含石率對(duì)石英砂巖類碎石土力學(xué)特性的影響研究

彭成，鄧沛宇，范子堅(jiān)，鄧宗偉

含石率對(duì)石英砂巖類碎石土力學(xué)特性的影響研究

彭成1，鄧沛宇1，范子堅(jiān)1，鄧宗偉2

(1. 南華大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001；2. 湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 益陽(yáng) 413000)

為探究含石率對(duì)石英砂巖類碎石土力學(xué)特性的影響，以湖南益陽(yáng)某滑坡石英砂巖類碎石土為研究對(duì)象，對(duì)24組碎石土試樣在不同圍壓(100，200和300kPa)下進(jìn)行三軸力學(xué)試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：10%～30%含石率碎石土的應(yīng)力應(yīng)變曲線與正常固結(jié)土的應(yīng)力應(yīng)變曲線不同，在較高圍壓下出現(xiàn)了應(yīng)變軟化現(xiàn)象。這表明碎石的加入，會(huì)改變?cè)姓９探Y(jié)土的受力特性。該類碎石土的黏聚力隨含石率的增加基本呈下降趨勢(shì)，但摩擦角的大小則隨含石率的變化存在一定的波動(dòng)，相對(duì)來(lái)說(shuō)，中等含石率范圍內(nèi)的摩擦角相對(duì)最大。低圍壓下(100 kPa)，該類碎石土抗剪強(qiáng)度隨含石率的升高而降低，中高圍壓下(200 kPa和300 kPa)，其抗剪強(qiáng)度隨含石率的變化總體呈降低趨勢(shì)，但含石率為30%與50%時(shí)出現(xiàn)了峰值抗剪強(qiáng)度，表明該類碎石土的強(qiáng)度與穩(wěn)定性同含石量的多少有關(guān)，在分析該類地層對(duì)工程的影響時(shí)應(yīng)結(jié)合具體工程目的而做出相應(yīng)的決定。

