黏土質(zhì)礫抗剪強度特性試驗研究

周 楊，楊 帆，張陽春，杜勇軍，李生汀

(1. 貴州高速公路集團有限公司，貴州 貴陽 550004；2. 中交第四公路工程局有限公司，北京 100022；3. 交通運輸部公路科學研究院，北京 100088)

0 引言

黏土質(zhì)礫是一種由細粒黏土與粗粒礫石按一定質(zhì)量比組合而成的混合土[1]。黏土質(zhì)礫級配不連續(xù)，粗、細顆?；祀s，是一類典型的非均勻、非均質(zhì)、非連續(xù)的混合多相介質(zhì)，其力學性質(zhì)具有特殊性和復雜性?？辜魪姸茸鳛轲ね临|(zhì)礫的一個重要力學指標，反映土體抵抗剪切滑動的能力。因此，研究黏土質(zhì)礫的抗剪強度特性對合理利用黏土質(zhì)礫填筑路基，確保路基整體穩(wěn)定，具有重要意義。

黏土質(zhì)礫的抗剪強度是由細粒黏土的強度和粗粒礫石的強度共同構(gòu)成的。當?shù)[石含量超過某一臨界值時，黏土質(zhì)礫的抗剪強度將隨礫石含量的增加而增大。Patwardhan, Chang, Simoni等[2-4]進行了含礫石黏土在不同含石量下的大型直剪試驗，研究發(fā)現(xiàn)，當含石量小于40%時，含礫石黏土的抗剪強度隨含石量的增加呈現(xiàn)緩慢增大的趨勢，而當含石量超過40%時，其抗剪強度將急劇增大。李黎、董云、趙川、趙明華等[5-8]進行了礫質(zhì)黏土剪切試驗，發(fā)現(xiàn)當?shù)[石量小于40%時，黏聚力隨礫石量增加有略微上升的趨勢；礫石量在40%～50%之間時，黏聚力隨礫石量增加而急劇下降；礫石量大于50%時，黏聚力下降趨勢減緩。礫石量小于30%時，內(nèi)摩擦角增長緩慢; 礫石量在30%～50%之間時，內(nèi)摩擦角增長迅速；礫石量大于50%時，內(nèi)摩擦角增長減緩。楊繼紅等[9]通過室內(nèi)大型直剪試驗研究發(fā)現(xiàn)，當含石量小于30%時，隨含石量增加，含礫石黏土的抗剪強度變化不顯著；當含石量在30%～60%之間時，隨含石量增加，含礫石黏土的抗剪強度增大；當含石量>60%時，隨含石量增加，含礫石黏土的抗剪強度顯著提高。

已有研究成果表明[10-11]，黏土質(zhì)礫中的細粒黏土和粗粒礫石的含量對其抗剪強度特性具有控制作用，但由于黏土質(zhì)礫是一種復雜的巖土介質(zhì)，影響其抗剪強度的因素很多。因此，本研究針對貴州都安高速公路沿線具有代表性的高含水率黏土質(zhì)礫開展抗剪強度特性試驗研究，系統(tǒng)研究黏土質(zhì)礫抗剪強度特性變化規(guī)律和影響因素，為貴州都安高速公路黏土質(zhì)礫路基設(shè)計與施工提供技術(shù)支撐。

高含水率黏土質(zhì)礫是一種天然混合型填料，根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTG 3430—2020)定義為天然含水率高的細粒土及粗顆粒碎石、角礫混合體。該種土既受細粒土的特性影響，又受粗顆粒的特性影響，類似高含水率黏土經(jīng)過粗粒土及角礫天然改良。油新華[12-13]、徐文杰[14]等對土石混合體的形成開展了相關(guān)研究，研究了土石混合體的構(gòu)成比例，并根據(jù)土石比閾值對其成分進行了分類研究。金福喜等[15]對含礫粉質(zhì)黏土中粗顆粒對抗剪強度的影響進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，含礫粉質(zhì)黏土應力應變之間的變化規(guī)律呈非線性，含礫粉質(zhì)黏土的黏聚力隨最大粒徑的變化而變化，隨著最大粒徑的逐漸減小，黏聚力呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，當最大粒徑在2 mm左右時出現(xiàn)峰值;隨著最大粒徑的逐漸減小，土體內(nèi)摩擦角逐漸減小，當含礫粉質(zhì)黏土中最大粒徑小于0.5 mm時，該粒組粒徑的變化對土體的內(nèi)摩擦角基本無影響；對比三軸試驗與直剪試驗結(jié)果得出，相同級配下，直剪試驗得出的黏聚力與內(nèi)摩擦角比三軸試驗得出的結(jié)果小。陳鋮等[16]經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn)，粗粒土的力學性能與顆粒級配有關(guān)，曲率系數(shù)的數(shù)值變化能夠直接引起變形特性及其強度的變化，當密實度低時，其強度和變形性能趨弱。孫晨等[17]在離散元數(shù)值模擬的結(jié)果上，就不同粒徑土樣的離散顆粒樣品進行分析，結(jié)果顯示，對于級配良好的土樣，其峰值強度隨土樣顆粒的粒度大小而變化，這種現(xiàn)象更加顯著地表現(xiàn)在高圍壓樣本中。蔣中明等[18]對含有部分黏土細顆粒的粗粒土進行離散元數(shù)值分析，結(jié)果顯示，對于各種粒徑的土樣，最大抗剪強度隨土樣顆粒粒徑的增大而增大，這種現(xiàn)象在壓力高的樣本中更為明顯。

