花崗巖風(fēng)化層填料抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究

■曾慶有

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州 350004）

1 前言

福建省是我國東南沿海的一個(gè)多山省份，俗有“八山一水一分田”之稱，地形地質(zhì)條件復(fù)雜。在山區(qū)的工程建設(shè)中，為了平整場地，需要平衡填挖，因而不可避免的出現(xiàn)大量的填筑工程。在已有的大量填筑工程中，特別是填筑高度較高的填筑體中，較普遍的出現(xiàn)開裂甚至滑移等病害?；◢弾r是福建省分布最為廣泛的巖體類型之一，花崗巖風(fēng)化層填料也是工程建設(shè)中最常見的填料之一。因此，花崗巖風(fēng)化層填筑體的病害及其成因研究具有較為普遍的工程實(shí)際意義，研究成果也較多[1,2]。

在填筑工程的勘察設(shè)計(jì)階段，由于花崗巖風(fēng)化層填料粗顆粒的存在，囿于室內(nèi)試驗(yàn)條件的限制，用于邊坡穩(wěn)定計(jì)算的最主要參數(shù)粘聚力和內(nèi)摩擦角難以直接獲得，計(jì)算時(shí)往往只能參考經(jīng)驗(yàn)值。目前，一般工程地質(zhì)勘察報(bào)告基本都參考規(guī)范來提供經(jīng)驗(yàn)值，但是規(guī)范提供的是針對挖方邊坡原狀土樣的強(qiáng)度參數(shù)，對經(jīng)搬運(yùn)并重新壓實(shí)的填筑體強(qiáng)度參數(shù)并無相關(guān)可遵循的途徑可得，往往依據(jù)具體工程人員的個(gè)人判斷。因此取值較為隨意，獲得的結(jié)果差異較大，這對工程安全是極為不利的。

針對花崗巖風(fēng)化層的抗剪強(qiáng)度，已有不少的研究成果，但多數(shù)針對原狀樣進(jìn)行[4-6]，也有針對重塑土的室內(nèi)試驗(yàn)[7-8]，多數(shù)都是在篩分去除了粗顆粒情況下的規(guī)律性研究，其絕對值與實(shí)際必然存在差異。此外，不管原狀樣還是重塑土，與現(xiàn)場經(jīng)搬運(yùn)壓實(shí)后實(shí)際填筑體的抗剪強(qiáng)度顯然不同，而針對實(shí)際填筑體的抗剪強(qiáng)度特性則少有研究成果。

本文通過現(xiàn)場大型剪切試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)，以及現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果與室內(nèi)常規(guī)土工試驗(yàn)指標(biāo)的相關(guān)性分析，提出了利用現(xiàn)有常規(guī)土工試驗(yàn)結(jié)果推定花崗巖風(fēng)化層填筑體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的完整思路，為提升花崗巖風(fēng)化層填筑工程設(shè)計(jì)計(jì)算的可靠性奠定了基礎(chǔ)。

2 現(xiàn)場大型直剪試驗(yàn)

現(xiàn)場大型直剪試驗(yàn)可避免室內(nèi)常規(guī)直剪試驗(yàn)的不利因素，試樣為現(xiàn)場填料經(jīng)真實(shí)的施工碾壓后制作成型，試驗(yàn)結(jié)果能反應(yīng)實(shí)際的填筑施工過程對填料強(qiáng)度的影響，從而獲得花崗巖風(fēng)化層填筑體較為真實(shí)的強(qiáng)度指標(biāo)。

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)點(diǎn)選擇在廈蓉高速公路擴(kuò)建工程漳州段，該段沿線山嶺綿延，路基高填方段落眾多。區(qū)域內(nèi)巖性主要為花崗巖，路基填料以花崗巖風(fēng)化層為主。以該區(qū)域路基填方段落作為現(xiàn)場試驗(yàn)點(diǎn)具有典型性。

