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【摘要】普通现有填筑料提供的边坡填筑体的力学强度，难以满足高边坡工程的需求。本文探讨颗粒级配对边坡填筑料的影响，并利用三轴试验确定其力学参数。结果表明：颗粒级配会影响填筑料的力学参数；利用缩尺的方法可以确定颗粒级配，最终确定的煤矸石室内试验控制密度为1.87 g/cm3；同时三轴试验结果得出煤矸石填料本身的强度值。
【关键词】颗粒级配；边坡；缩尺
【Abstract】The mechanical strength of slope filling existing body of common filling material provided， it is difficult to meet the demand for high-Slope. This paper discusses the influence of particle size matching the slope of the filling material， and the use of triaxial tests to determine the mechanical parameters. The results show that： the particle size distribution can affect the mechanical parameters of filling materials； reduced scale use of methods to determine particle size distribution， definitive laboratory test control gangue density of 1.87 g / cm3； simultaneous triaxial test results obtained gangue filler itself intensity values.
【Key words】Particle size distribution；Slope；Reduced scale
1. 引言
（1）挡墙实际施工中填筑料主要有三种，即：煤矸石、灰岩和风化土。而煤矸石用量最大，是主要填土，属于粗粒土范畴。煤矸石层分布广泛，储量较大，岩层破碎严重，岩石强度低，软化系数较小，遇水和在碾压过程中极易破碎，用挖掘机即可进行料场开挖。
（2）但对于粗粒土填筑材料而言，颗粒的级配组成对其填筑密度、强度与变形特性有较大的影响，是进行试验的基本参数，必须首先选择[1～5]。同时粗粒土三轴试验中，试样的直径为300 mm，而施工中粗粒土最大粒径一般超过了300 mm，因此需要探索级配等效缩减的方法。本文以具体工程需要的填筑料力学参数为研究内容，探讨级配等因素的影响。
2. 原始级配的影响
（1）实际填筑过程中填料级配检测曲线见图1所示，将该族曲线的平均线作为填筑料试样的原始级配曲线，见图2。相应的颗粒分布见表1所示。
（2）从表1中可以看出，煤矸石的原始级配最大粒径为300 mm，小于4.75 mm的颗粒粒径为14.55%。而三轴试验仪器直径为300 mm，一般允许土料的最大粒径应该小于试样直径的1/5～1/6，也就是说，试验级配最大粒径不能大于60 mm，因此需要按照规范的要求对原始级配进行缩尺得到试验级配。
3. 缩尺方法和试验级配的确定
（1）缩尺的方法一般根据粒径的组成按照剔除法、等重量代替法和相似级配法进行。剔除法一般适用于超粒径含量小于5%的情况，等重量代替法一般适用于超径含量小于30%的情况，而相似级配法一般适用于细粒含量较小，缩尺后不会造成细粒含量增大较大的情况。煤矸石填筑料的原始级配的超径（大于60mm）含量小于40%，依据规范用等重量代替法较为合适。因此，采用等重量代替法进行试验级配缩尺。缩尺后的试验试样颗粒组成见表2，其试验级配曲线见图3。
（2）同时填筑干密度也是进行强度试验的重要基本参数，其值对土体强度影响较大，需要慎重确定。
