寒區(qū)高速鐵路路基粗顆粒填料大型直剪試驗(yàn)研究

王青志，朱鑫鑫，劉建坤，呂 鵬，劉振亞

(北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

為滿足列車高速、舒適、安全運(yùn)行的要求，高速鐵路路基基床設(shè)計(jì)對路基填料強(qiáng)度、剛度及長期穩(wěn)定性有更高的要求。《新建時(shí)速200～250 km客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)〔2005〕140號)明確規(guī)定：基床表層應(yīng)采用級配砂礫石或級配碎石等材料；基床底層采用A、B組填料或改良土，基床以下路堤應(yīng)優(yōu)先選用A、B組填料和C組塊石、碎石、礫石類填料。基床部分所用的級配碎石和A、B組填料，屬粗顆粒土范疇。粗粒土有吸水性差、透水性好、填筑密度大、沉降變形小、弱凍脹性、承載力高等特點(diǎn)。粗顆粒土的強(qiáng)度是指其抗剪強(qiáng)度，主要通過大型直接剪切試驗(yàn)和大型三軸剪切試驗(yàn)測定。文獻(xiàn)[1]通過顆粒組成、形狀、密度及含水率等影響因素對粗顆粒土抗剪強(qiáng)度進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[2]認(rèn)為由于剪切面上的粗顆粒阻擋剪切，粗顆粒土受剪的破壞面并非平面，而是不規(guī)則的曲面或剪切帶。粗顆粒相互交錯(cuò)鑲嵌形成咬合力，使粗顆粒土的強(qiáng)度大幅度提高。文獻(xiàn)[3]針對武廣客運(yùn)專線基床表層填料級配碎石進(jìn)行了大型三軸和直剪試驗(yàn)，認(rèn)為排水剪呈應(yīng)變軟化型曲線，不排水剪呈應(yīng)變硬化型曲線，而且在較低的應(yīng)力水平下，試樣直剪快剪的抗剪強(qiáng)度介于三軸不排水剪強(qiáng)度與排水剪強(qiáng)度之間。對于凍土的抗剪強(qiáng)度，文獻(xiàn)[4，5]指出在凍土形成過程中，由于受到一定的溫度和壓力作用，孔隙水轉(zhuǎn)化為孔隙冰，改變了土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變了土體強(qiáng)度，使凍土強(qiáng)度和相同條件下非凍結(jié)土強(qiáng)度有很大差別，而凍土中孔隙冰的性質(zhì)及其與土顆粒的連接作用是影響凍土強(qiáng)度的最重要因素。文獻(xiàn)[6]指出圍壓或溫度的升高增強(qiáng)了凍結(jié)蘭州砂土的塑性及應(yīng)變硬化性能。文獻(xiàn)[7]總結(jié)了凍土強(qiáng)度的特性，指出凍土強(qiáng)度經(jīng)常大于融土強(qiáng)度和冰強(qiáng)度之和，內(nèi)摩擦角等于或略小于對應(yīng)融土的內(nèi)摩擦角。文獻(xiàn)[8]認(rèn)為凍土同時(shí)具有高溫下融土摩擦類材料的強(qiáng)度特性和低溫下凍結(jié)土晶格類材料的強(qiáng)度特性。文獻(xiàn)[9]研究了壓實(shí)度和含水率對凍結(jié)粉土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及黏聚力、內(nèi)摩擦角的影響。文獻(xiàn)[10]采用哈大客運(yùn)專線路基素填土進(jìn)行凍結(jié)條件下凍土與混凝土接觸面直剪試驗(yàn)研究，凍結(jié)強(qiáng)度由土中已凍結(jié)純冰與混凝土接觸面的凍結(jié)力以及土顆粒、未凍結(jié)水與混凝土表面的黏聚力共同貢獻(xiàn)。文獻(xiàn)[11]認(rèn)為純冰與混凝土的凍結(jié)力和土顆粒與混凝土的黏聚力組成了峰值強(qiáng)度，黏聚力和摩擦力組成了殘余強(qiáng)度。文獻(xiàn)[12]指出凍結(jié)狀態(tài)下青藏粉土與玻璃鋼接觸面屈服時(shí)呈脆性破壞，存在明顯的峰值，破壞后應(yīng)力降幅明顯，而溫度對抗剪強(qiáng)度的影響主要體現(xiàn)在黏聚力的改變。

