一種通過粒徑替換預(yù)測碎石土抗剪強(qiáng)度的方法研究

彭 濤

(湖南聯(lián)智科技股份有限公司, 湖南 長沙 410200)

0 引言

《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTG C20—2011)對碎石土的定義為：粒徑大于2 mm的顆粒質(zhì)量超過總質(zhì)量50%的土。在公路建設(shè)過程中，換填、開挖、爆破都可能產(chǎn)生大量的碎石土棄方，堆積成為棄渣場。對棄渣場進(jìn)行穩(wěn)定性評估往往需要獲取棄渣的抗剪強(qiáng)度，如缺少可靠的經(jīng)驗(yàn)值，則需要通過取樣并開展直剪或三軸剪切試驗(yàn)來獲取。然而任何尺寸的試驗(yàn)儀器都有最大粒徑適用范圍，棄渣場碎石土往往顆粒較大，需要制備大型試樣，并使用大型直剪或三軸剪切設(shè)備對碎石土進(jìn)行試驗(yàn)，有關(guān)報(bào)道可見文獻(xiàn)[1-4]。尺寸較大的試樣意味著制樣難度、制樣成本、試驗(yàn)周期都對應(yīng)增加，在實(shí)際工程中，一般工程單位不具備相應(yīng)的試驗(yàn)條件。目前，針對上述問題有兩種粒徑替換方法來減小試樣的尺寸：①利用篩孔剔除一定范圍以外的大粒徑，并按照最大篩孔尺寸補(bǔ)充同等質(zhì)量的材料；②配置平行替換試樣，即將不適合的大粒徑范圍剔除，配置出在級(jí)配曲線上與原土級(jí)配曲線平行的試樣。方法①爭議較多，文獻(xiàn)[5]、[6]指出這種方法會(huì)低估土的抗剪強(qiáng)度。本文以湖南省某公路棄渣場碎石土為研究對象，對方法②進(jìn)行探討，即進(jìn)行級(jí)配平行替換，重制試樣，開展直剪試驗(yàn)，并將結(jié)果與已有原始碎石土試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行對比，分析替換的可行性，為公路建設(shè)中碎石土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的便捷獲取提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選擇了兩種原始土材料，其中一種為雜填碎石土(LA80)，粒徑范圍為0～80 mm，另一種為公路隧道洞渣(NG120)，最大粒徑可達(dá)120 mm。根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)[8]，定義d≤0.075 mm的顆粒為細(xì)粒。LA80的細(xì)粒含量很低，幾乎為0%，顆粒棱角較多，制備了兩種粒徑范圍的粒徑平行替換試樣，即LA30(0～30 mm)和LA5(0～5 mm)。NG細(xì)粒含量約4.8%，顆粒主要為圓形，制備了NG30(0～30 mm)、NG15(0～15 mm)和NG5(0～5 mm)3種粒徑平行替換試樣。上述各試樣的級(jí)配曲線如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)過程

采用了3種尺寸的直剪盒(30 cm×30 cm×16.5 cm、15 cm×15 cm×8.8 cm、6 cm×6 cm×3.5 cm)，根據(jù)試樣中間粒徑d50大小選擇不同尺寸的直剪盒，盡量保持所有試驗(yàn)的L/d50=10～13(L為直剪盒平面邊長)。將上述土配置至最優(yōu)含水率后，置于密封塑料袋，在直剪盒中按照一定干密度控制進(jìn)行壓實(shí)。LA5和LA30的干密度都控制在1.73 g/cm3左右，NG30、NG15、NG5的干密度都控制在2.00 g /cm3左右。隨后將試樣進(jìn)行浸水飽和。飽和后，試樣在指定的法向應(yīng)力下固結(jié)，法向應(yīng)力選擇50、100、200 kPa 3組。最后打開排水閥門，以恒定的剪切速率進(jìn)行剪切，其中LA剪切速率保持在0.10%/min，NG剪切速率保持在0.02%/min，獲取試樣的剪切應(yīng)力 — 相對水平位移曲線，其中相對水平位移等于試樣水平位移除以直剪盒平面邊長L。

a)LA系列

b) NG系列

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 LA試驗(yàn)結(jié)果分析

試樣LA5(細(xì)粒含量4%)和LA30(細(xì)粒含量2.5%)的剪切應(yīng)力 — 相對水平位移關(guān)系曲線如圖2所示，由圖可以看出，在50 kPa法向應(yīng)力下，LA5和LA30的曲線比較接近。而在100 kPa和200 kPa的法向應(yīng)力下，LA5的剪切應(yīng)力在相對水平位移小于2%時(shí)，首先顯著增長，然后增長速率放緩直至趨于恒定(相對水平位移達(dá)到10%～12%時(shí))；LA30的剪切應(yīng)力增長規(guī)律與上述類似，但相對水平位移到達(dá)8%左右剪切應(yīng)力即趨于恒定。

基于Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則的LA系列試樣破壞包絡(luò)線如圖3所示，由圖可以看出，由于LA系列試樣的細(xì)粒含量很小，因此黏聚力幾乎為0，采用內(nèi)摩擦角即可以表征抗剪強(qiáng)度；原始土L80(細(xì)粒含量≈0%)的內(nèi)摩擦角為47.9°，與L5(48.4°)和L30(48.9°)的內(nèi)摩擦角都比較接近，當(dāng)法向應(yīng)力在50～200 kPa時(shí)，采用粒徑平行替換后，利用LA30和L5小試樣可以較好地預(yù)測原始碎石土的抗剪強(qiáng)度。從試驗(yàn)結(jié)果來看，當(dāng)細(xì)含量較低時(shí)，粒徑平行替換是可行的。

