粗顆粒含量對(duì)礫石土抗剪強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究

郝騰飛 ， 喻邦江

(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.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴陽(yáng) 550001)

1 引言

礫石土由于具有壓實(shí)性好、變形小、透水性好、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于壩基、路基等工程建設(shè)中?？辜魪?qiáng)度是礫石土最重要的強(qiáng)度特性之一，而粗顆粒含量又是影響礫石土抗剪強(qiáng)度最主要的因素之一，因而對(duì)其進(jìn)行深入的研究具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)影響礫石土等粗粒土抗剪強(qiáng)度的因素研究較多，且主要集中在顆粒級(jí)配、最大粒徑、干密度、含水率及剪切過(guò)程中顆粒破碎影響等方面[1-5]。粗、細(xì)顆粒的相對(duì)含量是制約土體顆粒級(jí)配及土體結(jié)構(gòu)的最主要因素，也是決定剪切過(guò)程中土體應(yīng)力場(chǎng)分布、顆粒間相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及顆粒破碎程度的內(nèi)在因素。在國(guó)內(nèi)研究中，一般采用5 mm作為粗、細(xì)料的區(qū)分粒徑[6-8]。郭慶國(guó)等人[9-12]用P5表示粒徑大于5 mm顆粒的質(zhì)量百分含量，研究發(fā)現(xiàn)粗粒料含量為30%、70%是決定粗粒土性質(zhì)的兩個(gè)特征點(diǎn)。王光進(jìn)[13]研究發(fā)現(xiàn)，隨粗顆粒含量及豎向壓力的不同，礫石土的剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出不同的軟硬化類(lèi)型。本文在前人研究的基礎(chǔ)上以5 mm作為粗顆粒粒徑劃分的標(biāo)準(zhǔn)，以P5表示粗顆粒的質(zhì)量百分含量，試驗(yàn)研究了礫石土抗剪強(qiáng)度隨粗顆粒含量變化的一般規(guī)律。

2 試驗(yàn)研究

本文選取人工制備的粒徑范圍在2～20 mm之間的石英砂巖碎石顆粒，利用改進(jìn)的應(yīng)變控制式中型直剪儀，試驗(yàn)研究了粗顆粒含量P5為30%、50%、70%、100%時(shí)，礫石土的剪切變化特征。具體試驗(yàn)過(guò)程如下：

(1) 首先利用人工制備的粒徑范圍為2～20 mm的石英砂巖碎石顆粒，配制一定顆粒級(jí)配的粗、細(xì)料(如圖1)。然后通過(guò)向粗料中添加細(xì)料的方法，分別配制成粗顆粒含量P5為30%、50%、70%、100%的4種試樣，試樣中不同粒徑顆粒的百分含量如表1所示。

圖1 一定顆粒級(jí)配的粗、細(xì)料

粒徑/ mm試樣1試樣2試樣3試樣42～570 503005～76 1014207～961014209～2018304260

(2) 將制備好的試樣逐層添加到尺寸規(guī)格為200 mm×200 mm×200 mm的剛性剪切盒中，并逐層夯實(shí)。放置好剪切盒及相關(guān)測(cè)量?jī)x器，然后分別在豎向荷載為100 kPa、200 kPa、300 kPa的條件下進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)每種粗顆粒含量的試樣各取3組分別進(jìn)行上述試驗(yàn)，觀察并記錄每一組試驗(yàn)過(guò)程中剪應(yīng)力及剪切位移的變化情況。試驗(yàn)的破壞準(zhǔn)則為水平施力裝置壓力表讀數(shù)有顯著后退或者壓力表讀數(shù)不再增大。如果壓力表讀數(shù)一直增大，即剪應(yīng)力無(wú)峰值，剪切位移至20 mm時(shí)停止試驗(yàn)。