4. 试验密度的确定
4.1粗粒土与细粒土不同，其颗粒组成变化较大。颗粒组成不同，其性能差别甚大。在我国，一般又将粒径为5 mm（也可以是4.75 mm）作为分界粒径，将小于5 mm的颗粒成为细料，大于5 mm的颗粒成为粗料，其含量用P5表示。也就是将粗粒土分为细料和粗料两部分。大量研究表明：粗料形成骨架，细料充填孔隙，充填的越好，土体密度越大，强度愈高。石头河水库等几种典型的粗粒土填料的粗粒含量（即：大于5 mm颗粒含量占总重量的百分比，用P5表示）与干密度实测资料如图4所示：
4.2圖中P5表示了粗料含量的大小，其值越大说明粗料含量越大，细料含量越小；其值越小说明粗料含量越小，而细料含量越大。
4.3从图中可以看出，在粗粒含量小于30%时，细料占绝大多数，粗粒颗粒被细料包围不起控制作用，粗料含量增大对土体干密度影响较小；在粗料含量在30%～70%时，土体的干密度随着粗料含量的增大而增大，其原因是：粗粒颗粒粒径大，个数少，用之代替同重量的个数多、比表面积大很多的细粒土，势必造成单位体积的土体重量增加；当粗料含量等于70%时，土体的干密度达到最大，其原因是粗粒形成的骨架被细粒土完全充填致使土体干密度达到最大；当粗料含量达到70%以后，土体的干密度随着粗料含量的增大而减小，其原因是粗粒形成的骨架不能再被细粒土充满，致使土体干密度减小。以上分析表明：粗粒含量30%和70%是两个重要的界限，是衡量粗粒土性质的重要界限指标。
4.4对于本工程而言，煤矸石填筑料其粗粒含量均在85%以上，其细粒土无法填充粗粒形成的骨架，其干密度将随着粗粒含量的增加而减小。在用等重量替代法由原始级配确定试验级配的过程中，虽然粗粒含量不会改变，但是相当于将颗粒较大、个数较少的料用颗粒较小、个数较多的较细的料进行代替，势必增加土体颗粒的比表面积，也就是增大了土体的体积。又对于煤矸石料而言，其本身的强度较小，在碾压的过程中极易破碎，因此，试验干密度选择时不能简单按照实测干密度确定，而应该进行论证分析，综合确定试样的干密度。 4.5根据现场密度检测结果：“煤矸石最大密度在2.15～2.36 g/cm3之间，2.15 g/cm3左右偏多，强风化和中风化土石最大干密度在1.95～1.98 g/cm3之间”。根据以上数据，初步确定煤矸石的制样密度为2.15 g/cm3。在试验过程中发现，煤矸石按此密度无法达到，采用极大的击实功能均不能达到制样密度，最后在试样制样破碎极大的情况下才勉强达到制样密度。
4.6鉴于以上原因，我们采用比重试验、最大密度试验等多种试验队现场实测密度进行了验证如下：
4.6.1颗粒视比重试验。
（1）土的颗粒视比重是土在105～110℃下烘至恒值时的质量与土粒同体积4℃纯水质量的比值。
（2）试验中灰岩和煤矸石用虹吸筒法进行，强风化和中风化土石对于5.0 mm以上用虹吸筒法，小于5.0 mm的颗粒用比重瓶法进行，按加权平均计算其颗粒比重。经试验，煤矸石样品的颗粒比重为2.61。
（3）按此比重值，根据提供的密度计算其孔隙率分别为煤矸石：9.6～17.6（对应的干密度为2.36 ～ 2.15 g/cm3）。
（4）从以上的孔隙率结果看，煤矸石的孔隙率明显偏小，该孔隙率对现场原型级配碾压可能容易达到，但对于级配缩尺后的试样，由于级配缩尺使颗粒组成均匀化，要达到该密度比较困难，因此室内对煤矸石在进行了如下试验。
4.6.2最大干密度试验。
（1）本次试验选择的试样筒直径为30 cm，高度为40 cm；加重物的总压力为18 KPa，振动台频率为40～60 Hz，振幅为0～2 mm，满足规程JTG E40-2007要求。
（2）试验中试样分三层添加，三次振动，每次振动8min，经试验不同最大粒径下土样的最大干密度见表3：
