庫區(qū)岸坡碎石土填料直剪試驗研究

劉康強

（上饒市科信水利水電建設(shè)工程有限公司，江西 上饒 344000）

粗粒土通常指顆粒粒徑范圍在0.075～60mm之間，且顆粒質(zhì)量比大于50%的土石混合料。由于它具有取材方便、價格低廉和較好的壓實性等優(yōu)良特點，粗粒土在工程建設(shè)中被廣泛應用于軟土地基處理、大壩建設(shè)等工程中[1，2]。如今，越來越多的學者開始對碎石土的工程性質(zhì)進行研究。張和軍[3]等通過對碎石土墊層在軟土地基上的應用進行研究，對其施工工藝及其壓實機理進行了闡述。黃宇軒[4]等研究碎石土密實度對地基承載力的影響，得出密實度對提高地基承載力具有顯著效果。張建明[5]等通過庫區(qū)安排岸坡的碎石土的抗剪強度進行測試，對不同狀態(tài)下強度參數(shù)模型及特征進行了研究，并根據(jù)試驗結(jié)果提出了適用于碎石土路基抗剪強度參數(shù)的模型公式。佘孟飛[6]等通過對石灰?guī)r碎石土進行室內(nèi)直剪試驗，探討了在不同壓實密度、不同工況條件下對石灰?guī)r碎石土的抗剪強度參數(shù)的影響規(guī)律。

綜上可知，了解碎石土的特性對工程建設(shè)具有重要意義。鑒于此，本文對江西某庫區(qū)岸坡碎石土填料進行室內(nèi)大型直剪試驗，旨在研究含水率及含石量（粒徑大于5mm的顆粒含量）對碎石土的剪切強度及強度參數(shù)的影響。

1 試驗研究

1.1 試驗儀器

試驗所用直剪儀器為微機控制電液伺服1 000kN大型直剪儀。該儀器主要由承載機架、剪切盒、垂直液壓加載裝置、水平剪切液壓加載裝置、電腦控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6部分組成。剪切盒的長×寬×高為50cm×50cm×40cm，上、下剪切盒之間通過軸承及滾珠連接，其目的是為了減小剪切盒之間的摩擦。

1.2 試驗材料

本文試驗所用碎石土樣取自江西某庫區(qū)岸坡碎石土填料，其中碎石主要是灰?guī)r，細粒土為粉質(zhì)黏土，經(jīng)測試，碎石吸水飽和時的吸水量為5%，黏土的最優(yōu)含水率為14%，最大干密度為1.72g/cm3。大型直剪儀所允許的顆粒最大粒徑為60mm，對于超粒徑顆粒（大于60mm）需要進行處理。由于等量替代法處理后的級配仍保持碎石土原有的粗粒土、細粒土含量和性質(zhì)等優(yōu)點。因此，本文對于超粒徑顆粒采用等量替代法進行處理，經(jīng)過等量替代后的級配不均勻系數(shù)Cu＝40.60，曲率系數(shù)Cc＝1.85，由此表明采用等量替代法后碎石土級配良好。

等量替代法[7～9]計算公式如下：

式中：Pi為等量替代后某粒徑組含量；P5為大于5mm的粗粒土含量；Pdmax為大于60mm的超粒徑顆粒含量；Poi為初始級配某粒徑組含量；所有含量均用%表示。

1.3 試樣制備

根據(jù)剪切盒尺寸、含水率、含石量等指標對土料進行配置，其中需要注意的是碎石吸水量比黏土要少，所以配置相同含水率的土樣且細粒土含量較多時，會導致土體較干。因此，為了使得配樣更加準確，本文以細粒土的含量來確定含水率，碎石的含水率統(tǒng)一按5%配置。首先將土樣烘干，按表1中各組試驗級配進行配樣（細粒土按設(shè)計含水率配置，碎石按5%配置），然后將土樣用塑料薄膜密封以防止水分蒸發(fā)，并靜置8h以上使土體與水分充分接觸。將配備好的土樣分4次裝入剪切盒中，填入一定重量的土，通過錘擊承壓板來夯實土樣，使每層壓實后高度為10cm。最后在承壓板上放置垂直千斤頂，施加一定的法向壓力，開始固結(jié)土樣，固結(jié)時間不少于30min。試樣粒徑組成如表1所示。

表1 試樣粒徑組成

1.4 試驗方案

為了探討在不同含水率及含石量條件下碎石土的抗剪強度及其指標的的變化規(guī)律和制樣方便，不同含水率條件下保持含石量為0%（含石量越高，擊實越困難）；不同含石量條件下保持含水率為14%（在最優(yōu)含水率條件下?lián)魧嵏菀祝?，試樣共?6個。然后在200kPa、300kPa、400kPa、600kPa 的法向應力作用下進行大型直剪試驗。其中，剪切速度為1mm/min，數(shù)據(jù)是自動采集。具體試驗方案如表2所示。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 含石量對剪應力-位移曲線的影響