在現(xiàn)場已填筑到一定高度的路基段落中選擇具有代表性的區(qū)域作為試驗(yàn)點(diǎn)，該層路基填土壓實(shí)度為93%。首先開挖試坑，設(shè)計(jì)試樣尺寸為500mm×500mm×220mm，滿足剪切面積不小于0.25m2，高度為最大粒徑的4～8倍且不小于0.15m的要求。試樣制備好后安裝垂向加載系統(tǒng)和切向加載系統(tǒng)，垂向加載反力系統(tǒng)采用地錨式鋼梁，切向加載反力由試坑側(cè)壁的被動(dòng)土壓力提供。應(yīng)力測量由千斤頂軸力讀數(shù)根據(jù)試樣面積轉(zhuǎn)換而來，變形測量系統(tǒng)由6塊千分表組成，其中4塊垂直安裝，用于測量土樣垂直變形，2塊水平安裝，用于測量剪切變形。

圖1 現(xiàn)場試驗(yàn)過程圖

2.2 加載過程

同一測試點(diǎn)現(xiàn)場準(zhǔn)備四個(gè)試樣，對不同試樣施加不同垂直荷載，分別為0kPa，160kPa，320kPa，600kPa。 分級施加到預(yù)定荷載后，每隔5min讀取一次千分表讀數(shù)，當(dāng)1min變化小于0.05mm時(shí)，認(rèn)為達(dá)到變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，可以再施加下一級荷載。當(dāng)垂直荷載達(dá)到最大值時(shí)，其后試驗(yàn)過程中應(yīng)保持其大小不變。

施加垂直荷載產(chǎn)生的變形達(dá)到穩(wěn)定后，施加剪切荷載。剪切荷載均勻連續(xù)施加，每30s讀取一次千斤頂讀數(shù)與千分表讀數(shù)，直到千斤頂讀數(shù)不增大為止，或土樣出現(xiàn)明顯的位移（變形達(dá)到5cm）即可認(rèn)為土樣已經(jīng)被剪切破壞。

圖2 試驗(yàn)加載過程圖

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

限于篇幅，只提供其中一組的剪切變形與應(yīng)力曲線，如圖3所示。由圖可見，應(yīng)力應(yīng)變曲線較為平滑，均未出現(xiàn)如室內(nèi)試驗(yàn)可能出現(xiàn)的“跳躍”現(xiàn)象。由于試驗(yàn)盒裝置相對試樣最大顆粒直徑保持較大的尺寸倍數(shù)，使得粗粒土的直剪試驗(yàn)獲得了較理想的結(jié)果，結(jié)果的有效性獲得了保證。

圖3 剪切應(yīng)力與變形曲線圖

兩組試驗(yàn)剪切應(yīng)力與垂直應(yīng)力關(guān)系曲線如圖4所示。經(jīng)擬合得到第一組試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角Φ=26.57°，粘聚力c=4.86kPa。第二組試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角Φ=20.7°，粘聚力c=12.58kPa。

圖4 剪切應(yīng)力與垂直應(yīng)力關(guān)系曲線

經(jīng)查，規(guī)范提供的花崗巖強(qiáng)風(fēng)化巖（土狀）抗剪強(qiáng)度取值為內(nèi)摩擦角Φ=30～35°，粘聚力c=30～35kPa。 可見現(xiàn)場大型直剪試驗(yàn)獲得的結(jié)果與其存在較大差異，試驗(yàn)值都偏低，特別是粘聚力值低很多。如果工程人員直接采用規(guī)范參考值進(jìn)行計(jì)算，對工程將是不安全的。分析其原因，規(guī)范提供的參考值是勘察階段針對挖方邊坡提出的，是根據(jù)鉆孔取得的原狀土樣所獲得的結(jié)果。研究表明花崗巖風(fēng)化層的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度顯著[9]，但是填筑土經(jīng)過搬運(yùn)和重新碾壓，原狀土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基本損失。此外，細(xì)顆粒對粘聚力有重大貢獻(xiàn)[10]，因此施工搬運(yùn)過程中或施工期間的雨水沖刷等作用引起的細(xì)顆粒損失可能是粘聚力減小的重要因素，這一點(diǎn)從篩分試驗(yàn)結(jié)果亦明確可以說明。試驗(yàn)現(xiàn)場所取樣品篩分試驗(yàn)結(jié)果表明，粒徑小于0.075mm的組份含量僅約10%，而相應(yīng)段落土工試驗(yàn)報(bào)告提供的原狀土樣篩分試驗(yàn)結(jié)果粒徑小于0.075mm組份含量基本都在20%左右?？梢?，與原狀土相比，填筑土不僅損失了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，顆粒組分也發(fā)生了變化。因此，花崗巖風(fēng)化層填筑體與其原狀坡體結(jié)構(gòu)和組分都不同，抗剪切強(qiáng)度特性自然就有較大差異。