隨著高速鐵路在寒冷或嚴(yán)寒地區(qū)的建設(shè)，凍結(jié)條件和凍融循環(huán)對路基粗顆粒填料抗剪強(qiáng)度的影響受到重視。現(xiàn)有研究較少涉及凍土地區(qū)粗顆粒填料的抗剪強(qiáng)度研究。文獻(xiàn)[13]通過室內(nèi)三軸試驗(yàn)分析了凍融次數(shù)、細(xì)粒含量以及圍壓對粗顆粒土試樣強(qiáng)度特性的影響規(guī)律，指出隨著細(xì)粒含量的增加，粗顆粒土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線由凍融前的應(yīng)變軟化現(xiàn)象過渡到凍融后的應(yīng)變硬化現(xiàn)象，粗顆粒土的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨凍融次數(shù)的增加而減小，并在經(jīng)歷6次凍融后達(dá)到穩(wěn)定，其隨細(xì)粒含量的增加并非一直增大。因此有必要對寒區(qū)高速鐵路路基粗顆粒填料在不同情況下的剪切特性進(jìn)行研究。本文以沈(陽)丹(東)高速鐵路基床表層填料級配碎石和基床底層填料A組土為研究對象，進(jìn)行高壓實(shí)度狀態(tài)下大型直接剪切試驗(yàn)，分析其剪切位移-剪切應(yīng)力曲線特征、抗剪強(qiáng)度及其指標(biāo)隨垂直壓力、含水率和溫度變化的規(guī)律，以期為凍土地區(qū)高速鐵路建設(shè)設(shè)計(jì)和安全評價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 試樣制備和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)使用儀器為北京交通大學(xué)凍土實(shí)驗(yàn)室的全自動(dòng)土工粗顆粒土控溫直剪試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示。該設(shè)備為一款內(nèi)置冷液循環(huán)系統(tǒng)的大型數(shù)控靜力直剪儀，垂直壓力和橫向推力由兩臺(tái)步進(jìn)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，最大輸出分別為100 kN和150 kN，并帶有反饋控制模塊，可以分別實(shí)現(xiàn)位移和力的精確控制。剪切盒內(nèi)側(cè)為鋼制結(jié)構(gòu)層，外側(cè)為冷液循環(huán)空腔，在腔內(nèi)與外界環(huán)境有熱交換的位置鋪設(shè)有保溫層。系統(tǒng)配有大功率冷浴循環(huán)機(jī)，對上、下剪切盒進(jìn)行制冷和溫度控制，具有維持剪切面附近法向溫度梯度的能力。

(a)大型直剪試驗(yàn)系統(tǒng)主機(jī)

(b)位移計(jì)

(c)數(shù)據(jù)采集儀圖1 大型控溫土工粗顆粒土直剪試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)用粗顆粒填料取自沈丹高速鐵路路基基床表層和基床底層，其級配曲線如圖2所示。依據(jù)《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10001—2005)的規(guī)定，可以判定填料為級配碎石和級配良好的含土礫砂，屬于A組填料。采用重型擊實(shí)儀進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，得到其最優(yōu)含水率和最大干密度，見表1。

圖2 顆粒級配曲線

粗顆粒填料最優(yōu)含水率/%最大干密度/(g·cm-3)A組土72.2級配碎石52.49

試樣按不同含水率要求加水拌勻并浸潤12 h，以保證試樣的含水率均勻一致。粗顆粒土粒徑較大，裝在剛性盒中，剪切破壞時(shí)發(fā)生滑動(dòng)和滾動(dòng)，必然受到剛性盒的約束造成抗剪強(qiáng)度結(jié)果失真。本試驗(yàn)制備試樣體積為300 mm×300 mm×180 mm，剪切盒的尺寸與顆粒粒徑比例關(guān)系較合理，避免了剛性盒的約束作用。使用垂直壓力加載系統(tǒng)分3層進(jìn)行壓實(shí)。啟動(dòng)垂直加載裝置，加上指定大小的垂直壓力并保持穩(wěn)定；啟動(dòng)水平加載裝置，以約10 mm/h的速度推動(dòng)上盒水平運(yùn)動(dòng)。垂直方向和水平方向的應(yīng)力和位移均自動(dòng)同步記錄，如圖1(b)和圖1(c)所示，采樣頻率50 Hz。試驗(yàn)過程中的垂直壓力由系統(tǒng)通過反饋控制，以調(diào)整垂直位移的方式保持其恒定，動(dòng)態(tài)誤差為±2 kPa。