本研究通過水洗法將天然黏土質(zhì)礫中的粗、細顆粒分離后，重新以不同比例混合，并在不同含水率條件下對其進行系統(tǒng)的抗剪強度試驗，通過此研究，可以明確該種黏土質(zhì)礫中粗、細顆粒在抗剪強度方面各自的力學表現(xiàn)，同時也可以明確最佳的粗、細顆粒組合比例，即在粗、細顆粒以一定比例混合時，黏土質(zhì)礫的抗剪強度最大。

1 抗剪強度室內(nèi)試驗方案

本研究對都安高速公路沿線的高含水率黏土質(zhì)礫進行系統(tǒng)的室內(nèi)試驗研究，通過矩陣設(shè)計，以0.5 mm為顆粒粒徑界限，通過水洗法[18]對粗顆粒及細顆粒進行分離，分離后的粗顆粒及細顆粒在室內(nèi)自然晾曬風干后，以不同比例重新進行摻配，之后再對混合的土樣加水配備成需要的含水率試驗條件。將土樣中的粗顆粒和細顆粒分離作為對照試驗，對分離的細顆粒進行室內(nèi)試驗，明確其抗剪強度特性(含水率：16%，22%，27%，32%，37%，42%)；對分離的粗顆粒進行室內(nèi)試驗，明確其抗剪強度特性。除此之外，對不同細顆粒含量下的土樣進行抗剪強度試驗，明確其黏聚力和內(nèi)摩擦角(含水率：16%，22%，32%，分別對應細顆粒含量20%，40%，60%，80%，100%)。圖1為不同粗、細顆粒比例混合的土樣。

圖1 不同粗、細顆粒比例混合的土樣Fig.1 Soil samples with different mixing proportions of coarse and fine particles

2 試驗結(jié)果分析

2.1 細顆粒含量對抗剪強度的影響分析

圖2為不同細顆粒含量下土樣的黏聚力試驗結(jié)果，可以看出，黏土質(zhì)礫的黏聚力隨細顆粒含量的變化而變化，且變化程度隨著法向荷載的增加而提高。

圖2 不同含水率下細顆粒含量與黏聚力間的關(guān)系曲線Fig.2 Curves of fine particle content vs. cohesion under different moisture contents

當細顆粒含量在20%～30%時，黏土質(zhì)礫的黏聚力隨細顆粒含量的增加而增大，因為混合料以粗顆粒為主，因此混合料的黏聚力不因含水率的變化而出現(xiàn)較大差異。當細顆粒含量介于30%～50%之間時，黏土質(zhì)礫對應的黏聚力隨細顆粒含量的增加呈降低變化，且降低的趨勢受含水率影響較大，含水率越高，黏聚力降低越顯著。當細顆粒含量在50%～80%時，黏聚力會隨細顆粒含量的增加而增大，這種變化比較顯著的原因是黏土質(zhì)礫具有構(gòu)建骨架的充分條件，而細顆粒因為粒徑小的緣故恰好足以填滿其中的各種孔隙；此時土樣黏聚力就由粗顆粒間黏聚力、細顆粒間黏聚力、以及粗、細顆粒間的黏聚力共同控制；并且混合料黏聚力受含水率影響大，越接近最佳含水率，試件的密實度越高，黏聚力也就越大，反之含水率越高，黏聚力越小。當細顆粒含量介于80%～90%之間時，黏土質(zhì)礫對應的黏聚力隨細顆粒含量的增加呈下降趨勢，這是由于細顆粒含量持續(xù)增加，粗顆粒所起的骨架作用越來越弱，甚至粗顆粒被較多的細顆粒懸浮在混合料中，粗顆粒之間的接觸面越來越小，導致粗顆粒間的嵌擠力散失，土樣黏聚力下降。