3 顆粒級配對填筑土強(qiáng)度的影響

顆粒級配組成不僅包括顆粒粒徑大小信息和粒徑組分的相對含量信息，因此對填料的抗剪強(qiáng)度有重大影響，而且不同的顆粒級配組成顯然對填筑的壓實(shí)效果有顯著影響，壓實(shí)效果當(dāng)然就會(huì)影響到粗、細(xì)顆粒之間相互作用，因此對填筑體抗剪強(qiáng)度必然會(huì)有顯著影響。圖3兩組試樣對應(yīng)的顆粒級配篩分試驗(yàn)結(jié)果如表1。兩組試樣均為花崗巖強(qiáng)風(fēng)化層，現(xiàn)場壓實(shí)度也是按同樣標(biāo)準(zhǔn)控制的，只是顆粒級配具有如表1所示的差別，試驗(yàn)結(jié)果顯示的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)也相應(yīng)的顯著差別（圖3）。盡管由于試驗(yàn)數(shù)量的限制，暫時(shí)無法對顆粒級配與抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系作定量描述，但總體而言，粗顆粒占比較高的填料其內(nèi)摩擦角大，粘聚力小，反之亦然。這也符合通常對于巖土體抗剪切強(qiáng)度特性的認(rèn)知[11]。

表1 兩組填料的篩分試驗(yàn)結(jié)果表

4 壓實(shí)度對填筑土抗剪強(qiáng)度的影響

“壓實(shí)度”是土方填筑工程中一個(gè)重要的控制指標(biāo)，在路基填筑工程中就針對路基各個(gè)不同層位提出了不同的壓實(shí)度要求。填筑工程的密實(shí)程度直接關(guān)系到巖土顆粒之間的接觸關(guān)系和接觸程度。在常見的非保水情況下還涉及到固、水、氣的三相相互作用關(guān)系，這些對填筑體的抗剪強(qiáng)度均有直接的影響。因此十分有必要研究壓實(shí)度對填筑體的抗剪強(qiáng)度的影響。

室內(nèi)試驗(yàn)測得的壓實(shí)度對粘聚力的影響如圖5，結(jié)果表明，不同含水率下粘聚力隨壓實(shí)度的變化規(guī)律一致，粘聚力隨壓實(shí)度的增大而增大。分析后認(rèn)為：隨著壓實(shí)度的增大，花崗巖風(fēng)化層顆粒間的孔隙比逐漸減小，顆粒間的水膜變薄。而粘聚力主要是水膜受相鄰分子之間的引力引起的?？紫扼w積的減小，會(huì)導(dǎo)致彎液面半徑減小，基質(zhì)吸力增大，增加粒間錯(cuò)動(dòng)阻力，使得粘聚力增大。

室內(nèi)試驗(yàn)測得的壓實(shí)度對內(nèi)摩擦角的影響如圖6。如圖所示，花崗巖風(fēng)化層填料的內(nèi)摩擦角隨壓實(shí)度的增大而增大。分析后認(rèn)為，隨著花崗巖風(fēng)化層填料壓實(shí)度的增大，顆粒間的孔隙比進(jìn)一步減小，顆粒間的嵌擠作用增強(qiáng)，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角隨壓實(shí)度的增大而增大。但壓實(shí)度的增大對于內(nèi)摩擦角的影響有限，變化幅度基本在2°以內(nèi)。

