含石量對(duì)碎石土工程特性的影響試驗(yàn)研究

王春得，沈秋武，吳　銳，付　敏，楊呈剛

( 1．甘肅中建市政工程勘察設(shè)計(jì)研究院，甘肅蘭州　730000; 2．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北武漢　430074)

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含石量對(duì)碎石土工程特性的影響試驗(yàn)研究

王春得1，沈秋武1，吳銳2，付敏2，楊呈剛2

( 1．甘肅中建市政工程勘察設(shè)計(jì)研究院，甘肅蘭州730000; 2．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北武漢430074)

摘要:以田師府—桓仁客運(yùn)專線大前石嶺隧道邊坡碎石土為研究對(duì)象，在通過室內(nèi)常規(guī)物理力學(xué)試驗(yàn)獲得該碎石土的基本物理性質(zhì)的基礎(chǔ)上，采用大型直剪儀對(duì)三組不同含石量的碎石土重塑樣進(jìn)行了剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:隨著含石量的增加，抗剪強(qiáng)度增大;內(nèi)摩擦角隨著含石量的增加而增大，含石量為30%～50%時(shí)增幅較快，含石量超過50%后，增幅較慢且呈現(xiàn)逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì);黏聚力隨著含石量的增大先略微下降后急劇上升，在含石量為50%時(shí)最低，而后又急劇升高。碎石土的抗剪特性不同于一般巖土體，含石量對(duì)碎石土的抗剪強(qiáng)度影響很大。

關(guān)鍵詞:碎石土含石量大型直剪試驗(yàn)抗剪特性抗剪強(qiáng)度

隨著現(xiàn)代工程的大規(guī)模建設(shè)及當(dāng)代巖土力學(xué)的發(fā)展，土石混合體作為一種特殊的巖土體介質(zhì)越來越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注［1-2］。土石混合體是復(fù)雜自然環(huán)境條件下的綜合產(chǎn)物，成因及結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，具有明顯的不規(guī)則性、不確定性并處于動(dòng)態(tài)的不可逆演化之中，是由強(qiáng)度較高且具有一定尺寸規(guī)模的巖塊、相對(duì)軟弱的土體及內(nèi)部孔隙等所構(gòu)成的多相體系［3］。這種特殊的工程地質(zhì)體在我國(guó)大規(guī)模的巖土工程建設(shè)中普遍存在［4］，如邊坡工程、深基坑工程及鐵路和公路的路基、橋基等工程中，其物質(zhì)組成主要以角礫、碎石、塊石形成骨架，砂土、黏土等作為填充物［5］。對(duì)于這種由于自然環(huán)境變化而形成的多相地質(zhì)體，在實(shí)際工程中通常視為一種特殊的土體，如《巖土工程勘察規(guī)范》［6］、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》［7］以及其他規(guī)范中均將其稱之為碎石土。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究表明［8-15］:含石量對(duì)碎石土的工程力學(xué)特性具有重要的影響，碎石土的變形破壞發(fā)展特征受其內(nèi)部含石量控制，進(jìn)而影響著碎石土宏觀的物理力學(xué)性質(zhì)。當(dāng)碎石土中的含石量超過某一臨界值時(shí)，其抗剪強(qiáng)度往往會(huì)隨著含石量的增加而增大，而其中塊石與細(xì)粒土體之間的接觸部位往往構(gòu)成碎石土中的軟弱帶。

近期動(dòng)工興建的田師府—桓仁客運(yùn)專線大前石嶺隧道進(jìn)口段開挖形成人工邊坡，自然坡度約22. 5°，地勢(shì)起伏，大部分為植被覆蓋，少部分為裸露巖堆，巖堆中石塊主要為石英砂巖，石塊直徑為0. 3～1. 2 m，呈塊石土、角礫土及碎石土狀，縫隙多充填黏性土。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、鉆探及物探結(jié)果，厚度為26. 3～48. 4 m，巖堆結(jié)構(gòu)松散，空隙度大，植被發(fā)育地區(qū)巖塊間充填細(xì)顆粒，局部具有軟弱的黏結(jié)，巖堆下部基巖為弱風(fēng)化石英砂巖。邊坡一旦失穩(wěn)將嚴(yán)重威脅鐵路運(yùn)營(yíng)及人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

由于大前石嶺隧道邊坡碎石土中粗顆粒含量較多，當(dāng)粗顆粒含量組成不同時(shí)，其性質(zhì)差別甚大，進(jìn)行常規(guī)的直剪試驗(yàn)已不能滿足對(duì)其力學(xué)性質(zhì)的完整研究。為此，本文以大前石嶺邊坡碎石土為研究對(duì)象，通過室內(nèi)常規(guī)物理力學(xué)試驗(yàn)及室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)對(duì)該碎石土的基本物理性質(zhì)、剪切特性及其抗剪強(qiáng)度參數(shù)與含石量間的變化規(guī)律等進(jìn)行研究，從而為該邊坡后期的穩(wěn)定性分析和防治提供可靠的巖土參數(shù)。

