筑現(xiàn)場施工參數(shù)為填料的碾前含水率控制在約6%，22 t的壓路機適用松鋪厚度40 cm的場平回填碾壓，32 t的壓路機適用松鋪厚度60 cm的場平回填碾壓，當碾壓遍數(shù)大于8時，二者壓實度都達到98%，滿足壓實度97%的設計要求。

5 室內(nèi)壓縮特性

為研究壓實填料的壓縮變形特性，采用浮環(huán)式大型固結儀進行了填料的壓縮試驗。試樣直徑50.1 cm，高23.4 cm，分別進行了最優(yōu)含水率下不同壓實度的填料浸水飽和及非飽和2種狀態(tài)的壓縮試驗。試驗表明，壓實度為0.95和0.97這2種情況下，試樣的壓縮系數(shù)均小于0.1 MPa-1，填料屬于低壓縮性土。由圖11可知，壓實度相同時，試樣浸水飽和后填料壓縮模量略有降低，但差異不大，當填料壓實度為0.97時，浸水飽和對礫石土的壓縮性幾乎沒有影響?？梢姡岣邏簩嵍?，可以明顯改善填料的水穩(wěn)定性。值得注意的是，由于水庫蓄水和泄洪的影響，填筑體地下水位發(fā)生周期性大幅波動，水位動態(tài)變化對填筑體的變形影響需進一步研究。

圖11 礫石填料壓縮試驗孔隙比與垂直壓力關系Fig.11 e-P curves of filler in one-dimensional consolidation tests

6 大型三軸剪切試驗

為了研究不同壓實度下礫石填料的強度和變形特性，采用大型三軸剪切儀對填料進行了一系列三軸排水剪切試驗，試驗時控制填料的含水率為擊實最優(yōu)含水率?？紤]到礫石土料在實際工程中的排水性質，每組試樣分別在4個圍壓條件下進行固結排水三軸剪切試驗（CD），試驗圍壓分別取為100 kPa、200 kPa、300 kPa和500 kPa。

6.1 應力應變影響因素分析

圖12給出了填料2種壓實度下的偏應力（σ1-σ3）、體積應變（εv）和軸向應變（ε1）的關系曲線。由圖12a可知，隨著軸向應變的增加，4組試樣的偏應力呈非線性增長，表現(xiàn)為應變硬化。由于相同壓實度下圍壓越大，對試樣的側向變形約束力也越大，從而導致在剪切變形過程中試樣產(chǎn)生相同軸向應變時所需要的軸向應力也越大[21］，因此圍壓越大應變硬化現(xiàn)象越明顯，圖12b也有類似規(guī)律。對比圖12a和12b可知，在相同圍壓下，峰值剪切強度隨壓實度的增大而增大，其增幅（6.4%～14.6%）隨著圍壓增大而減小，這是因為隨著壓實度的增加，填料中顆粒之間的咬合作用增強，由此形成的顆粒間作用力增加，從而導致峰值強度增加。

由圖12還可知，試樣在不同圍壓下體變整體上表現(xiàn)為剪縮，且體縮率隨著軸向應變增大逐漸發(fā)展直至趨于穩(wěn)定。Roscoe等[22］研究表明土體在受到剪切力作用時，最后都會趨向于同一個穩(wěn)定的狀態(tài)，即臨界狀態(tài)。土體的臨界狀態(tài)不僅與土體的疏密狀態(tài)有關，還與土體當前的應力狀態(tài)有關。低圍壓時，不同壓實度下的試樣在剪切初期都表現(xiàn)出輕微的剪脹現(xiàn)象，可能原因是圍壓較低時填料在受剪時顆粒容易出現(xiàn)翻滾和轉動，使得體積增大。同時，同一壓實度下，圍壓越高，相對剪脹性越弱。

圖12 礫石土料的（σ1-σ3）-ε1以及εv-ε1關系曲線Fig.12 Stress-strain curves at different confining pressures

6.2 基于鄧肯-張模型的應力應變關系描述

鄧肯-張（Duncan-Chang）模型[23-24］是一種形式簡單、參數(shù)少且實用的非線性彈性模型。該模型采用雙曲線函數(shù)描述應力應變關系：

圖13給出了不同圍壓下的ε1/（σ1-σ3）和軸向應變（ε1）的關系曲線。由圖可見，在不同圍壓下，ε1/（σ1-σ3）與軸向應變（ε1）近似呈線性關系，擬合相關系數(shù)R2最小值為0.941，表明鄧肯-張雙曲線模型可較好地描述填料的偏應力與軸向應變關系。圖12對比了不同圍壓下的試驗曲線和鄧肯-張模型模擬曲線。由此可知，鄧肯-張模型描述的應力應變關系與三軸試驗數(shù)據(jù)一致，曲線擬合效果良好。