（3）因而煤矸石级配模拟后干密度要达到2.00 g/cm3比较困难，要达到2.10 g/cm3更加困难，所以初期确定的2.15 g/cm3的试验密度是不合理的，即使室内试样的密度达到该值，其颗粒组成变化太大，试样破碎率太大，做出的力学结果偏差也大。而实际填料的设计要求为：“每施工层填筑高度40cm，32KJ碾压≥8遍，压实度≥95%，固体体积率≥83%”。按照这个要求并参照相关资料，考慮到现场干密度实测资料有偏大的可能，并从偏于安全的角度考虑，确定煤矸石的室内试验控制干密度按室内试验结果最大干密度的95%控制，即1.97×0.95=1.87g/cm3。
（4）最终确定的室内试验控制密度为：煤矸石1.87 g/cm3，这样控制得到的强度指标偏于安全，对工程安全有利。
5. 三轴试验结果
（1）三轴压缩试验是测定土的抗剪强度的一种常用方法，通常用几个圆柱形试样，分别在不同的恒定周围压力下，施加轴向压力，进行压缩直至破坏；然后材料强度分别按摩尔·库仑强度公式求得抗剪强度参数和材料本构模型参数，为应力、应变计算提供依据。
（2）根据工程的实际情况，确定本次三轴压缩采用饱和固结排水剪，周围压力分级按0.1 MPa、0.2 MPa、0.4 MPa、0.8 MPa。试验采用大型三轴压缩仪进行，试样直径为300 mm，试样高度为600 mm。具体试验结果如图5、6与表4。
6. 结论
通过文中分析可以看出，颗粒级配会影响填筑料的力学参数；文中利用缩尺的方法确定颗粒级配，最终确定的煤矸石室内试验控制密度为1.87 g/cm3；同时三轴试验结果得出煤矸石填料本身的强度值为c=165.0 KPa，φ=37.8o。
参考文献
[1]艾长发，彭浩，胡超，等. 机制砂级配对混凝土性能的影响规律与作用效应[J]. 混凝土，2013，01：73～76.
[2]赵婷婷，周伟，常晓林，等. 堆石料缩尺方法的分形特性及缩尺效应研究[J]. 岩土力学，2015，04：1093～1101.
[3]彭家惠，张建新，彭志辉，等. 磷石膏颗粒级配、结构与性能研究[J]. 武汉理工大学学报，2001，01：6～11.
[4]高成雷，严战友，李建军，等. 颗粒级配对无粘性土压实性的影响分析[J]. 武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2016，02：227～232.
[5]侯再恩，张可村. 堆积颗粒系统中颗粒级配的优化[J]. 高校应用数学学报A辑（中文版），2005，04：409～416.
【关键词】颗粒级配；边坡；缩尺
【Abstract】The mechanical strength of slope filling existing body of common filling material provided， it is difficult to meet the demand for high-Slope. This paper discusses the influence of particle size matching the slope of the filling material， and the use of triaxial tests to determine the mechanical parameters. The results show that： the particle size distribution can affect the mechanical parameters of filling materials； reduced scale use of methods to determine particle size distribution， definitive laboratory test control gangue density of 1.87 g / cm3； simultaneous triaxial test results obtained gangue filler itself intensity values.
【Key words】Particle size distribution；Slope；Reduced scale
1. 引言