進(jìn)行凍結(jié)條件下的直剪試驗(yàn)時(shí)，在剪切盒內(nèi)壁、土體中心和剪切面附近分別布置溫度探頭，利用溫度采集儀DT80監(jiān)測試樣內(nèi)部溫度，如圖3(a)所示。打開冷浴循環(huán)，冷凍試樣并觀察溫度，直到土內(nèi)溫度與剪切面附近溫度基本一致且沒有波動(dòng)為止(通常需15～24 h)，此時(shí)試樣內(nèi)部已達(dá)到熱平衡，溫度場已穩(wěn)定。進(jìn)行直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后卸載，關(guān)閉冷浴循環(huán)，待試樣升溫融化卸除，如圖3(b)所示。試樣溫度由冷浴循環(huán)機(jī)根據(jù)溫度探頭的記錄進(jìn)行調(diào)節(jié)，剪切過程中試樣剪切面不超過1 ℃；取剪切面10 mm以內(nèi)范圍的試樣，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)后級配碎石剪切面含水率波動(dòng)不超過0.5%，A組土含水率波動(dòng)不超過1%，可以認(rèn)為在剪切過程中剪切面溫度和含水率保持不變。

(a)凍結(jié)條件下溫度探頭的布置

(b)凍結(jié)后的A組土試樣圖3 大型直剪試驗(yàn)粗顆粒土試樣

對高速鐵路路基粗顆粒填料級配碎石和A組土進(jìn)行非凍結(jié)和凍結(jié)狀態(tài)下的直剪試驗(yàn)，分析比較其剪切位移-剪切應(yīng)力曲線、抗剪強(qiáng)度及其指標(biāo)，因此采用不同含水率、不同溫度和不同垂直壓力進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)方案見表2。

表2 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1非凍結(jié)狀態(tài)下粗顆粒填料剪切位移-剪切應(yīng)力特征

圖4為粗顆粒填料在非凍結(jié)狀態(tài)下(20 ℃)的剪切位移-剪切應(yīng)力曲線。圖4(a)為壓實(shí)度0.95、含水率9%的A組土試樣剪切位移-剪切應(yīng)力曲線；圖4(b)為壓實(shí)度0.95、含水率7%的級配碎石在不同垂直壓力時(shí)的剪切位移-剪切應(yīng)力曲線。在試驗(yàn)的初始階段，剪切應(yīng)力隨位移呈比例增加，增長率較大，為彈性變形階段；隨著位移的繼續(xù)增加，曲線斜率變小，呈非線性增加，為塑性變形階段；當(dāng)位移增加到一定階段，曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，即土體整體滑動(dòng)破壞，有時(shí)伴有顆粒破裂聲音；經(jīng)過一段時(shí)間，剪切面迅速屈服，剪切應(yīng)力小幅減小或保持穩(wěn)定。

(a)A組土(含水率9%，溫度20 ℃)

