原生結(jié)構(gòu)對(duì)天然粗粒土抗剪強(qiáng)度的影響研究

魏玉峰 ，符文熹

(1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059；2. 四川大學(xué) 水力學(xué)及山區(qū)河流保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 水利水電學(xué)院，成都 610065；)

天然粗粒土是普遍沉積于地球表部的一種松散類(lèi)物質(zhì)，在人類(lèi)集中活動(dòng)的階地、平原、盆地和河谷等區(qū)域，分布尤其廣泛。根據(jù)相關(guān)行業(yè)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，粗粒土是指粒徑在0.075～60 mm之間的土粒占50%以上的土體。相對(duì)細(xì)粒土(如粘性土)來(lái)講，粗粒土具有承載力大、抗變形能力強(qiáng)、抗剪強(qiáng)度高等良好的力學(xué)特性，以及良好的壓實(shí)性能和滲透性能。因此，該類(lèi)土常作為建筑物的天然地基或填方工程的填料，成為人類(lèi)工程活動(dòng)直接面對(duì)、利用的對(duì)象。

土體結(jié)構(gòu)是指反映土體骨架效應(yīng)的顆粒形狀、分布及相互間的作用，是決定土體物理力學(xué)屬性的內(nèi)在因素[1]。土體結(jié)構(gòu)性研究在土力學(xué)學(xué)科發(fā)展中具有獨(dú)特且重要的地位，沈珠江[2]院士認(rèn)為這是“21世紀(jì)土力學(xué)的核心問(wèn)題”，周萃英[3]教授也指出“土體結(jié)構(gòu)性是土力學(xué)研究中的前沿課題之一”。早期研究大多限于細(xì)粒土方面[4]。近年來(lái)，學(xué)術(shù)界也逐漸關(guān)注粗粒土結(jié)構(gòu)特性對(duì)抗剪強(qiáng)度性質(zhì)的影響[5]，在結(jié)構(gòu)破壞后剪切過(guò)程中的顆粒運(yùn)動(dòng)、接觸、破碎等物理現(xiàn)象和力學(xué)機(jī)制方面取得了豐富的成果[6-9]。受沉積環(huán)境影響，歷經(jīng)漫長(zhǎng)地質(zhì)作用形成的天然土體都具有其獨(dú)特的原生結(jié)構(gòu)特性[10]，在未受擾動(dòng)的條件下多能長(zhǎng)久保持。但這種天然的結(jié)構(gòu)特性是否對(duì)土體抗剪強(qiáng)度有影響？影響的程度如何？這一問(wèn)題值得深入研究。本文在通過(guò)不同方法強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果的比較，對(duì)天然粗粒土原生結(jié)構(gòu)對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響進(jìn)行了簡(jiǎn)單的討論和分析。

1 天然粗粒土抗剪強(qiáng)度的原生結(jié)構(gòu)特性

Micthell[11]給出的描述土體抗剪強(qiáng)度方程得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)可：

τ=f(e,φ,C,σ′,c′,H,T,ε,ε′,S)

(1)

式中,τ為剪切阻力，e為孔隙比，φ為內(nèi)摩擦角，C為成分，σ′為有效應(yīng)力，c′為有效內(nèi)聚力，H為應(yīng)力歷史，T為溫度，ε為應(yīng)變，ε′為應(yīng)變速率，S為土的結(jié)構(gòu)。

式(1)描述了土的抗剪強(qiáng)度τ是多因素集合體的復(fù)雜函數(shù)。值得注意的是，盡管式中所列變量并未完全包括所有影響抗剪強(qiáng)度的因素，但土的結(jié)構(gòu)性位列其中，表明在Micthell看來(lái)，土的結(jié)構(gòu)性是影響抗剪強(qiáng)度的重要因素。

作者前期在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展過(guò)較多粗粒土的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，河流階地原位礫石土顆粒之間無(wú)膠結(jié)(圖1a)，密度為2.21 g/cm3，將開(kāi)挖礫石土料松鋪一定厚度，通過(guò)靜力碾壓將密度嚴(yán)格恢復(fù)到天然狀態(tài)(圖1b)，然后開(kāi)展原位抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果顯示(圖1c)，物質(zhì)組成和密度相同的兩種狀態(tài)土體，強(qiáng)度參數(shù)卻出現(xiàn)明顯差異，多組試驗(yàn)均具有相同規(guī)律，可排除試驗(yàn)誤差影響。

圖1 原生結(jié)構(gòu)與擾動(dòng)土強(qiáng)度試驗(yàn)

在成分、級(jí)配、密度、試驗(yàn)方法和試驗(yàn)條件均相同的情況下，兩種土體最直接的差別即是松鋪碾壓的土體破壞了沉積過(guò)程中形成的原生結(jié)構(gòu)。顯然，需引起重視的是：天然粗粒土原生結(jié)構(gòu)性對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度有著直接、明顯的影響。

2 原生結(jié)構(gòu)對(duì)天然粗粒土抗剪強(qiáng)度的影響程度

為了定量評(píng)價(jià)天然粗粒土原生結(jié)構(gòu)性對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，分別將現(xiàn)場(chǎng)原位大剪試驗(yàn)和室內(nèi)等效密度試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