碎石土；含石率；抗剪強(qiáng)度；黏聚力；內(nèi)摩擦角；應(yīng)力應(yīng)變

碎石土是風(fēng)化卸荷、殘坡積等復(fù)雜因素共同作用形成的介于土體與碎裂巖塊之間的特殊地質(zhì)體[1]。由碎石土堆積而成的坡體具有較高的不穩(wěn)定性，降雨或工程活動(dòng)易導(dǎo)致碎石土邊坡滑動(dòng)，形成碎石土滑坡，該類型滑坡廣泛分布于我國(guó)南方及西北地區(qū)，每年造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至人員傷亡。因此，碎石土滑坡破壞機(jī)理研究與碎石土力學(xué)特性研究具有重要意義，而土體力學(xué)特性的研究是滑坡破壞機(jī)理的前提，對(duì)石英砂巖碎石土力學(xué)特性的研究是研究該類滑坡穩(wěn)定性的首要工作。由于碎石土成分復(fù)雜、顆粒形狀多樣、級(jí)配組成多變，致使碎石土的力學(xué)特性異于土體與巖石。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)碎石土的力學(xué)特性，從諸多方面進(jìn)行研究，但主要通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)與室外試驗(yàn)確定[2]。Hardin[3]對(duì)單礦物類土與巖石材料顆粒強(qiáng)度與土顆粒的應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行研究，提出了顆粒破碎量的影響因素，如顆粒大小分布、有效應(yīng)力狀態(tài)、孔隙率，并提出計(jì)算公式預(yù)估顆?？偲茐某潭?；Knodel等[4]在研究土石混合體粗顆粒對(duì)細(xì)顆粒的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)細(xì)顆?；|(zhì)密度對(duì)土石混合體力學(xué)特性的影響，認(rèn)為粗顆粒的表面效應(yīng)與壓實(shí)效應(yīng)會(huì)降低細(xì)顆?；|(zhì)土的密度；Iannacchione等[5]對(duì)31篇不同巖石顆?；旌衔锏目辜魪?qiáng)度論文進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在不飽和條件下，0%～30%含石率的土石混合體抗剪強(qiáng)度隨著粗顆粒含量的增加而增大，但是對(duì)粗顆粒的種類沒(méi)有進(jìn)行詳細(xì)研究，缺乏有效的說(shuō)服力；Vallejo[6]研究礫沙邊坡的穩(wěn)定性時(shí)，采用不同尺寸的玻璃微珠模擬礫沙進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)大顆粒含量在40%與70%時(shí)，控制混合物抗剪強(qiáng)度的主體會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，并對(duì)大顆粒含量引起混合物物理力學(xué)性質(zhì)的變化進(jìn)行了闡述；Rahardjo等[7]對(duì)非飽和殘余土進(jìn)行三軸試驗(yàn)研究，分別進(jìn)行了固結(jié)排水試驗(yàn)與固結(jié)不排水試驗(yàn)，并提出殘余土孔隙水壓力變化與試樣整體體積變化沒(méi)有直接關(guān)系；劉文平等[8]以含水量與含石量為變量，對(duì)三峽庫(kù)區(qū)碎石土抗剪強(qiáng)度進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)碎石土內(nèi)摩擦角受含水量的影響較大，碎石土黏聚力基本不受含水率的影響；LI等[9]對(duì)三峽庫(kù)區(qū)的27組滑帶土試樣進(jìn)行不同剪切速率的環(huán)剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)粒徑分布的微小變化會(huì)導(dǎo)致碎石土剪切性能出現(xiàn)明顯差異，并提出塑性指數(shù)與碎石土殘余抗剪強(qiáng)度的變化關(guān)系；CHANG等[10]在研究崩塌形成的砂礫淺層滑坡時(shí)，從粒間色譜狀態(tài)出發(fā)，研究砂礫含量對(duì)砂礫土剪切特性的影響，發(fā)現(xiàn)砂礫的加入導(dǎo)致砂土抗剪強(qiáng)度降低，但不超過(guò)純砂的20%；ZHAO等[11]運(yùn)用離散元法DEM軟件分析滑坡底部碎石對(duì)滑坡動(dòng)力學(xué)的影響時(shí)，對(duì)比分析礫石破碎與不破碎對(duì)滑坡土體的影響，提出未破碎礫石顆粒使滑坡土體的物理力學(xué)性質(zhì)有較大改變，而破碎礫石會(huì)導(dǎo)致滑坡土體物理力學(xué)性質(zhì)出現(xiàn)拋物線變化。上述研究人員對(duì)碎石土力學(xué)特性進(jìn)行了大量室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)影響碎石土抗剪強(qiáng)度的因素進(jìn)行了許多探索，但對(duì)于粗顆粒的成分及力學(xué)特性缺乏針對(duì)性研究，且研究主要集中于砂礫碎石土，對(duì)于其他組成成分的碎石土缺乏相應(yīng)的研究。石英砂巖碎石土廣泛分布于我國(guó)南方丘陵地帶，但是對(duì)于石英砂巖碎石土的力學(xué)特性研究較少。本文依托益陽(yáng)某滑坡群，對(duì)石英砂巖碎石土進(jìn)行室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)，以石英砂巖碎石土的不同碎石含量與不同圍壓條件為變量，研究石英砂巖碎石土在不固結(jié)不排水(UU)試驗(yàn)中，抗剪強(qiáng)度的變化趨勢(shì)與力學(xué)特性。