1　試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)采用微機(jī)控制電液伺服1 000 kN大型直剪儀。該儀器主要由承載機(jī)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(zhǎng)×寬×高為500 mm× 500 mm×400 mm，上、下剪切盒之間通過軸承及滾珠連接，以減小剪切盒之間的摩擦，見圖1。

2　大型直剪試驗(yàn)

2. 1試驗(yàn)方案

配制含石量分別為30%，50%，68. 53%的3組重塑土樣，每組土樣天然含水率均配置為9. 05%，然后在4個(gè)不同法向應(yīng)力作用下采用室內(nèi)大型直剪儀進(jìn)行剪切，一共進(jìn)行12個(gè)土樣的剪切試驗(yàn)。

圖1大型直剪儀

根據(jù)天然級(jí)配配制試樣時(shí)，若試樣中含有超過允許最大粒徑的顆粒，通常對(duì)超粒徑顆粒采取剔除法、等量替代法、相似級(jí)配法、綜合法等方法進(jìn)行處理。郭慶國(guó)研究認(rèn)為決定碎石土工程特性的主要因素是顆粒組成，并將5 mm定義為粗細(xì)粒分界線。本次試驗(yàn)中將5 mm界定為土體與塊石之間的粒徑界限。試驗(yàn)所采用的大型直剪儀所允許的最大粒徑為60 mm。顆粒分析試驗(yàn)顯示，試樣中60 mm以上顆粒占全部土顆粒質(zhì)量的19. 98%，為了盡量減小粗粒土的尺寸效應(yīng)，文中采用等量替代法對(duì)粒徑＞60 mm的超粒徑顆粒按比例進(jìn)行替換處理，等量替代后級(jí)配曲線見圖2。

等量替代后級(jí)配計(jì)算公式為

式中: Pi為替代后某粒徑組含量，% ; P5為＞5 mm粗粒含量，% ; Pdmax為超粒徑顆粒含量，% ; Poi為原始級(jí)配某粒徑組含量，%。

圖2原始級(jí)配及等量替代后級(jí)配曲線

2. 2土樣的制備

首先對(duì)所取土樣進(jìn)行顆分處理，然后按照含石量從低至高的順序，進(jìn)行3組不同含石量重塑樣的配置;含石量30%土樣根據(jù)各粒徑組含量分別稱量配置，命名為土樣1;含石量50%土樣可以在土樣1的基礎(chǔ)上增加相應(yīng)粒徑組直至達(dá)到所需要的質(zhì)量比，命名為土樣2;含石量68. 53%土樣可以在土樣2的基礎(chǔ)上增加相應(yīng)粒徑組直至達(dá)到所需要的質(zhì)量比，命名為土樣3。3組土樣級(jí)配見表1。

表1 3組土樣級(jí)配

2. 3抗剪強(qiáng)度的判斷標(biāo)準(zhǔn)

采用控制重塑樣干密度的方法來制樣，以保證剪切前各試樣的密度一致。試驗(yàn)過程中，當(dāng)剪切應(yīng)力出現(xiàn)峰值時(shí)，取峰值作為其抗剪強(qiáng)度;若沒有出現(xiàn)峰值，當(dāng)剪切應(yīng)力的讀數(shù)不再增加或者緩慢增加趨近于水平，而剪切位移急劇增大，可認(rèn)為此刻擾動(dòng)土試樣已剪損，取穩(wěn)定值作為其抗剪強(qiáng)度。若沒有出現(xiàn)上述情況，則可采取應(yīng)變位移破壞判斷標(biāo)準(zhǔn)，一般取試樣直徑的1 /15～1 /10處的剪切應(yīng)力作為抗剪強(qiáng)度。本試驗(yàn)上下剪切盒相向運(yùn)動(dòng)，故當(dāng)單向水平剪切位移在16. 6～25. 0 mm時(shí)，可取相對(duì)穩(wěn)定的剪切應(yīng)力值作為其抗剪強(qiáng)度。

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

3組試樣分別在法向應(yīng)力200，300，400，600 kPa下進(jìn)行快剪試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin進(jìn)行處理后繪制出其應(yīng)力—位移曲線圖，見圖3。土樣1在法向應(yīng)力600 kPa時(shí)，儀器出現(xiàn)故障導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)不理想，故圖3( a)中缺失。