(b)級配碎石(含水率7%，溫度20 ℃)圖4 非凍結(jié)狀態(tài)下粗顆粒土剪切位移-剪切應(yīng)力曲線

可以觀察到粗顆粒填料在不同垂直壓力作用下，達(dá)到同一剪切位移時(shí)剪切應(yīng)力不同，且隨著垂直壓力的增加，剪切應(yīng)力增加，試樣到達(dá)破壞點(diǎn)的剪切位移和所需的剪切應(yīng)力均有所增大，剪切位移-剪切應(yīng)力曲線由軟化型向硬化型發(fā)展。這種過渡主要是因?yàn)榇诸w粒土是由大小不等、性質(zhì)不一的顆粒彼此充填成的粒狀結(jié)構(gòu)體，抗剪強(qiáng)度主要決定于顆粒間的摩擦力和咬合力。當(dāng)粗顆粒土處于密實(shí)狀態(tài)時(shí)(A組土、級配碎石壓實(shí)度均為0.95)，大小顆粒相互填充密實(shí)，顆粒擠得很緊，在剪切過程中顆粒間的摩擦力大，在剪切破壞過程中，顆粒在剪切面或剪切帶發(fā)生移動(dòng)或滾動(dòng)，甚至翻越臨近顆粒，必然發(fā)生剪脹變形，克服剪脹變形做功的咬合力增大，應(yīng)力值增高，至峰點(diǎn)達(dá)到最大值。但在峰點(diǎn)后，因剪脹變形的增大，結(jié)構(gòu)變松，由于垂直壓力較小，對土顆粒的約束較小，如級配碎石和A組土在低垂直壓力(50 kPa和100 kPa)作用時(shí)，剪脹變形引起的咬合力逐漸降低直至消失，形成應(yīng)力減小現(xiàn)象，剪切應(yīng)力與剪切位移呈現(xiàn)弱軟化型。當(dāng)垂直壓力逐漸變大時(shí)，阻礙顆粒移動(dòng)的阻力越大，剪脹變形越小，導(dǎo)致粗顆粒土剪切應(yīng)力與剪切位移關(guān)系逐漸向硬化型發(fā)展。由于以上原因，粗顆粒土在剪切破壞的過程中，除了克服摩阻力還要克服剪脹變形作功，因此比密實(shí)度不高的粗顆粒土強(qiáng)度值大。

剪切位移-剪切應(yīng)力曲線由應(yīng)變軟化向應(yīng)變硬化的過渡規(guī)律，可由粗顆粒填料直剪過程中記錄的剪切位移和垂直位移的關(guān)系說明，圖5為壓實(shí)度0.95、含水率7%的級配碎石在非凍結(jié)狀態(tài)(20 ℃)不同垂直壓力下的剪切位移-垂直位移關(guān)系曲線。從圖5可以看出，由于試樣壓實(shí)度較高，在試驗(yàn)所施加的垂直壓力范圍內(nèi)，試樣都出現(xiàn)了不同程度的剪脹，垂直壓力越低剪脹越明顯；隨著垂直壓力的增大，剪脹效應(yīng)減小，但未出現(xiàn)剪縮現(xiàn)象。

圖5 不同垂直壓力下級配碎石剪脹特性

2.2 凍結(jié)狀態(tài)下粗顆粒填料剪切位移-剪切應(yīng)力特征

圖6為A組土和級配碎石在凍結(jié)條件下的剪切位移-剪切應(yīng)力曲線。圖6(a)中試樣為壓實(shí)度0.95、含水率9%的A組土，溫度為-3 ℃；圖6(b)中試樣為壓實(shí)度0.95、含水率7%的級配碎石，溫度為-3.5 ℃。從圖6可以看出，試驗(yàn)初始階段，剪切應(yīng)力急劇增加，而剪切位移不變化，彈性階段不明顯。尤其是凍結(jié)條件下的級配碎石，剪切應(yīng)力增加到約200 kPa時(shí)才有剪切位移產(chǎn)生，如圖6(b)所示。其他階段與非凍結(jié)狀態(tài)下的剪切位移-剪切應(yīng)力特征類似。A組土與級配碎石在凍結(jié)條件下，隨著垂直壓力的增大，試樣到達(dá)破壞點(diǎn)的剪切位移和所需剪切應(yīng)力均有所增大。與非凍結(jié)狀態(tài)相比，試樣破壞時(shí)的剪切位移較小?？梢钥闯龃诸w粒土在垂直壓力較低時(shí)(如垂直壓力為50 kPa、100 kPa的A組土)，剪切位移-剪切應(yīng)力關(guān)系曲線呈軟化型，隨著垂直壓力的增大，曲線由軟化型向硬化型發(fā)展。

(a)A組土 (含水率9%，溫度-3 ℃)