根據(jù)直剪數(shù)據(jù)繪制碎石土的剪應力-位移曲線圖，其基本特征大致可以分為3類，即含石量為0%，不同含水率的碎石土為一類；含水率為14%，含石量為10%～50%的碎石土為一類；含水率為14%，含石量為70%為一類。綜上可知，不同含石量條件下碎石土的剪應力-位移關(guān)系曲線完全可以代表這3類曲線。因此，選取含水率為14%，含石量分別為0%、50%和70%的曲線圖（圖1）作為本文的分析對象。

表2 試驗方案

由圖 1（a）可知，在試驗初期（位移為 0～7mm），剪應力和剪位移直剪呈正比的線性關(guān)系，隨后（位移為7～40mm），隨著剪應力的增加，這一正比線性關(guān)系被打破，逐漸向非線性轉(zhuǎn)換，但在這個過程中剪切應力和剪位移均是逐漸增大的，一段時間后（位移大于40mm），剪切位移仍然在逐漸增加，而剪應力基本保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。由此表明，當剪位移在0～35mm之間時，碎石土自身抵抗變形的能力較大；而當剪位移大于40mm時，碎石土在剪應力基本穩(wěn)定的情況下變形還能繼續(xù)，表現(xiàn)出較強的變形適應能力。

由圖1（b）可知，當含石量為50%時，碎石土的剪應力-位移曲線非線性應變硬化特征較為明顯，由此也表明了含石量較大時，碎石土自身抵抗變形能力得到一定加強；由于碎石土內(nèi)部塊石之間產(chǎn)生了咬合摩擦作用，使得其剪應力較含石量為0%時顯著增加；此外，由于在剪切過程中部分碎石會被壓碎，導致其剪應力-位移曲線出現(xiàn)跌幅現(xiàn)象。

由圖1（c）可知，與前兩類曲線不同，當含石量為70%時，碎石土的剪應力-位移曲線呈現(xiàn)出輕微的應變軟化現(xiàn)象，這是由于作為膠結(jié)碎石的土體結(jié)構(gòu)（本文的土體結(jié)構(gòu)為粉質(zhì)黏土）即使在達到屈服狀態(tài)發(fā)生破壞，但很快又和碎石塊重新組合形成交錯結(jié)構(gòu)，使得碎石土的整體結(jié)構(gòu)性仍未完全喪失，碎石土仍具有一定的強度，因此，會出現(xiàn)輕微的應變軟化現(xiàn)象。此外，同含石量為50%的曲線圖一樣，當含石量為70%時，其剪應力-位移曲線也出現(xiàn)了跌幅現(xiàn)象。

2.2 抗剪強度分析

圖2為碎石土在不同法向應力條件下其抗剪強度與含水率的關(guān)系曲線，由圖2可知，碎石土的抗剪強度與含水率成反比關(guān)系。當含水率在10%～14%時，碎石土的抗剪強度下降速率較慢，但在14%～18%時，下降速率明顯加快。圖3為碎石土在不同法向應力條件下其抗剪強度與含石量的關(guān)系曲線，由圖3可知，碎石土的抗剪強度與含石量成正比關(guān)系。其抗剪強度總體趨勢為快速-緩慢-快速-緩慢增加。此外，圖2、圖3的共同特點是相對于低法向應力而言，高法向應力作用下碎石土的抗剪強度會更大。綜上可知，含水率的增加對碎石土的抗剪強度產(chǎn)生削弱作用，而含石量和法向應力的增加對碎石土的抗剪強度產(chǎn)生強化作用。

圖1 碎石土的應力-位移曲線

圖2 含水率與抗剪強度的關(guān)系

2.3 抗剪強度指標分析

2.3.1 含水率與碎石土粘聚力和內(nèi)摩擦角的關(guān)系

圖4為碎石土的內(nèi)摩擦角、粘聚力與含水率之間的關(guān)系曲線。由圖4可知，碎石土的粘聚力在含水率為10%～14%時下降速率較慢，而在14%過后下降速率顯著加快。其原因是由于碎石土的粘聚力主要是由土粒之間的相互吸引、顆粒間的膠結(jié)及水膜連結(jié)等共同發(fā)揮作用的，其中，顆粒間水膜連結(jié)作用是發(fā)揮土體粘聚力的主要作用之一[10]。當碎石土含水率增幅不大時，結(jié)合水水膜在土粒表面的厚度、水的粘滯性、自由水比例的變化不明顯，而當含水率增加到一定程度時，此時結(jié)合水膜在土粒表面的厚度增值較大、水的粘滯性削弱較多、自由水比例大幅度增加，使得碎石土中細粒土軟化粘在粗粒土表面，潤滑了顆粒表面，從而降低了顆粒之間的摩阻力。因此，碎石土的粘聚力會出現(xiàn)先緩慢降低后迅速降低的現(xiàn)象。