（1）挡墙实际施工中填筑料主要有三种，即：煤矸石、灰岩和风化土。而煤矸石用量最大，是主要填土，属于粗粒土范畴。煤矸石层分布广泛，储量较大，岩层破碎严重，岩石强度低，软化系数较小，遇水和在碾压过程中极易破碎，用挖掘机即可进行料场开挖。
（2）但对于粗粒土填筑材料而言，颗粒的级配组成对其填筑密度、强度与变形特性有较大的影响，是进行试验的基本参数，必须首先选择[1～5]。同时粗粒土三轴试验中，试样的直径为300 mm，而施工中粗粒土最大粒径一般超过了300 mm，因此需要探索级配等效缩减的方法。本文以具体工程需要的填筑料力学参数为研究内容，探讨级配等因素的影响。
2. 原始级配的影响
（1）实际填筑过程中填料级配检测曲线见图1所示，将该族曲线的平均线作为填筑料试样的原始级配曲线，见图2。相应的颗粒分布见表1所示。
（2）从表1中可以看出，煤矸石的原始级配最大粒径为300 mm，小于4.75 mm的颗粒粒径为14.55%。而三轴试验仪器直径为300 mm，一般允许土料的最大粒径应该小于试样直径的1/5～1/6，也就是说，试验级配最大粒径不能大于60 mm，因此需要按照规范的要求对原始级配进行缩尺得到试验级配。
3. 缩尺方法和试验级配的确定
（1）缩尺的方法一般根据粒径的组成按照剔除法、等重量代替法和相似级配法进行。剔除法一般适用于超粒径含量小于5%的情况，等重量代替法一般适用于超径含量小于30%的情况，而相似级配法一般适用于细粒含量较小，缩尺后不会造成细粒含量增大较大的情况。煤矸石填筑料的原始级配的超径（大于60mm）含量小于40%，依据规范用等重量代替法较为合适。因此，采用等重量代替法进行试验级配缩尺。缩尺后的试验试样颗粒组成见表2，其试验级配曲线见图3。
（2）同时填筑干密度也是进行强度试验的重要基本参数，其值对土体强度影响较大，需要慎重确定。
4. 试验密度的确定
4.1粗粒土与细粒土不同，其颗粒组成变化较大。颗粒组成不同，其性能差别甚大。在我国，一般又将粒径为5 mm（也可以是4.75 mm）作为分界粒径，将小于5 mm的颗粒成为细料，大于5 mm的颗粒成为粗料，其含量用P5表示。也就是将粗粒土分为细料和粗料两部分。大量研究表明：粗料形成骨架，细料充填孔隙，充填的越好，土体密度越大，强度愈高。石头河水库等几种典型的粗粒土填料的粗粒含量（即：大于5 mm颗粒含量占总重量的百分比，用P5表示）与干密度实测资料如图4所示：
4.2圖中P5表示了粗料含量的大小，其值越大说明粗料含量越大，细料含量越小；其值越小说明粗料含量越小，而细料含量越大。
4.3从图中可以看出，在粗粒含量小于30%时，细料占绝大多数，粗粒颗粒被细料包围不起控制作用，粗料含量增大对土体干密度影响较小；在粗料含量在30%～70%时，土体的干密度随着粗料含量的增大而增大，其原因是：粗粒颗粒粒径大，个数少，用之代替同重量的个数多、比表面积大很多的细粒土，势必造成单位体积的土体重量增加；当粗料含量等于70%时，土体的干密度达到最大，其原因是粗粒形成的骨架被细粒土完全充填致使土体干密度达到最大；当粗料含量达到70%以后，土体的干密度随着粗料含量的增大而减小，其原因是粗粒形成的骨架不能再被细粒土充满，致使土体干密度减小。以上分析表明：粗粒含量30%和70%是两个重要的界限，是衡量粗粒土性质的重要界限指标。
4.4对于本工程而言，煤矸石填筑料其粗粒含量均在85%以上，其细粒土无法填充粗粒形成的骨架，其干密度将随着粗粒含量的增加而减小。在用等重量替代法由原始级配确定试验级配的过程中，虽然粗粒含量不会改变，但是相当于将颗粒较大、个数较少的料用颗粒较小、个数较多的较细的料进行代替，势必增加土体颗粒的比表面积，也就是增大了土体的体积。又对于煤矸石料而言，其本身的强度较小，在碾压的过程中极易破碎，因此，试验干密度选择时不能简单按照实测干密度确定，而应该进行论证分析，综合确定试样的干密度。 4.5根据现场密度检测结果：“煤矸石最大密度在2.15～2.36 g/cm3之间，2.15 g/cm3左右偏多，强风化和中风化土石最大干密度在1.95～1.98 g/cm3之间”。根据以上数据，初步确定煤矸石的制样密度为2.15 g/cm3。在试验过程中发现，煤矸石按此密度无法达到，采用极大的击实功能均不能达到制样密度，最后在试样制样破碎极大的情况下才勉强达到制样密度。