(b)級配碎石(含水率7%，溫度-3.5 ℃)圖6 凍結(jié)狀態(tài)下粗顆粒土剪切位移-剪切應(yīng)力曲線

2.3 粗顆粒填料抗剪強(qiáng)度特性

粗顆粒土由大小不同的顆粒組成，尤其是級配碎石，單個(gè)粗顆粒本身強(qiáng)度較高。文獻(xiàn)[1]總結(jié)了砂礫石、礫石土、風(fēng)化石渣等粗顆粒土的抗剪強(qiáng)度特性，認(rèn)為都是由三部分組成的，即細(xì)顆粒本身的強(qiáng)度、粗顆粒間的強(qiáng)度和粗、細(xì)顆粒間的強(qiáng)度。而粗顆粒影響粗顆粒土抗剪強(qiáng)度的程度取決于其含量。本試驗(yàn)中，級配碎石粗料P5(顆粒粒徑>5 mm)含量為50%，在30%～70%之間，抗剪強(qiáng)度決定于粗料、細(xì)料(顆粒粒徑<5 mm)的共同作用；A組土粗料P5含量為13%，小于30%，抗剪強(qiáng)度基本決定于細(xì)料。粗顆粒土凍結(jié)時(shí)的強(qiáng)度由土中已凍結(jié)孔隙冰、顆粒之間的黏聚力和咬合力、粗細(xì)顆粒本身強(qiáng)度等共同貢獻(xiàn)。根據(jù)文獻(xiàn)[1，2]關(guān)于粗顆粒土剪切面和抗剪強(qiáng)度的分析，本文用C代表粗顆粒土黏結(jié)力和咬合力，φ代表其內(nèi)摩擦角，用庫倫方程分析粗顆粒土的抗剪強(qiáng)度特性。

峰值抗剪強(qiáng)度是剪切面發(fā)生滑動(dòng)前的最大剪切應(yīng)力。取應(yīng)變軟化型峰值作為峰值抗剪強(qiáng)度。應(yīng)變硬化型，即無明顯峰值強(qiáng)度時(shí)，從粗顆粒填料剪切位移-剪切應(yīng)力特征曲線來看，在剪切破壞過程中，剪切應(yīng)力達(dá)到試樣破壞時(shí)的應(yīng)變值為1.33%～2.67%(相對于300 mm的橫向尺寸，剪切位移為4～8 mm)，故取應(yīng)變值平均值2%對應(yīng)的剪切應(yīng)力作為應(yīng)變硬化時(shí)的峰值抗剪強(qiáng)度。

圖7為非凍結(jié)狀態(tài)和凍結(jié)狀態(tài)下粗顆粒土不同含水率時(shí)抗剪強(qiáng)度隨著垂直壓力變化過程的比較。從圖7(a)可以看出，A組土在非凍結(jié)狀態(tài)(20 ℃)下含水率一定時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨著垂直壓力增加而增大，說明大小顆粒間相互填充更充分，顆粒擠得更緊密，咬合力更大，在剪切過程中，外力克服骨料間摩擦力所做的功也逐漸增大，內(nèi)摩擦角增大；當(dāng)含水率增大時(shí)，同一垂直壓力時(shí)的抗剪強(qiáng)度隨著含水率增加而降低。如當(dāng)含水率從7%增加到12%、垂直壓力為400 kPa時(shí)，剪切強(qiáng)度從238 kPa降低到172 kPa。其主要原因是：A組土含水率增加時(shí)，土體結(jié)構(gòu)軟化，尤其隨著含水率增大，結(jié)合水膜也增厚，土粒之間距離增大使A組土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，土體抵抗剪切應(yīng)力的能力被削弱，從而導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度值降低。在凍結(jié)狀態(tài)下，相同負(fù)溫(-3 ℃)和相同凍前含水率時(shí)，A組土抗剪強(qiáng)度變化與非凍結(jié)狀態(tài)時(shí)類似，均隨垂直壓力增加而增大；相同垂直壓力作用下，試樣的抗剪強(qiáng)度隨試樣凍前含水率的增加而增大，如當(dāng)垂直壓力為50 kPa、含水率從7%增加到12%時(shí)，抗剪強(qiáng)度從375 kPa增加到535 kPa。上述數(shù)據(jù)說明，凍前含水率的增加增大了凍結(jié)試樣抵抗剪切變形的能力。這是因?yàn)閮銮昂试酱螅林凶杂伤腿踅Y(jié)合水的含量就越多，在凍結(jié)過程凍結(jié)的水分越多，含冰量越大，冰和土顆粒之間的聯(lián)結(jié)作用越強(qiáng)，因此抗剪強(qiáng)度越高。在相同凍前含水率、相同垂直壓力作用下，抗剪強(qiáng)度隨試樣溫度的降低而增加，如當(dāng)垂直壓力為50 kPa、含水率9%時(shí)，溫度從-1 ℃降低到-5 ℃時(shí)抗剪強(qiáng)度從360 kPa增加到了454 kPa，表明溫度的降低提高了試樣抵抗剪切變形的能力。這是因?yàn)闇囟仍降?，土中未凍水的含量越少，土中形成冰的?qiáng)度越高，高強(qiáng)度冰填充在土顆?？紫吨谐惺芰艘欢ǖ募羟辛Γ屯令w粒之間的相互作用越強(qiáng)烈，因此抗剪強(qiáng)度越高。