圖5 粘聚力隨壓實(shí)度的變化曲線

圖6 內(nèi)摩擦角隨壓實(shí)度的變化曲線

5 含水率對填筑土抗剪強(qiáng)度的影響

一般的認(rèn)知中，水對路基填筑體的影響是決定性的，有“十滑九水”的俗語。因此通過室內(nèi)試驗(yàn)研究填料含水率對花崗巖風(fēng)化填料抗剪強(qiáng)度特性的影響。

粘聚力隨含水率的變化曲線如圖7，結(jié)果表明填料的粘聚力會(huì)隨含水率的增大先增大后減小，并在最佳含水率下達(dá)到其極值。分析后認(rèn)為：花崗巖風(fēng)化層填料在完全干燥的條件下，填料中不存在彎液面表面張力，當(dāng)含水率增加時(shí)，填料表現(xiàn)出一定的可塑性，出現(xiàn)“似粘聚力”現(xiàn)象。但是，當(dāng)含水率大于最佳含水率后，水在土粒間起潤滑作用，不具有“似粘聚力”，故粘聚力減小。

圖7 粘聚力隨含水率的變化曲線

內(nèi)摩擦角隨含水率的變化曲線如圖8，結(jié)果表明在相同壓實(shí)度下，含水率對內(nèi)摩擦角的影響不大，分析后認(rèn)為，花崗巖風(fēng)化層填料的抗剪強(qiáng)度主要由顆粒間的嵌擠作用及相互摩擦形成，含水率的增大未能改變顆粒間接觸面的粗糙程度及顆粒級配，因此含水率對內(nèi)摩擦角的影響不大。

圖8 內(nèi)摩擦角隨含水率的變化曲線

這跟我們通常的認(rèn)知有所不同，但是并不是說水對邊坡穩(wěn)定的影響不大。水對填筑體邊坡的作用主要應(yīng)該表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是雨水或地下水對坡體的長期改造作用，包括雨水淋濾將細(xì)顆粒帶走從而改變填筑體填料的組分，甚至進(jìn)而形成流失帶從而改變坡體結(jié)構(gòu)的作用。二是地下水位升降產(chǎn)生的靜水壓力或水的流動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)水壓力的不利作用。這些作用在我們的試驗(yàn)當(dāng)中均未能體現(xiàn)，這也說明了花崗巖填料填筑坡體長期穩(wěn)定性分析的復(fù)雜性。工程設(shè)計(jì)人員在分析花崗巖風(fēng)化層填筑坡體長期穩(wěn)定性時(shí)應(yīng)充分考慮水的長期作用對邊坡穩(wěn)定的不利影響，同時(shí)對水的控制應(yīng)有足夠的工程措施。

6 以常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果推定花崗巖風(fēng)化層填筑體強(qiáng)度參數(shù)的思路

由于時(shí)間和成本的限制，工程設(shè)計(jì)階段花崗巖風(fēng)化層填料抗剪強(qiáng)度參數(shù)不能都通過現(xiàn)場大型剪切試驗(yàn)來獲得。因此，有必要建立一套方法，以現(xiàn)有常規(guī)試驗(yàn)條件合理的推定填筑體的相對接近真實(shí)的強(qiáng)度參數(shù)，以為工程設(shè)計(jì)計(jì)算服務(wù)。

目前實(shí)際情況是，在工程勘察設(shè)計(jì)階段，花崗巖風(fēng)化層鉆孔取樣后均做篩分試驗(yàn)。因此，一般土工試驗(yàn)報(bào)告中均有花崗巖風(fēng)化層的級配組成數(shù)據(jù)。壓實(shí)度是填筑工程必然要給出的設(shè)計(jì)參數(shù)，而施工時(shí)必然要求控制在最佳含水量條件下壓實(shí)。因此，獲得相對真實(shí)的花崗巖風(fēng)化層填料抗剪強(qiáng)度參數(shù)的思路是：通過更多的現(xiàn)場試驗(yàn)分別獲得粘聚力、內(nèi)摩擦角與顆粒級配、壓實(shí)度的相關(guān)曲線作為抗剪強(qiáng)度取值的基礎(chǔ)參考資料。這些曲線不一定能用精確的數(shù)學(xué)公式表達(dá)，但是據(jù)此曲線就能根據(jù)勘察報(bào)告提供的土樣顆粒級配組成及目標(biāo)壓實(shí)度在一定精度范圍內(nèi)推定填筑體的實(shí)際抗剪強(qiáng)度參數(shù)。這對提高工程設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確性具有重要意義。