4.6鉴于以上原因，我们采用比重试验、最大密度试验等多种试验队现场实测密度进行了验证如下：
4.6.1颗粒视比重试验。
（1）土的颗粒视比重是土在105～110℃下烘至恒值时的质量与土粒同体积4℃纯水质量的比值。
（2）试验中灰岩和煤矸石用虹吸筒法进行，强风化和中风化土石对于5.0 mm以上用虹吸筒法，小于5.0 mm的颗粒用比重瓶法进行，按加权平均计算其颗粒比重。经试验，煤矸石样品的颗粒比重为2.61。
（3）按此比重值，根据提供的密度计算其孔隙率分别为煤矸石：9.6～17.6（对应的干密度为2.36 ～ 2.15 g/cm3）。
（4）从以上的孔隙率结果看，煤矸石的孔隙率明显偏小，该孔隙率对现场原型级配碾压可能容易达到，但对于级配缩尺后的试样，由于级配缩尺使颗粒组成均匀化，要达到该密度比较困难，因此室内对煤矸石在进行了如下试验。
4.6.2最大干密度试验。
（1）本次试验选择的试样筒直径为30 cm，高度为40 cm；加重物的总压力为18 KPa，振动台频率为40～60 Hz，振幅为0～2 mm，满足规程JTG E40-2007要求。
（2）试验中试样分三层添加，三次振动，每次振动8min，经试验不同最大粒径下土样的最大干密度见表3：
（3）因而煤矸石级配模拟后干密度要达到2.00 g/cm3比较困难，要达到2.10 g/cm3更加困难，所以初期确定的2.15 g/cm3的试验密度是不合理的，即使室内试样的密度达到该值，其颗粒组成变化太大，试样破碎率太大，做出的力学结果偏差也大。而实际填料的设计要求为：“每施工层填筑高度40cm，32KJ碾压≥8遍，压实度≥95%，固体体积率≥83%”。按照这个要求并参照相关资料，考慮到现场干密度实测资料有偏大的可能，并从偏于安全的角度考虑，确定煤矸石的室内试验控制干密度按室内试验结果最大干密度的95%控制，即1.97×0.95=1.87g/cm3。
（4）最终确定的室内试验控制密度为：煤矸石1.87 g/cm3，这样控制得到的强度指标偏于安全，对工程安全有利。
5. 三轴试验结果
（1）三轴压缩试验是测定土的抗剪强度的一种常用方法，通常用几个圆柱形试样，分别在不同的恒定周围压力下，施加轴向压力，进行压缩直至破坏；然后材料强度分别按摩尔·库仑强度公式求得抗剪强度参数和材料本构模型参数，为应力、应变计算提供依据。
（2）根据工程的实际情况，确定本次三轴压缩采用饱和固结排水剪，周围压力分级按0.1 MPa、0.2 MPa、0.4 MPa、0.8 MPa。试验采用大型三轴压缩仪进行，试样直径为300 mm，试样高度为600 mm。具体试验结果如图5、6与表4。
6. 结论
通过文中分析可以看出，颗粒级配会影响填筑料的力学参数；文中利用缩尺的方法确定颗粒级配，最终确定的煤矸石室内试验控制密度为1.87 g/cm3；同时三轴试验结果得出煤矸石填料本身的强度值为c=165.0 KPa，φ=37.8o。
参考文献
[1]艾长发，彭浩，胡超，等. 机制砂级配对混凝土性能的影响规律与作用效应[J]. 混凝土，2013，01：73～76.
[2]赵婷婷，周伟，常晓林，等. 堆石料缩尺方法的分形特性及缩尺效应研究[J]. 岩土力学，2015，04：1093～1101.
[3]彭家惠，张建新，彭志辉，等. 磷石膏颗粒级配、结构与性能研究[J]. 武汉理工大学学报，2001，01：6～11.
[4]高成雷，严战友，李建军，等. 颗粒级配对无粘性土压实性的影响分析[J]. 武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2016，02：227～232.
[5]侯再恩，张可村. 堆积颗粒系统中颗粒级配的优化[J]. 高校应用数学学报A辑（中文版），2005，04：409～416.