1 三軸試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)土樣

本研究的土壤樣本從益陽(yáng)某滑坡群取出，該滑坡群由大型中層的Ⅱ號(hào)滑坡、中型中層的Ⅲ號(hào)滑坡與中型淺層的Ⅴ號(hào)滑坡組成。Ⅱ號(hào)滑坡坡腳有一大型水庫(kù)，滑坡體下部為古滑坡堆積體；Ⅲ號(hào)滑坡坡腳為山谷水流集中泄水區(qū)；Ⅴ號(hào)滑坡坡腳為水田。1995年，該滑坡群的Ⅰ，Ⅲ，Ⅳ滑坡體滑動(dòng)；2004年Ⅱ號(hào)滑坡體滑動(dòng)，造成4棟15間房屋發(fā)生傾斜及出現(xiàn)裂縫；2012年Ⅴ滑坡體滑動(dòng)，該滑坡后緣出現(xiàn)拉張裂縫。經(jīng)勘查，滑體由石英砂巖碎石土組成，碎石呈棱角狀，碎石強(qiáng)度高，透水性較差，滑體土體結(jié)構(gòu)松散，透水性好；滑帶土體含水量均比較高，呈“較濕”狀態(tài)，以軟塑狀為主，強(qiáng)度低。根據(jù)滑坡現(xiàn)場(chǎng)條件，石英砂巖碎石土樣本為飽和土體，土樣按干密度為1.7 g/cm3進(jìn)行配置，設(shè)計(jì)不同圍壓條件進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方案

確定土體抗剪強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)室方法主要包括三軸試驗(yàn)和直接剪切試驗(yàn)[12]。為研究不同圍壓條件下不同碎石含量石英砂巖類碎石土的物理力學(xué)性質(zhì)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了24組含石率依次為10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%和80%的重塑碎石土樣本，在100，200與300 kPa圍壓條件下進(jìn)行不固結(jié)不排水(UU)試驗(yàn)。所有土樣的干密度相同，均在飽和狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)的碎石土粗顆粒較多且存在大粒徑碎石，根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程的要求，試驗(yàn)采取三軸試驗(yàn)中最大可用試件直徑，所有試樣直徑101 mm，高200 mm，允許最大粒徑(小于1/5倍直徑[2])應(yīng)小于20.2 mm，采用英國(guó)GDS(Geotechnical Digital Systems)應(yīng)變式三軸儀進(jìn)行試驗(yàn)，加荷方式為單向荷載加壓。土/石閾值根據(jù)Medley[13]提供的公式：

式中：S/RT為土/石閾值；c為碎石土的工程特征尺度(三軸試驗(yàn)中，c為試樣直徑)。

可確定本次試驗(yàn)的土石閾值取5 mm，即大于5 mm的為碎石，小于5 mm的為土粒，其中含石率為碎石顆粒質(zhì)量與風(fēng)干碎石土總質(zhì)量的比值。對(duì)于滑帶中的超大石塊，由于超大石塊含量少，在滑坡土體中處于懸浮狀態(tài)，根據(jù)Fragaszy等[14]研究，細(xì)顆粒中懸浮的超大顆粒對(duì)碎石土的抗剪強(qiáng)度和變形特性沒(méi)有顯著影響，故不考慮超大顆粒對(duì)碎石土抗剪強(qiáng)度的影響。

1.3 試驗(yàn)步驟

為減少橡膠膜對(duì)碎石土的約束作用，采用厚度為3 mm的橡膠膜，橡膠膜內(nèi)部試樣根據(jù)級(jí)配曲線算出不同含石率情況下所需碎石與土的質(zhì)量，然后將準(zhǔn)備好的集料攪拌均勻，采用分層擊實(shí)的方法對(duì)重塑碎石土進(jìn)行擊實(shí)，對(duì)于每一層的重塑碎石土采用同一擊實(shí)錘，錘擊相同的次數(shù)。每層擊實(shí)完成后，用刻刀將重塑碎石土表面刮毛，盡量避免分層擊實(shí)中導(dǎo)致的各項(xiàng)異性，保證試樣的均勻性，接著填入下一層重塑碎石土，并用同樣的方法進(jìn)行制樣。重塑土樣進(jìn)行5級(jí)分步擊實(shí)，試樣完成后記錄試樣的高度，然后將試樣放入三軸試驗(yàn)儀里進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)剪切應(yīng)變速率為0.5%/min，在試樣每變化0.3%的軸向應(yīng)變時(shí)，測(cè)記一次測(cè)力計(jì)讀數(shù)與軸向位移值。當(dāng)試樣的軸向應(yīng)變大于3%時(shí)，試樣每變化0.7%的軸向應(yīng)變，測(cè)記一次讀數(shù)。如測(cè)力計(jì)讀數(shù)出現(xiàn)峰值，試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行，繼續(xù)剪切5%的軸向應(yīng)變后停止試驗(yàn)。如測(cè)力計(jì)讀數(shù)無(wú)峰值，剪切進(jìn)行到軸向應(yīng)變達(dá)20%，方可停止試驗(yàn)。