圖3為不同細顆粒含量下土樣的內(nèi)摩擦角試驗結(jié)果。從圖中可以看出，當細顆粒含量大于20%且小于等于30%時，黏土質(zhì)礫中以粗顆粒為主，因為粗顆粒間具有較大的空隙，少量的細顆粒反而起到粗顆粒間的潤滑作用，所以隨著粗顆粒含量不斷減少，內(nèi)摩擦角隨之減小。當細顆粒含量介于30%和80%之間時，內(nèi)摩擦角呈顯著下降趨勢，但下降趨勢放緩；原因是黏土質(zhì)礫中的細顆粒含量趨向于與粗顆粒含量保持平衡，粗顆粒作為構(gòu)成骨架的基本元素，憑借逐漸擠密壓實的細顆粒來實現(xiàn)骨架構(gòu)造，但是如果細顆粒含量過高，又會阻礙粗顆粒構(gòu)成骨架；另一方面，粗顆粒也阻斷了細顆粒之間的互動連接。當細顆粒含量超過30%時，含水率高的土樣內(nèi)摩擦角波動較大。當細顆粒含量大于80%時，黏土質(zhì)礫的內(nèi)摩擦角有逐漸變大的趨勢。但當土樣完全由細顆粒組成時，內(nèi)摩擦角又下降到80%細顆粒時的同等水平。這是由于黏土質(zhì)礫中主要成分是細顆粒，粗顆粒在結(jié)構(gòu)中分散在細顆粒中，很難發(fā)揮粗顆粒的骨架結(jié)構(gòu)作用，黏土質(zhì)礫的抗剪強度特性主要受細顆粒影響。

圖3 不同含水率下土樣內(nèi)摩擦角與細顆粒含量間的關(guān)系曲線Fig.3 Curves of internal friction angle vs. fine particle content of soil samples under different moisture contents

2.2 含水率對抗剪強度的影響分析

圖4和圖5為不同含水率下土樣的抗剪強度試驗結(jié)果。從圖中可以看出，當含水率小于20%時(細顆粒處于硬塑狀態(tài))，黏聚力下降比較緩慢；含水率介于20%～26%時，黏聚力下降比較顯著；含水率大于26%時(細顆粒處于可塑狀態(tài))，黏聚力下降又變得比較緩慢。因此，黏土質(zhì)礫的抗剪強度與細顆粒所處的軟硬狀態(tài)也有關(guān)系，即與液性指數(shù)有關(guān)。當混合料含水率較高時，根據(jù)顆粒間的含水率分析，其成分主要為游離水，意味著顆粒間分子引力強度很低，使混合物處于一種可塑的狀態(tài)，隨著含水率的逐步降低，其可塑性也隨之降低。當含水率為16.6%時，土樣顆粒間的水主要以強結(jié)合水狀態(tài)存在，強結(jié)合水導致顆粒間具有很大的相互作用力，如果使土樣達到破壞狀態(tài)，必須突破強大的分子引力，土樣的破壞屬于結(jié)構(gòu)性破壞，這也是抗剪強度出現(xiàn)峰值的原因。隨著含水率的進一步增大，被破壞的土樣損失了較多的強度，抗剪強度非線性關(guān)系減小。

圖4 不同細顆粒含量下黏聚力與含水率間的關(guān)系曲線Fig.4 Curves of cohesion vs. moisture content under different fine particle contents

圖5 不同細顆粒含量下內(nèi)摩擦角與含水率間的關(guān)系曲線Fig.5 Curves of internal friction angle vs. moisture content under different fine particle contents

抗剪強度試驗結(jié)果顯示,有部分土樣的黏聚力為負值，其黏聚力的形成機制是粗、細顆粒間相互作用力的結(jié)果，一般情況下黏土的黏聚力為正值。無黏聚性土的黏聚力理論上應為0，但由于試驗誤差和土樣的不均勻性，線形擬合計算時也可能出現(xiàn)負值。另外，黏聚力為負值的土樣都為含水率顯著高于最佳含水率的試件，因此土樣結(jié)構(gòu)相對較松散，在法向應力作用下發(fā)生壓縮變形，導致剪切面的顆粒間摩擦增強，這種松散土在快剪試驗時有可能會出現(xiàn)負值的情況。