室內(nèi)等效密度試驗(yàn)的基本原理基于如下考慮：對(duì)于散體狀天然粗粒土，在保持物質(zhì)成份、粒徑組成、含水程度、磨圓及分選特征等因素相同的條件下，恢復(fù)天然狀態(tài)下的密度和圍壓應(yīng)力狀態(tài)，開(kāi)展室內(nèi)三軸試驗(yàn)。試驗(yàn)使用的粗粒土大型三軸試驗(yàn)機(jī)，由裝樣筒、實(shí)驗(yàn)艙、應(yīng)力控制室、體積測(cè)量?jī)x等設(shè)備組成，具體試驗(yàn)過(guò)程如下：

(1) 將現(xiàn)場(chǎng)完成原位直剪試驗(yàn)后的試樣運(yùn)回，在裝樣筒內(nèi)恢復(fù)散粒體天然狀態(tài)下的密度。裝樣筒直徑為30 cm，高為60 cm，根據(jù)裝樣筒體積及粗粒土的密度范圍，每組試樣取樣的質(zhì)量應(yīng)在70～100 kg。

(2) 室內(nèi)測(cè)試試樣的含水率，對(duì)比搬運(yùn)過(guò)程含水率的變化，并按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的含水率結(jié)果，配置試樣的含水率(圖2a)。

(3) 根據(jù)裝樣筒體積，計(jì)算恢復(fù)至天然密度情況下所需要的試樣質(zhì)量，對(duì)配置好的試樣進(jìn)行稱(chēng)重(圖2b)。

(4) 將稱(chēng)好的試樣，在裝樣筒內(nèi)振搗、壓密，直至密度指標(biāo)達(dá)到需要恢復(fù)的量值，為保證均勻壓密，裝樣過(guò)程中分3～4層松鋪，按體積壓密完成后再進(jìn)行下一層的壓密(圖2c、圖2d)。

圖2 等效密度三軸試驗(yàn)制樣過(guò)程

本次研究完成了2組粗粒土等效密度下的強(qiáng)度試驗(yàn)，試樣編號(hào)分別為GS1和GS2，恢復(fù)密度至現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的1.96 g/cm3和2.01 g/cm3。通過(guò)等效密度試驗(yàn)，獲得不同圍壓狀態(tài)下的軸向應(yīng)力，以軸向應(yīng)力σ1為縱坐標(biāo)，圍壓σ3為橫坐標(biāo)，將實(shí)驗(yàn)點(diǎn)繪制在直角坐標(biāo)系中，用圖解法繪制最佳關(guān)系曲線，見(jiàn)圖3。

最佳關(guān)系曲線為直線，可根據(jù)等式(2)和(3)直接求內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦角φ值：

(2)

(3)

式中,C為巖石的內(nèi)聚力，kPa；φ為巖石的內(nèi)摩擦角(°)；σc為最佳關(guān)系曲線在縱坐標(biāo)上的截距，MPa；m為最佳關(guān)系曲線的斜率。

恢復(fù)至相同密度條件下，等效密度方法獲得的試驗(yàn)結(jié)果與原狀樣直剪試驗(yàn)結(jié)果列于表1。

圖3 等效密度強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比分析原位直剪試驗(yàn)與等效密度試驗(yàn)兩種方法的試驗(yàn)結(jié)果，原位直剪試驗(yàn)獲得的內(nèi)摩擦角均大于等效密度試驗(yàn)獲得的內(nèi)摩擦角，量值相差了1.71°～2.55°。兩種試驗(yàn)方法的內(nèi)聚力量值較為離散，這是因?yàn)槿绻抢硐氲纳⒘ｓw材料，內(nèi)聚力的量值應(yīng)該是0，無(wú)粘結(jié)粗粒土的內(nèi)聚力在抗剪強(qiáng)度中所起的貢獻(xiàn)也應(yīng)該很小，但由于受粗粒土顆粒的均勻性等因素影響，因粒間互相嵌入所產(chǎn)生的摩阻力隨機(jī)性較大，其量值在兩種試驗(yàn)方法中并未體現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。上述兩種試驗(yàn)方法，保持了試驗(yàn)對(duì)象物質(zhì)成份、粒徑、含水量、磨圓及分選等多個(gè)因素的一致性，所改變的主要是等效密度試驗(yàn)破壞了天然粗粒土原生的結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)結(jié)果也是原生結(jié)構(gòu)對(duì)抗剪強(qiáng)度影響的直接反映，僅從兩組試驗(yàn)結(jié)果上看，原生結(jié)構(gòu)對(duì)抗剪強(qiáng)度內(nèi)摩擦角的影響程度在量值的5%左右。需要說(shuō)明的是，評(píng)價(jià)原生結(jié)構(gòu)對(duì)抗剪強(qiáng)度內(nèi)摩擦角的影響程度，需要多組試驗(yàn)的數(shù)據(jù)支撐才更為準(zhǔn)確，本文所提出的“5%”這一量值有待通過(guò)更多的試驗(yàn)進(jìn)行校核。

3 結(jié)論

本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)和室內(nèi)等效密度試驗(yàn)，對(duì)天然粗粒土原生結(jié)構(gòu)對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響進(jìn)行了分析。不同方法試驗(yàn)結(jié)果表明，天然

粗粒土在原位結(jié)構(gòu)破壞、重構(gòu)后內(nèi)摩擦角量值減小了1.71°～2.55°，表明原生結(jié)構(gòu)對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度具有直接的影響。

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