主壩樁號(hào)0+106.3～0+265.5壩段1 941.77 m高程以下心墻采用混凝土防滲墻防滲處理。防滲墻軸線位于壩軸線上游0.5 m處，頂部高程1 941.77 m，底部插入基巖內(nèi)2 m；防滲墻厚0.4m，采用低彈性模量混凝土,設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度R28=7～12MPa，設(shè)計(jì)抗?jié)B標(biāo)號(hào)S6，滲透系數(shù)K≤4×10-9cm/s，設(shè)計(jì)彈性模量Ei=12 000～20 000 MPa。共分為24個(gè)槽段，槽段長(zhǎng)6 m。

從圖3可以看出，3組重塑土樣在各級(jí)法向應(yīng)力作用下剪切時(shí)均沒有出現(xiàn)明顯的峰值強(qiáng)度，隨著水平剪切位移的增大，剪切應(yīng)力增大，應(yīng)力—位移曲線呈現(xiàn)為應(yīng)變硬化型。這是由于在剪切過程中，碎石土體內(nèi)部塊石之間產(chǎn)生了咬合和摩擦作用，塊石不僅僅發(fā)生水平方向的運(yùn)動(dòng)，也會(huì)發(fā)生垂直與剪切帶方向的運(yùn)動(dòng)，使得碎石土體在試驗(yàn)過程中隨著剪切應(yīng)力的升高由剪縮狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧裘洜顟B(tài)。在應(yīng)力—位移曲線上表現(xiàn)為由初始屈服階段(即緩和曲線段)向峰值強(qiáng)度發(fā)展。

3組重塑土樣剪切應(yīng)力—位移曲線均大體可分為3個(gè)階段:①?gòu)椥宰冃坞A段;②屈服階段，隨著含石量及法向應(yīng)力的增加，剪切應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度前的屈服階段變得愈為明顯;③應(yīng)變硬化階段，在同一法向應(yīng)力下，含石量高( 50%與68. 53% )的碎石土應(yīng)變硬化程度明顯比含石量低( 30% )的碎石土高。同種含石量下，在應(yīng)變硬化階段，低法向應(yīng)力時(shí)剪切應(yīng)力增長(zhǎng)緩慢;隨著法向應(yīng)力的增加，剪切應(yīng)力迅速增長(zhǎng)，應(yīng)變硬化階段曲線較陡，其變形破壞機(jī)制在很大程度上受到內(nèi)部含石量的影響，應(yīng)力—應(yīng)變曲線與常規(guī)的土體及巖石有很大差別。

采用Origin數(shù)據(jù)處理軟件做出不同含石量下剪切應(yīng)力—法向應(yīng)力關(guān)系曲線(圖4)，并對(duì)4種不同法向應(yīng)力下的剪切應(yīng)力進(jìn)行線性回歸擬合分析。

由圖4可見:當(dāng)含石量從30%升為50%時(shí)，碎石土的抗剪強(qiáng)度增幅較大;當(dāng)含石量從50%升為68. 53%時(shí)，碎石土的抗剪強(qiáng)度增幅略減小;含石量為68. 53%時(shí)，隨著法向應(yīng)力的增大，抗剪強(qiáng)度增大的幅度比含石量為30%時(shí)抗剪強(qiáng)度增大的幅度大。

圖3不同含石量下剪切應(yīng)力—位移關(guān)系曲線

圖4不同含石量下剪切應(yīng)力—法向應(yīng)力關(guān)系曲線

由抗剪強(qiáng)度—含石量關(guān)系曲線(圖5)可以看出:抗剪強(qiáng)度隨著含石量的增加而增大，含石量一定時(shí)碎石土的抗剪強(qiáng)度隨著法向應(yīng)力的增大而增大。

從圖6可見:

1)內(nèi)摩擦角φ隨著含石量的增加而增大，在含石量為30%～50%增幅較快，含石量超過50%以后，增幅較慢，呈逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)。這是因?yàn)?對(duì)于黏性土而言，其抗剪強(qiáng)度主要由黏聚力c貢獻(xiàn);而對(duì)于含石量較大的碎石土，其抗剪強(qiáng)度則主要由內(nèi)摩擦角φ貢獻(xiàn)。總體說來，隨著含石量的增加，土體中細(xì)粒部分不斷減少，從而引起內(nèi)摩擦角增加，黏聚力減小，即碎石土由土性轉(zhuǎn)化為石性。從細(xì)部來看，當(dāng)含石量＜30%時(shí)，塊石懸浮在主要由土體構(gòu)成的介質(zhì)中，塊石間孔隙較大，難以發(fā)生相互咬合和摩擦，土性占優(yōu)勢(shì)。當(dāng)含石量介于30%～50%時(shí)，細(xì)粒含量與含石量較為均衡，塊石要形成骨架則必須將土壓密才能形成，而土體中細(xì)粒含量又比較多，阻礙了塊石形成相對(duì)完整的骨架，致使碎石土兼?zhèn)渫列耘c石性。當(dāng)含石量＞50%時(shí)，細(xì)粒部分不足以填充碎石形成的骨架，石性占優(yōu)勢(shì)，從而表現(xiàn)出碎石的性質(zhì)，內(nèi)摩擦角φ較大。