7 結(jié)論與建議

通過研究得到以下幾個(gè)有意義的認(rèn)知：

(1)花崗巖風(fēng)化層填料的抗剪強(qiáng)度與規(guī)范參考值有較大差異，現(xiàn)場試驗(yàn)值偏低，尤其是粘聚力值低很多。原因是規(guī)范參考值是針對挖方邊坡給出的，而填筑體抗剪強(qiáng)度應(yīng)考慮原狀土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的損失和施工過程中細(xì)顆粒的減少，同時(shí)與填筑體的壓實(shí)度有關(guān)。因此進(jìn)行花崗巖風(fēng)化層填筑體的穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)注意規(guī)范參考值不能直接采用，否則結(jié)果將出現(xiàn)較大偏差。

(2)顆粒級配組成對填料的抗剪強(qiáng)度有顯著影響，總體而言，粗顆粒占比較高的填料其內(nèi)摩擦角大，粘聚力小，反之亦然。

(3)花崗巖風(fēng)化層填料抗剪強(qiáng)度與壓實(shí)度正相關(guān)，其粘聚力和內(nèi)摩擦角均隨壓實(shí)度的增大而增大，但是內(nèi)摩擦角增幅小于粘聚力。

(4)填料粘聚力隨含水率的增加先增大后減小，在最佳含水量時(shí)達(dá)到峰值；而填料的內(nèi)摩擦角與含水率相關(guān)性不大。

進(jìn)一步的工作應(yīng)選擇更多具有代表性的試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場大型直剪試驗(yàn)，獲取典型花崗巖風(fēng)化層填料粘聚力、內(nèi)摩擦角與顆粒級配、壓實(shí)度的相關(guān)曲線。以達(dá)到根據(jù)常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果及目標(biāo)壓實(shí)度推定花崗巖風(fēng)化層填筑體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的目的，從而更好的為工程建設(shè)服務(wù)。

[1]周援衡，王永和，卿啟湘，等.全風(fēng)化花崗巖改良土高速鐵路路基填料的適宜性試驗(yàn)研究.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30（3）：625-634.

[2]劉剛，劉建華.全風(fēng)化花崗巖路基處治對比分析.公路，2012（11）：204-208.

[3]DBJ13-84-2006，巖土工程勘察規(guī)范.福建省工程建設(shè)地方標(biāo)準(zhǔn)，福建科學(xué)技術(shù)出版社.

[4]牛璽榮，高江平，張恩韶.壓實(shí)花崗巖風(fēng)化土物理力學(xué)性狀試驗(yàn)研究.巖土力學(xué)，2016，37（3）：701-710.

[5]趙建軍，王思敬，尚彥軍，等.全風(fēng)化花崗巖抗剪強(qiáng)度影響因素分析.巖土力學(xué)，2005，26（4）：624-628.

[6]劉祖富.擬建福廈高速鐵路全風(fēng)化花崗巖物理力學(xué)性質(zhì)研究.鐵道工程學(xué)報(bào)，2007，增刊，1-4.

[7]李凱，王志兵，韋昌富，等.飽和度對風(fēng)化花崗巖邊坡土體抗剪特性的影響.巖土力學(xué)，2016，37（增刊1）：267-273.

[8]劉懿韜，王俊，琚元元，等.風(fēng)化程度對花崗巖風(fēng)化土抗剪強(qiáng)度影響.工程建設(shè)，2016，49（9）：9-13.

[9]林孔斌，柯國貴.花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)研究.土工基礎(chǔ)，2017，31（4）：521-525.

[10]闕云，姚曉琴，陳祖鑫，等.福建非飽和花崗巖殘積土強(qiáng)度特性的試驗(yàn)研究.公路，2012（6）：185-190.

[11]龍志東，王中文，史斌，等.花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度及其影響因素試驗(yàn).長沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，13（3）：25-31.