(a)A組土

(b)級配碎石圖7 非凍結(jié)和凍結(jié)狀態(tài)下抗剪強(qiáng)度變化過程比較

從圖7(a)中還可以看出，非凍結(jié)土(20 ℃)在相同垂直壓力、不同含水率時(shí)抗剪強(qiáng)度差距較小。而凍土(-3 ℃)中存在孔隙冰形式的膠結(jié)冰，能夠承受一定的荷載，土骨架顆粒與膠結(jié)冰共同作用，所以其抗剪強(qiáng)度比一般非凍結(jié)土高，不同含水率時(shí)抗剪強(qiáng)度差距較大。如圖7(b)所示,級配碎石在非凍結(jié)狀態(tài)和凍結(jié)狀態(tài)抗剪強(qiáng)度變化過程與A組土類似，由于級配碎石細(xì)顆粒與粗顆粒共同作用更強(qiáng)，顆粒強(qiáng)度更高，與A組土相比，其抗剪強(qiáng)度更高。

2.4溫度和含水率對粗顆粒填料抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

圖8是A組土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，即黏聚力與咬合力C及內(nèi)摩擦角隨溫度和含水率的變化。從圖8(a)可以看到，在試驗(yàn)含水率范圍內(nèi)，非凍結(jié)狀態(tài)A組土試樣的C值隨含水率的增加緩慢減小，當(dāng)含水率從7%增加到12%時(shí)，C值從35.77 kPa降低到11.37 kPa。凍結(jié)狀態(tài)時(shí)，相同溫度下，含水率越大的試樣C值越大，當(dāng)溫度為-3 ℃、含水率從7%增加到12%時(shí)，C值從360 kPa增加到558 kPa。試樣C值隨含水率增加而增大的幅度隨試樣溫度的降低而增大，這是由于溫度決定了凍土中未凍水的含量，直接影響土顆粒和冰的聯(lián)結(jié)作用。該聯(lián)結(jié)作用對溫度的變化較敏感，其聯(lián)結(jié)強(qiáng)度隨溫度的降低而增大。低溫凍土具有的較高聯(lián)結(jié)強(qiáng)度是其具有高C值的關(guān)鍵因素。

(a)C值

(b)內(nèi)摩擦角圖8 A組土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨溫度和含水率變化過程

從圖8(b)可以看出，不論非凍結(jié)狀態(tài)還是凍結(jié)狀態(tài)，A組土試樣內(nèi)摩擦角隨溫度下降和含水率增大而減小。非凍結(jié)狀態(tài)時(shí)，內(nèi)摩擦角變化較為平緩，含水率從7%增大到12%時(shí)，A組土內(nèi)摩擦角從26.48°降至22.59°。這是由于土內(nèi)摩擦角主要決定于土顆粒的大小、表面粗糙度以及顆粒間的嵌入、聯(lián)接、鎖緊作用等產(chǎn)生的咬合力。對于非凍結(jié)狀態(tài)的試樣，含水率變化基本沒有破壞顆粒之間的相互作用及土體本質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此，內(nèi)摩擦角變化較為平穩(wěn)。凍結(jié)條件下，主要因?yàn)榧羟羞^程中摩擦導(dǎo)致了剪切面熱平衡狀態(tài)變化，引起冰與未凍水的含量變化以及水分的重分布，水分在接觸面的集聚填充了剪切面附近的孔隙，并形成水膜，起到了潤滑和減小摩擦力的作用，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角下降。隨著含水率增加，這種作用變得更加明顯。當(dāng)含水率為7%、溫度為-1 ℃時(shí)，A組土內(nèi)摩擦角為24.14°，而當(dāng)含水率為12%、溫度為-5 ℃時(shí)，內(nèi)摩擦角降為12.6°。