3 剪應(yīng)力-剪位移關(guān)系曲線

粗顆粒含量不同的4種試樣，在不同豎向荷載作用下的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線如圖2(a ～ c)所示。從圖中可以看出：(1)P5含量為30%、70%的試樣，剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線有明顯的峰值出現(xiàn)，而P5含量為50%、100%時(shí)試樣的剪應(yīng)力-剪位移曲線的峰值不明顯。(2)峰值強(qiáng)度隨著豎向荷載的增大而增大，相同豎向荷載條件下，P5含量為70%時(shí)，試樣的剪切峰值強(qiáng)度最大。這主要是因?yàn)镻5含量為30%和50%時(shí)，土體的顆粒分布均較為密實(shí)，剪切過(guò)程中顆粒間的應(yīng)力分布相對(duì)均勻，顆粒很少破碎，但不同的是P5含量為30%時(shí)，細(xì)顆粒構(gòu)成了土體結(jié)構(gòu)的主體，細(xì)顆粒間相互作用形成的弱骨架結(jié)構(gòu)是抵御剪切變形的結(jié)構(gòu)主體。且由于此時(shí)顆粒粒徑的離散性相對(duì)較小，土體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性整體較好，顆粒間的位置相對(duì)固定，土體結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度發(fā)揮較好，因而具有明顯的峰值強(qiáng)度。而粗顆粒含量為50%時(shí)，粗顆粒間形成的骨架結(jié)構(gòu)是土體結(jié)構(gòu)的主體，但由于此時(shí)細(xì)顆粒仍然較多，粗顆粒間的空隙被細(xì)顆粒過(guò)分充填，導(dǎo)致粗顆粒間骨架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度相對(duì)較弱，土體結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性相對(duì)較差，在外部荷載的作用下粗顆粒容易隨著細(xì)顆粒的滑動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，顆粒間的相對(duì)位置不斷調(diào)整，因此宏觀上沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的峰值強(qiáng)度。P5含量為100%時(shí)，粗顆粒間相互直接接觸，顆粒間形成較大的空隙，土體的顆粒分布相對(duì)松散，土體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性相對(duì)較差。在外力作用下顆粒間容易形成應(yīng)力集中而產(chǎn)生顆粒破碎，使顆粒間的相對(duì)位置不斷調(diào)整，因而峰值強(qiáng)度也相對(duì)不明顯。P5含量為70%時(shí)，土體中的粗細(xì)顆粒比例適中，粗顆粒間的空隙被細(xì)顆粒有效充填，顆粒的相對(duì)位置比較固定，土體骨架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較好，因而剪切過(guò)程中土體結(jié)構(gòu)抵御外力變形的能力也較強(qiáng)，宏觀上表現(xiàn)出較大的峰值強(qiáng)度。

圖2 不同粗顆粒含量礫石土剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

4 強(qiáng)度參數(shù)特征

根據(jù)摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則，擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制強(qiáng)度破壞曲線如圖3所示?？梢钥闯?，試驗(yàn)中試樣的內(nèi)聚力均較小，土體的抗剪強(qiáng)度主要由內(nèi)摩擦角所決定；隨著粗顆粒含量的增加，內(nèi)摩擦角先逐漸增大，在P5含量為70%時(shí)達(dá)到最大，而后隨粗顆粒含量的繼續(xù)增加又出現(xiàn)減小的趨勢(shì)。這主要是由于粗顆粒含量的差異導(dǎo)致了土體顆粒組成、分布及排列的不同，進(jìn)而導(dǎo)致顆粒之間的接觸關(guān)系不同，在受到外力作用時(shí)，顆粒之間的咬合摩擦組合關(guān)系不同，因而宏觀上表現(xiàn)出不同的強(qiáng)度特征。僅從本次試驗(yàn)的結(jié)果上看，P5含量為70%時(shí)，土體中粗細(xì)顆粒組合形成的骨架結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)固，顆粒之間的咬合摩擦力較強(qiáng)，宏觀上表現(xiàn)出較大的抗剪強(qiáng)度。針對(duì)本次試驗(yàn)中礫石土試樣的黏聚力不為零的情況，認(rèn)為除了有顆粒之間咬合產(chǎn)生的表觀黏聚力之外，還存在著試驗(yàn)材料在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生顆粒破碎所產(chǎn)生的黏聚力等其它因素的共同影響所致。

圖3 不同粗顆粒含量的強(qiáng)度包絡(luò)線曲線圖

5 結(jié)論

本文通過(guò)設(shè)計(jì)改進(jìn)的直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)研究了不同粗顆粒含量礫石土剪切過(guò)程中的強(qiáng)度-變形特征，通過(guò)分析試驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：粗顆粒含量的多少對(duì)礫石土的抗剪強(qiáng)度有重要影響，粗顆粒含量在70%附近時(shí)，礫石土土體顆粒間的內(nèi)摩擦角最大，土體的抗剪強(qiáng)度最大。