2 孔隙狀態(tài)條件

由于碎石土碎石風(fēng)化程度的不同、不平整的碎石表面、三相組成條件的復(fù)雜性、組成物質(zhì)的多樣性。為簡(jiǎn)化碎石土的孔隙影響，對(duì)碎石土堆積情況進(jìn)行假設(shè)：1) 所有孔隙均被水填充；2) 三軸試驗(yàn)不會(huì)破壞碎石，從而導(dǎo)致級(jí)配的變化；3) 碎石表面均為光滑平面；4) 碎石土僅由石英砂巖碎石與粉質(zhì)黏土組成。

當(dāng)含石率較小時(shí)，碎石土的孔隙主要由土顆粒包圍而成，隨著含石率的增加，接觸孔隙占比也隨之上升。當(dāng)碎石增加到一定含量，碎石成為碎石土的顆粒骨架，土顆粒懸浮于碎石之間的孔隙，接觸孔隙占據(jù)主導(dǎo)地位。根據(jù)以上過(guò)程定義碎石土的4種狀態(tài)，第1種狀態(tài)只有土顆粒存在，此時(shí)體積孔隙率用s表示；第2種狀態(tài)只有碎石顆粒存在，此時(shí)體積孔隙率用q表示；第3種狀態(tài)土顆粒為碎石土顆粒骨架，此時(shí)體積孔隙率用sk表示；第4種狀態(tài)碎石為碎石土顆粒骨架，此時(shí)體積孔隙率用gk表示；設(shè)碎石土的總體積，假定T=1，g為碎石相對(duì)于碎石土總體積的相對(duì)體積，s為土顆粒的相對(duì)體積，gc為碎石顆粒之間的孔隙的相對(duì)體積，sc為土顆粒之間的孔隙的相對(duì)體積，V為碎石土孔隙的相對(duì)體積。

第1種狀態(tài)的s可表示為

第2種狀態(tài)的g可表示為

第3種狀態(tài)的sk可表示為

第4種狀態(tài)的gk可表示為

(a)含石率很小；(b) 含石率較小；(c) 含石率較大；(d) 含石率很大

碎石土孔隙隨著含石率的增加，組成的主要部分由土顆粒之間的空隙逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥令w粒與碎石顆粒之間接觸的空隙，不同含石率碎石土孔隙分布用示意圖表示(圖1)。當(dāng)含石率很小時(shí)，土體顆粒為碎石土的主要成分，碎石在土體中為懸浮狀態(tài)，碎石土孔隙主要受土體顆粒間隙控制，可以假定土顆粒組成碎石土的顆粒骨架，如圖1(a)；土體與碎石之間的接觸孔隙隨著碎石顆粒含量增加而增加，土體與碎石之間的接觸孔隙易受外界環(huán)境的影響，圍壓條件的改變，導(dǎo)致接觸孔隙的變化，碎石土顆粒骨架的組成會(huì)也會(huì)隨之變化，如圖1(b)；當(dāng)碎石顆粒的含量進(jìn)一步增加，碎石土孔隙主要由接觸孔隙組成，在一定圍壓條件下，碎石土顆粒骨架會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)樗槭w粒，如圖1(c)；當(dāng)碎石含量增加到一定比例后，碎石土孔隙為碎石之間的孔隙控制，碎石顆粒成為碎石土的顆粒骨架，土顆粒在碎石土中為懸浮狀，主要作為填充碎石間空隙的物質(zhì)，無(wú)法影響碎石土的受力，如圖1(d)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