還可以觀察到，隨著溫度進(jìn)一步降低，A組土試樣內(nèi)摩擦角下降趨勢變緩，如圖8(b)所示，A組土在-5 ℃時(shí)內(nèi)摩擦角變化不如其他溫度變化迅速。從圖8(a)可以看出，隨著溫度的進(jìn)一步降低，C值增長幅度變大。因此溫度對抗剪強(qiáng)度的影響主要體現(xiàn)在C值的改變，隨著含水率的增加，溫度對C值的影響增強(qiáng)。如圖8所示，當(dāng)含水率為7%時(shí)，C值從溫度-1 ℃的283 kPa增加到溫度為-5 ℃的513 kPa，φ從溫度-1 ℃的24.14°降低到溫度為-5 ℃時(shí)的19.29°；當(dāng)含水率為12%時(shí)，C值從溫度-1 ℃的488 kPa增加到溫度為-5 ℃的762 kPa，φ從溫度-1 ℃的14.45°降低到溫度為-5 ℃時(shí)的12.26°。

圖9為級配碎石抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨溫度和含水率的變化曲線，其趨勢與A組土類似。由于級配碎石粗顆粒與細(xì)顆粒之間咬合力更大、粗顆粒強(qiáng)度更高，故其C值與內(nèi)摩擦角均較A組土大。

(a)C值

(b)內(nèi)摩擦角圖9 級配碎石抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨溫度和含水率變化曲線

3 結(jié)論

高速鐵路路基基床表層填料級配碎石和基床底層填料A組土屬粗顆粒土范疇，本文通過大型土工粗顆粒土控溫直剪試驗(yàn)系統(tǒng)研究高壓實(shí)狀態(tài)下粗顆粒土在非凍結(jié)和凍結(jié)狀態(tài)下的剪切特性，分析其抗剪強(qiáng)度及相關(guān)指標(biāo)隨溫度、含水率和垂直壓力的變化規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1)分析粗顆粒土剪切位移-剪切應(yīng)力曲線可以發(fā)現(xiàn)，非凍結(jié)和凍結(jié)狀態(tài)下的高壓實(shí)度粗顆粒土在垂直壓力相對較低時(shí)呈應(yīng)變軟化型，有明顯峰值；較高垂直壓力時(shí)呈應(yīng)變硬化型，沒有明顯峰值。這主要是由于低垂直壓力作用對土顆粒的約束較小，粗顆粒土剪脹變形較大；垂直壓力較大時(shí)，剪脹變形較小。

(2) 由于粗料含量影響，本試驗(yàn)中的粗顆粒填料抗剪強(qiáng)度仍決定于細(xì)料、粗料與細(xì)料的共同作用，而不是粗料的強(qiáng)度。粗顆粒土凍結(jié)強(qiáng)度由土中已凍結(jié)孔隙冰、顆粒之間的黏聚力和咬合力、粗細(xì)顆粒本身強(qiáng)度等共同貢獻(xiàn)。當(dāng)含水率一定、垂直壓力增大時(shí)，無論非凍結(jié)或凍結(jié)狀態(tài)，粗顆粒土抗剪強(qiáng)度明顯提高，這是由于粗顆粒土在剪切過程中大小顆粒間填充更充分，咬合力更大。當(dāng)含水率增大時(shí)，非凍結(jié)狀態(tài)的粗顆粒土試樣，由于水軟化了土體結(jié)構(gòu)，起潤滑作用，故其抗剪強(qiáng)度減弱；而凍結(jié)狀態(tài)的粗顆粒土試樣，隨著溫度降低，未凍水含量減小，填充于粗顆粒土空隙的高強(qiáng)度冰承受了一定的剪切力，其抗剪強(qiáng)度比非凍結(jié)狀態(tài)的試樣高。

(3)試樣凍前含水率和溫度明顯影響粗顆粒填料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。非凍結(jié)狀態(tài)時(shí)，粗顆粒土內(nèi)摩擦角緩慢減小。在凍結(jié)條件下，隨著溫度降低，粗顆粒土的C值隨含水率增加而增大的趨勢變強(qiáng)，主要是因?yàn)槲磧鏊侩S溫度降低而減小，土顆粒與冰聯(lián)結(jié)作用隨溫度降低和含水率增加而增強(qiáng)。凍結(jié)狀態(tài)時(shí)，內(nèi)摩擦角隨溫度的降低而減小，主要由剪切過程中摩擦導(dǎo)致剪切面熱平衡狀態(tài)變化引起。隨著含水率增加，這種變化更加明顯。由于粗顆粒本身強(qiáng)度和顆粒之間的咬合力更大，與A組土相比，級配碎石在凍結(jié)和非凍結(jié)狀態(tài)下抗剪強(qiáng)度及其指標(biāo)有相似的變化規(guī)律，有更大的C值和內(nèi)摩擦角。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭慶國.粗顆粒土的工程特性及應(yīng)用[M].鄭州:黃河水利出版社,1998.