圖13 礫石填料的應力應變關系Fig.13 Stress-strain hyperbolic relationship

由式（3）可得到不同圍壓下的初始切線模量Ei，兩邊取對數(shù)繪制lg（Ei/pa）-lg（σ3/pa）關系曲線，如圖14所示。由圖可知，lg（Ei/pa）-lg（σ3/pa）之間的線性關系良好，體現(xiàn)了土體初始模量的應力相關特性[25］。直線的斜率即為n，截距為lgK。

圖14 lg（Ei/p a）-lg（σ3/p a）關系曲線Fig.14 Relationship between initial shear modulus and confining pressure

圖15給出了不同壓實度下試樣在不同圍壓下的應力摩爾圓。根據(jù)摩爾庫倫準則，取4個應力圓的公切線即可確定礫石土料的c、φ值。需要說明的是，該填料為無黏性土，理論上c值為零，但是試驗得到的c值不為零，此c值視為表觀凝聚力[26］。其值主要與顆粒間的咬合力等因素有關，其大小與礦物成分、顆粒形狀和級配等因素有關。郭慶國[27］認為礫石土雖無黏聚力，但由于剪切破壞過程中要克服摩擦力和顆粒之間的相互咬合嵌掛，反映到強度參數(shù)上即強度包絡線不過原點，即c值不為零。表2給出了不同壓實度條件下礫石填料鄧肯-張模型的5個參數(shù)（c，φ，K，n和Rf）。

圖15 礫石填料破壞時的應力摩爾圓Fig.15 Mohr stress circles in failure

表2 礫石填料三軸試驗結果Tab.2 Triaxial test results of gravelly soils

7 結論

以白鶴灘水電站移民區(qū)高填方工程為背景，對礫石填料開展擊實試驗和現(xiàn)場碾壓試驗，確定填料的配比設計及填筑現(xiàn)場的施工參數(shù)，通過大型壓縮試驗和三軸剪切試驗研究填料在不同壓實度、不同含水狀態(tài)下的強度與變形特性。主要結論如下：

（1）水碾河礫石填料在天然級配狀態(tài)下較易于壓實，使用天然級配下的填料能夠獲得較大的干密度，其最優(yōu)含水率在6.2%左右。當大于5 mm的礫石質量分數(shù)在40%～70%時，填料表現(xiàn)出較好的可壓實性。同時，現(xiàn)場碾壓試驗表明，在最優(yōu)含水率條件下，22 t和32 t的壓路機對應的最優(yōu)松鋪厚度分別為40 cm和60 cm，當碾壓遍數(shù)大于8遍時，能夠滿足壓實度97%的設計要求。

（2）不論是飽和還是非飽和狀態(tài)，礫石填料均屬于低壓縮性土。但是填料中有大量的水存在時（尤其處于飽和狀態(tài)時），其壓縮模量會稍微降低。在實際工程中的礫石填料選擇方面，要針對壓實性和強度綜合分析比選，以獲得最優(yōu)的填料配比。

（3）填料在壓實度為0.95和0.97時均可獲得較高的強度指標。在三軸剪切試驗中，不同壓實度、不同圍壓下試樣的應力-應變曲線都表現(xiàn)為應變硬化。在剪切初期，試樣的體應變在低圍壓時出現(xiàn)了輕微剪脹現(xiàn)象，但試樣整體上表現(xiàn)為剪縮。此外，填料不同圍壓下的應力應變關系可用鄧肯-張雙曲線模型較好地描述，并確定了相關的參數(shù)。

作者貢獻聲明：

顧曉強：提出研究選題，獲取研究經(jīng)費，設計研究方案，指導課題研究，修改論文。

梁玉珍：實施研究過程，收集整理分析數(shù)據(jù)，設計論文框架，撰寫論文。

周奇輝：工作支持，獲取研究經(jīng)費，參與試驗結果分析。

劉尊景：工作、技術、材料支持，參與試驗結果分析。

荊子菁：指導現(xiàn)場試驗，整理試驗數(shù)據(jù)。