對于LA系列，原始土LA80的內(nèi)摩擦角主要是由粗顆粒間的相互咬合、嵌固所決定的；LA30和LA5的細(xì)粒含量分別為2.5%和4.0%，盡管進(jìn)行了粒徑平行替換，但是細(xì)粒含量仍然較低，細(xì)粒的摻入并未導(dǎo)致土的內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生較大改變，因此粒徑整體減小后，試樣的內(nèi)摩擦角與原始土的內(nèi)摩擦角仍較為接近，預(yù)測效果較好。

圖2 LA30和LA5的剪切曲線

圖3 LA系列試樣的破壞包絡(luò)線

2.2 NG試驗(yàn)結(jié)果分析

圖4為NG30和NG5在相同干密度(2.0 g/cm3)下的剪切應(yīng)力 — 相對水平位移關(guān)系曲線，兩者的細(xì)粒含量分別為15%和22.5%。由圖可以看出重制土NG5在剪切過程中呈現(xiàn)出峰值強(qiáng)度(最大剪切應(yīng)力)和殘余強(qiáng)度，峰值強(qiáng)度出現(xiàn)于相對水平位移1%～2%，殘余強(qiáng)度出現(xiàn)于相對水平位移6 %～ 8%。與NG5相比，NG30的剪切應(yīng)力 — 相對水平位移關(guān)系曲線沒有出現(xiàn)峰值，而NG30的最大剪切應(yīng)力值位于NG5峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度之間。法向應(yīng)力越大，NG30的最大剪切應(yīng)力越接近NG5的峰值強(qiáng)度，兩者的差異在法向應(yīng)力50 kPa時(shí)為24%，在法向應(yīng)力200 kPa時(shí)僅為4%。

圖4 NG30和NG5的剪切曲線

基于Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則的NG系列試樣破壞包絡(luò)線如圖5所示，原始土NG120的內(nèi)摩擦角為41.0°，黏聚力為4.6 kPa；由圖可以看出，NG5、NG15、NG30 3組試樣的內(nèi)摩擦角都與原始碎石土接近，NG15的內(nèi)摩擦角比NG30高出1.2°，NG5的內(nèi)摩擦角比NG30低1.6°。由此可見，3個(gè)NG重制土試樣在相同干密度(2.0 g /cm3)下進(jìn)行直剪試驗(yàn)，彼此的內(nèi)摩擦角與原始土的內(nèi)摩擦角都較為接近，預(yù)測效果較好；但是，其黏聚力都與原始土的黏聚力(4.6 kPa)偏差較大，且離散性明顯，其中NG5的黏聚力比NG30高出近一倍。

圖5 NG系列試樣的破壞包絡(luò)線

由于NG系列平行替換試樣的細(xì)粒含量都超過15%，相較原始土，內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生變化，粗顆粒不再完全相互接觸，粒徑整體減小后重制土試樣的黏聚力遠(yuǎn)高于原始土的黏聚力，從而會(huì)對抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生過高的估計(jì)。圖6為NG系列重制土試樣黏聚力與細(xì)粒含量的關(guān)系曲線，根據(jù)該關(guān)系曲線推算，原始土(細(xì)粒含量4.8%左右)的黏聚力預(yù)測值為3.8 kPa左右，與實(shí)際值4.6 kPa更加接近。因此，直接采用重制土的黏聚力試驗(yàn)結(jié)果預(yù)測原始土的黏聚力具有很大的誤差，但利用關(guān)系曲線進(jìn)行的間接預(yù)測效果較好。

圖6 NG系列重制土試樣黏聚力與細(xì)粒含量的關(guān)系

3 結(jié)論

本研究嘗試?yán)闷叫刑鎿Q和整體縮小粒徑的方法，重制試驗(yàn)用土，達(dá)到僅利用較小試樣預(yù)測碎石土抗剪強(qiáng)度目的，得到如下結(jié)論：

1) 當(dāng)粒徑平行替換后重制土試樣細(xì)粒含量較小時(shí)，重制土與原始土的內(nèi)摩擦角較為接近，由于此時(shí)黏聚力幾乎為0，對重制土進(jìn)行直剪試驗(yàn)即可較好地預(yù)測原始碎石土的抗剪強(qiáng)度。

2) 當(dāng)粒徑平行替換后重制土試樣細(xì)粒含量較高(>15%)時(shí)，相對于原始土，重制土的內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，盡管內(nèi)摩擦角預(yù)測效果較好，但是黏聚力與原始土的偏差較大，直接采用重制土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果預(yù)測原始土的抗剪強(qiáng)度不可行。

3) 當(dāng)出現(xiàn)結(jié)論(2)中所述問題時(shí)，配置多組平行替換重制土試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，建立黏聚力與細(xì)粒含量的關(guān)系曲線，再利用關(guān)系曲線推算原始土的黏聚力，可以達(dá)到較好的黏聚力預(yù)測效果。

4) 平行替換方法成立的前提是顆粒自身的形狀、強(qiáng)度不會(huì)隨著粒徑的改變發(fā)生強(qiáng)烈變化，相關(guān)研究工作還有待后續(xù)進(jìn)一步開展。