圖4 粘聚力、內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系

圖3 含石量與抗剪強度的關(guān)系

碎石土的內(nèi)摩擦角在含水率為10%～16%時，下降速率較快，當含水率超過16%時，其下降速率較慢。其原因是粘附在土顆粒表面的水膜增厚，促使顆粒間的摩擦系數(shù)減小，導致內(nèi)摩擦角隨含水率的增加而降低。而當含水率超過16%時，由于含水率較高的土樣在剪切過程中易被壓縮導致干密度變大及土樣中的水被壓出，使得此時內(nèi)摩擦角減小速率變慢。由圖3可知，碎石土的粘聚力由76.34kPa下降到21.25kPa，內(nèi)摩擦角由 24.56°下降到 18.02°，降幅分別為 72.16%和26.63%。由此表明，含水率對碎石土的粘聚力的弱化效果相比于內(nèi)摩擦角更加顯著。

2.3.2 含石量與碎石土粘聚力和內(nèi)摩擦角的關(guān)系

圖5為碎石土的內(nèi)摩擦角、粘聚力與含石量之間的關(guān)系曲線。由圖5可知，隨著含石量的增加，碎石土的粘聚力呈現(xiàn)先減小后增加再減小的趨勢。眾所周知，含石量的增加會引起土體密度增大，使得土體粘聚力值會有所增加，而隨著細粒土含量的減少，粘聚力值會有所減小，而碎石土包含了這兩種特性[11]。因此，當含石量低于10%時，細粒土含量減少使得碎石土的粘聚力降低的值比土體密度增加使得碎石土的粘聚力增加的值大，因此在這個階段碎石土的粘聚力會有所下降；而當含石量在10%～50%時，與前面的情況恰好相反，因此在這個階段碎石土的粘聚力有所上升；當含石量在50%～70%時，由于此時碎石土中黏土含量太小以至于不能充分發(fā)揮膠結(jié)作用，因此這個階段碎石土的粘聚力再次下降。

圖5 粘聚力、內(nèi)摩擦角與含石量的關(guān)系

碎石土的內(nèi)摩擦角隨著含石量的增加而增加，這是由于隨著含石量的增加，土體中碎石與碎石之間的間距逐漸減小并發(fā)生相互作用，使得碎石之間的咬合摩擦效果加強。此外，根據(jù)2.2節(jié)分析可知，隨著含石量的增加，碎石土的抗剪強度逐漸增加。因此，還可以根據(jù)庫倫定理來解釋。當含石量在10%～50%之間時，即使粘聚力有所上升，但是這個階段碎石土的抗剪強度增值大于粘聚力增值，所以此時內(nèi)摩擦角也是呈現(xiàn)上升趨勢；當含石量在0%～10%和50%～70%之間時，由于粘聚力下降，使得內(nèi)摩擦角有所增加，尤其是當含石量在0%～10%之間時，粘聚力下降速率較快，因此內(nèi)摩擦角相應上升速率較快。

3 結(jié)語

以江西某庫區(qū)岸坡碎石土填料為分析對象，對碎石土在不同含石量和含水率條件下的剪切強度和強度參數(shù)的變化規(guī)律進行研究，現(xiàn)得出以下結(jié)論：

（1）含石量是影響碎石土剪應力-位移曲線的主要因素。當含石量為0%時，其剪應力-位移曲線呈現(xiàn)典型的塑性破壞現(xiàn)象；當含石量在10%～50%時，曲線則開始出現(xiàn)了局部跌幅現(xiàn)象；當含石量為70%時，曲線不僅有局部跌幅現(xiàn)象，還出現(xiàn)了應力軟化現(xiàn)象。

（2）隨著含水率的增加，碎石土的抗剪強度逐漸減小，而隨著含石量的增加，碎石土的抗剪強度呈逐漸增加的趨勢，因此，存在一個最優(yōu)含水率與含石量的組合關(guān)系使得該庫區(qū)碎石土填料的抗剪強度最大。

（3）碎石土的粘聚力和內(nèi)摩擦角總體上隨著含水率的增加而降低；碎石土的粘聚力隨著含石量的增加則是呈現(xiàn)出先減小后增加再減小的趨勢，內(nèi)摩擦角隨著含石量的增加而增加。

（4）由于碎石含量的增加有利于土體的抗剪強度，因此，在庫岸水位變化的范圍內(nèi)，可以適當增加碎石的含石量以保證岸坡具有足夠的穩(wěn)定性。