本研究主要控制圍壓、含石率與排水條件，探究其對(duì)碎石土受力性質(zhì)的影響。在不同圍壓條件下，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果從碎石含量對(duì)碎石土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、抗剪強(qiáng)度、碎石土內(nèi)摩擦角與黏聚力；探究在不同排水條件下，原狀土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與抗剪強(qiáng)度變化趨勢(shì)，從而增加對(duì)碎石土力學(xué)特性的了解。

3.1 含石率對(duì)碎石土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的影響

本文中破壞點(diǎn)的選取原則：以1?3的峰點(diǎn)值作為破壞點(diǎn)，如1?3無(wú)峰值，以應(yīng)力路徑的密集點(diǎn)或按一定軸向應(yīng)變(1=15%)相應(yīng)的1?3作為破壞強(qiáng)度值。在不同圍壓與不同含石率條件下，三軸試驗(yàn)得到應(yīng)力?應(yīng)變((1?3)?1)的曲線，由圖2 可知：

1) 從圖2(a)中可以看出，碎石土在100 kPa圍壓下，不同含石率碎石土應(yīng)力?應(yīng)變(1?3)?1曲線均為應(yīng)變硬化型變化，試樣表現(xiàn)為剪縮。當(dāng)碎石含量為10%時(shí)，碎石土的峰值偏應(yīng)力最大，而碎石含量為80%時(shí)最小，即碎石土的峰值偏應(yīng)力大小與碎石含量成反比。當(dāng)碎石率為30%時(shí)，碎石土壓密階段明顯；當(dāng)含石率超過(guò)60%后，不同含石率碎石土峰值偏應(yīng)力差異較小。

2) 從圖2(b)中可以看出，碎石土在200 kPa圍壓下，應(yīng)力?應(yīng)變變化趨勢(shì)與100 kPa圍壓相似，但所有碎石土峰值應(yīng)力均大于100 kPa圍壓下的峰值應(yīng)力。10%～30%含石率碎石土有壓密階段，但是路程較短，而含石率為50%與60%時(shí)，碎石土壓密階段與彈性階段難以區(qū)分，說(shuō)明隨著含石率的增大，碎石土受力結(jié)構(gòu)主體會(huì)發(fā)生變化。10%與20%含石率碎石土在達(dá)到峰值應(yīng)力后，曲線開(kāi)始負(fù)增長(zhǎng)，試樣出現(xiàn)應(yīng)變軟化，說(shuō)明在一定圍壓條件下，碎石的加入會(huì)改變土顆粒之間的接觸狀態(tài)。

3) 從圖2(c)中可以看出，300 kPa圍壓下，30%含石率碎石土峰值應(yīng)力最大，10%與20%含石率碎石土峰值應(yīng)力相對(duì)200 kPa圍壓下的峰值偏應(yīng)力變化較小，但10%含石率碎石土峰值偏應(yīng)力降低，而20%含石率碎石土峰值偏應(yīng)力升高。50%～80%含石率碎石土的峰值應(yīng)力相對(duì)100 kPa與200 kPa圍壓下的峰值應(yīng)力變化顯著，但40%含石率碎石土峰值應(yīng)力相對(duì)前2種圍壓下的峰值應(yīng)力，變化較小。40%～70%含石率碎石土有明顯壓密階段，而10%～30%含石率碎石土沒(méi)有壓密階段。10%與20%含石率碎石土應(yīng)變軟化更加明顯。