[2]陳希哲.粗顆粒土的強(qiáng)度與咬合力的試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué),1994,11(4)：56-63.

CHEN Xizhe.Research on the Strength of the Coarse Grained Soil and the Interlocking Force[J].Engineering Mechanics,1994,11 (4):56-63.

[3]楊堯,羅強(qiáng),陳占.客運(yùn)專線級配碎石抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].路基工程,2010(4):75-78.

YANG Yao,LUO Qiang,CHEN Zhan.Experimental Study on Shear Strength of Graded Gravel for Passenger Dedicated Line[J].Subgrade Engineering,2010(4):75-78.

[4]馬巍,王大雁,等.凍土力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社,2014.

[5]馬巍,王大雁.中國凍土力學(xué)研究50年回顧與展望[J].巖土工程學(xué)報(bào),2012,34(4)：625-640.

MA Wei,WANG Dayan.Studies on Frozen Soil Mechanics in China in Past 50 Years and Their Prospect[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2012,34(4)：625-640.

[6]吳紫汪,馬巍,張長慶,等.凍結(jié)砂土的強(qiáng)度特性[J].冰川凍土,1994,16(1)：15-20.

WU Ziwang,MA Wei,ZHANG Changqing,et al.Strength Characteristics of Frozen Sandy Soil[J].Journal of Glaciology and Geocryology,1994,16(1):15-20.

[7]齊吉琳,馬巍.凍土的力學(xué)性質(zhì)及研究現(xiàn)狀[J].巖土力學(xué),2010,31(1)：133-143.

QI Jilin,MA Wei.State-of-art of Research on Mechanical Properties of Frozen Soils[J].Rock and Soil Mechanics,2010,31(1):133-143.

[8]李寧,程國棟,徐學(xué)祖,等.凍土力學(xué)的研究進(jìn)展與思考[J].力學(xué)進(jìn)展, 2001,31(1)：95-102.

LI Ning,CHENG Guodong,XU Xuezu,et al.The Advance and Review on Frozen Soil Mechanics[J].Advances in Mechanics,2001,31(1)：95-102.

[9]彭麗云,劉建坤,肖軍華,等.京九線路基壓實(shí)粉土力學(xué)特性的試驗(yàn)[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),2007,31(4)：56-60.

PENG Liyun,LIU Jiankun,XIAO Junhua,et al.Mechanics Properties of Compacted Silt on Beijing-Kowloon Railway[J].Journal of Beijing Jiaotong University,2007,31(4)：56-60.

[10]LIU J K,Lü P,CUI Y H,et al.Experimental Study on Direct Shear Behavior of Frozen Soil-concrete Interface[J].Cold Regions Science and Technology,2014,104-105:1-6.

[11]呂鵬,劉建坤.凍土與混凝土接觸面直剪試驗(yàn)研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2015,37(2)：106-110.

Lü Peng,LIU Jiankun.An Experimental Study on Direct Shear Tests of Frozen Soil-concrete Interface[J].Journal of the China Railway Society,2015,37(2):106-110.

[12]溫智,俞祁浩,馬巍,等.青藏粉土-玻璃鋼接觸面力學(xué)特性直剪試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2013,34(S2)：45-50.

WEN Zhi,YU Qihao,MA Wei,et al.Direct Shear Tests for Mechanical Characteristics of Interface Between Qinghai-Tibetan Silt and Fiberglass Reinforced Plastics[J].Rock and Soil Mechanics,2013,34(S2)：45-50.

[13]卜建清,王天亮.凍融及細(xì)粒含量對粗顆粒土力學(xué)性質(zhì)影響的試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2015,37(4)：608-614.

BU Jianqing,WANG Tianliang.Influences of Freeze-thaw and Fines Content on Mechanical Properties of Coarse-grained Soil[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2015,37(4):608-614.