圖5不同法向應(yīng)力下抗剪強(qiáng)度—含石量關(guān)系曲線

圖6強(qiáng)度指標(biāo)隨含石量變化曲線

2)隨著含石量的增大黏聚力c先略微下降而后急劇上升，在含石量達(dá)到50%時(shí)黏聚力最低，而后急劇升高。這個(gè)現(xiàn)象可以從土體的密實(shí)度與細(xì)粒含量的相互關(guān)系來解釋。眾所周知，隨著含石量的升高，土體密度增大，黏聚力往往會(huì)升高，而隨著細(xì)粒含量的減少，黏聚力會(huì)降低，碎石土包含了這兩種特性。當(dāng)含石量由30%增加到50%時(shí)，土體的密度逐漸增大，黏聚力增大值略小于由細(xì)粒土減少引起的黏聚力減小值，從而表現(xiàn)為c值略微地降低。隨著含石量繼續(xù)增加到68. 53%，土體的密度進(jìn)一步增大，塊石間產(chǎn)生的咬合力充分發(fā)揮作用，從而引起“假黏聚力”，即部分咬合力轉(zhuǎn)為黏聚力，使得黏聚力c值急劇增大。

4　結(jié)論

1)碎石土的抗剪特性與一般巖土體區(qū)別很大，碎石土不均勻性很明顯，兼?zhèn)渫列耘c石性。通常，在碎石土體內(nèi)細(xì)顆粒主要起到填充和膠結(jié)作用，而粗顆粒主要起骨架作用，隨著碎石土體內(nèi)含石量的不同在土性與石性這二種性質(zhì)間轉(zhuǎn)變。

2)含石量在很大程度上影響著碎石土的抗剪強(qiáng)度。隨著含石量的增加，抗剪強(qiáng)度增大。內(nèi)摩擦角隨著含石量的增加而增大，在含石量為30%～50%時(shí)增幅較快，含石量超過50%后，增幅較慢漸趨穩(wěn)定;黏聚力隨著含石量的增大先略微下降而后急劇上升，在含石量達(dá)到50%時(shí)最低，而后急劇升高。

3)不同含石量下碎石土重塑樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線均沒有出現(xiàn)明顯的峰值強(qiáng)度，表現(xiàn)為彈性變形階段、屈服階段和應(yīng)變硬化階段3個(gè)階段。隨著含石量的增加，屈服階段愈為明顯;在同一法向應(yīng)力下，含石量高的碎石土樣應(yīng)變硬化程度明顯比含石量低的碎石土樣高。碎石土變形破壞程度在很大程度上受到其含石量的影響。

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(責(zé)任審編葛全紅)

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《鐵道建筑》編輯部

Experimental study on effect of stone content on engineering performance of crushed stone soil

WANG Chunde1，SHEN Qiuwu1，WU Rui2，F(xiàn)U Min2，YANG Chenggang2

( 1．Gansu CSCEC Municipal Engineering Investigation and Design Institute，Lanzhou Gansu 730000，China; 2．Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan Hubei 430074，China)

Abstract:T he research objective is the crushed stone soil in the slope of Daqianshiling T unnel in the T ianshifu-Huanren passenger dedicated railway．T he basic physical properties of crushed stone soil were tested in lab．T he shear test of three groups sample with different stone content was conducted by using the indoor large direct shear tests．T he test results show that shear strength increases with the stone content．T he internal friction angle increases as the stone content goes up; in particular，the increase rate is the largest when the stone content is 30% through 50%，and then the rate decreases gradually．As the stone content increases，the cohesion initially decreases slightly，then drastically increases．T he cohesion reaches its lowest and then rises up drastically．T he shear performance of the crushed stone soil is different from other soil，and the stone content has a significant effect on the shear strength．

Key words:Crushed stone soil; Stone content; Large direct shear test; Shear characteristics; Shear strength

文章編號(hào):1003-1995( 2016) 02-0097-05

作者簡(jiǎn)介:王春得( 1975—)，男，高級(jí)工程師。

收稿日期:2015-06-10;修回日期: 2015-12-20

中圖分類號(hào):TU411．7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．24