2.3 顆粒配比、含水率與抗剪強度的統(tǒng)計學關(guān)系

為了明確含水率和細顆粒含量對黏土質(zhì)礫抗剪強度的影響，本研究分別設(shè)黏聚力、內(nèi)摩擦角、抗剪強度為因變量，含水率及細顆粒含量為自變量，進行統(tǒng)計學分析，擬合關(guān)系方程為：

c=36.13-1.62·w+0.25·F，

(1)

φ=20.13-0.09·w-0.11·F,

(2)

式中，c為黏聚力;φ為內(nèi)摩擦角;w為含水率;F為細顆粒含量。

圖6為黏聚力實測值與擬合值之間的對比。含水率及細顆粒含量均與黏聚力有較好的統(tǒng)計學相關(guān)性，含水率及細顆粒含量與黏聚力的統(tǒng)計學回歸影響極為顯著(p=0.000 2，p=0.005 9，均小于0.01)，含水率及細顆粒含量對應抗剪強度的統(tǒng)計學回歸影響極為顯著(p=0.000 4，p=0.003 1，均小于0.01)。圖7為內(nèi)摩擦角實測值與擬合值之間的對比。含水率與內(nèi)摩擦角未表現(xiàn)出明顯的統(tǒng)計學相關(guān)性。細顆粒含量對應內(nèi)摩擦角的統(tǒng)計學回歸影響極為顯著(p<0.001)。p值為統(tǒng)計學中判定檢驗結(jié)果的一個參數(shù)，p值越小，表明結(jié)果越顯著。

圖6 實測黏聚力與預測黏聚力間的對比關(guān)系Fig.6 Comparison of measured cohesion with predicted cohesion

圖7 實測內(nèi)摩擦角與預測內(nèi)摩擦角間的對比關(guān)系Fig.7 Comparison of measured internal friction angle with predicted internal friction angle

含水率及細顆粒含量的變化對黏土質(zhì)礫的黏聚力具有顯著影響，且細顆粒含量的變化對黏土質(zhì)礫的內(nèi)摩擦角也具有顯著影響。無論在何種含水率狀態(tài)下，各類黏土質(zhì)礫的φ值均隨細顆粒含量的減少而增大，最小的線性相關(guān)系數(shù)R也大于0.93，說明兩者間存在良好的正相關(guān)關(guān)系。當細顆粒含量相同時，φ值不會隨著含水率的變化而有較大變化，基本保持不變。隨著土樣中粗顆粒的增多，細粒土逐漸向粗粒土過渡，φ值隨細顆粒含量的減少而增大。含水率越高時，黏土作為碎石骨架間的傳力介質(zhì)和支撐的能力就越弱，因此當細顆粒含量相同時，含水率越高，φ值越低。

3 結(jié)論

本研究針對貴州都安高速公路沿線代表性黏土質(zhì)礫開展了室內(nèi)抗剪強度特性試驗研究，分析了顆粒組成質(zhì)量比、含水率等因素對黏土質(zhì)礫抗剪強度特性的影響，揭示了黏土質(zhì)礫土石間相互作用機理。研究成果對于指導高速公路高含水率黏土質(zhì)礫路基的填筑具有重要意義，主要結(jié)論如下：

(1)黏土質(zhì)礫內(nèi)部作用力主要由3部分組成，分別是粗、細顆粒間的摩擦力、嵌擠鎖力以及黏聚力。

(2)黏土質(zhì)礫隨著粗、細顆粒組成比例的變化，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也發(fā)生相應變化。當細顆粒含量在80%～90%之間時，混合料屬于一種懸浮密實結(jié)構(gòu)，其強度主要取決于粗、細顆粒間的黏聚力和填充力；當細顆粒含量在60%～80%之間時，混合料屬于骨架密實結(jié)構(gòu)，其強度主要取決于粗顆粒骨架形成的嵌擠鎖結(jié)力和細顆粒的膠結(jié)作用力；當細顆粒含量小于60%時，混合料屬于骨架空隙結(jié)構(gòu)，其強度主要取決于粗顆粒的嵌擠作用和本身的力學特性。

(3)黏土質(zhì)礫含水率越高，細顆粒作為粗顆粒骨架間的支撐和傳力介質(zhì)的能力就越弱，反而形成一種潤滑作用，因此當顆粒成分相同時，含水率越高，抗剪強度參數(shù)值越低。

(4)通過統(tǒng)計回歸分析得出，含水率及粗、細顆粒組成比例均對抗剪強度參數(shù)值，即黏聚力及內(nèi)摩擦角有較好的統(tǒng)計學相關(guān)性。含水率及細顆粒含量的變化對黏土質(zhì)礫的黏聚力具有顯著影響，且細顆粒含量的變化對黏土質(zhì)礫的內(nèi)摩擦角影響顯著。