對(duì)不同圍壓下，碎石土應(yīng)力?應(yīng)變曲線進(jìn)行分析，碎石土應(yīng)力應(yīng)變曲線可以分為4段，即壓密階段、彈性階段、屈服階段與軟化階段，應(yīng)力應(yīng)變曲線均為雙曲線型，與土體的E-B非線性雙曲線彈性模型(Duncan-chang模型)契合。石英砂巖碎石土峰值應(yīng)力隨圍壓的升高而增大，與Vallejo[15]提出的結(jié)論相同，但各含石率碎石土峰值應(yīng)力的增大速率相差很大。碎石土在含石率為40%在不同圍壓中，峰值偏應(yīng)力變化較小，即當(dāng)含石率為40%時(shí)，碎石土級(jí)配組成不良，對(duì)碎石土力學(xué)特性有較大的影響。碎石土應(yīng)力應(yīng)變峰值均出現(xiàn)在軸向應(yīng)變?yōu)?%與1.5%之間，表明碎石土的應(yīng)力路徑短，骨架結(jié)構(gòu)容易受到破壞。且在不同圍壓下，碎石土的力學(xué)特性會(huì)出現(xiàn)部分變化，如：在200 kPa圍壓條件下10%與20%含石率碎石土出現(xiàn)應(yīng)變軟化，在300 kPa圍壓下，20%與30%含石率碎石土出現(xiàn)應(yīng)變軟化。

3.2 含石率對(duì)碎石土內(nèi)摩擦角和黏聚力的影響

根據(jù)碎石土的應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰值偏應(yīng)力，依據(jù)摩爾應(yīng)力圓計(jì)算碎石土的內(nèi)摩擦角與黏聚力。圖3為內(nèi)摩擦角與黏聚力的關(guān)系曲線，隨著含石率的遞增，內(nèi)摩擦角呈“M”型變化；黏聚力呈倒“N”型變化，總體為遞減趨勢(shì)；但碎石土含石率在30%～50%之間時(shí)，內(nèi)摩擦角與黏聚力呈波動(dòng)變化，變化趨勢(shì)相反。

(a) 100 kPa圍壓應(yīng)力應(yīng)變曲線；(b) 200 kPa圍壓應(yīng)力應(yīng)變曲線；(c) 300kPa圍壓應(yīng)力應(yīng)變曲線

碎石含量的增加會(huì)破壞土顆粒之間的引力。碎石土含石率從10%增加到30%時(shí)，由于碎石含量較少，在碎石土中處于懸浮狀態(tài)，但隨著碎石含量的增加，碎石土黏聚力減小。但是當(dāng)碎石土含石率為40%時(shí)，碎石土黏聚力出現(xiàn)回升，然而土顆粒之間引力在碎石影響下是減少的，說(shuō)明有其他接觸的力轉(zhuǎn)化為碎石土黏聚力，從而導(dǎo)致碎石土黏聚力的上升。由于碎石顆粒與土顆粒粒徑的差值，當(dāng)碎石率為40%時(shí)，碎石顆粒已經(jīng)不處于懸浮狀態(tài)，此時(shí)碎石土黏聚力的大小由土顆粒與碎石顆粒共同決定。碎石土含石率為50%時(shí)，黏聚力急劇降低，此時(shí)碎石含量進(jìn)一步增加，碎石顆粒成為碎石土的顆粒骨架，碎石土的黏聚力主要由碎石之間的接觸作用力轉(zhuǎn)化而成。碎石土含石率在50%～80%時(shí)，黏聚力變化較小，且黏聚力較小，由碎石接觸的作用力轉(zhuǎn)化而成。

圖3 不同碎石含量下內(nèi)摩擦角和黏聚力關(guān)系曲線

土顆粒之間的內(nèi)摩擦角主要由滑動(dòng)摩擦與咬合摩擦組成。碎石土含石率在10%～20%時(shí)，內(nèi)摩擦角變化較小，由于碎石土的顆粒骨架沒(méi)有發(fā)生變化，碎石土內(nèi)摩擦角主要由土顆粒之間的接觸作用力提供。當(dāng)含石率為30%時(shí)，內(nèi)摩擦角突增，且遠(yuǎn)大于含石含石率在10%～20%時(shí)的內(nèi)摩擦角，而碎石土的顆粒骨架隨碎石含量的增加發(fā)生變化，結(jié)合前文分析可知，碎石率在30%時(shí)，碎石土的顆粒骨架由碎石顆粒與土顆粒共同組成。碎石土含石率為40%時(shí)，內(nèi)摩擦角急劇降低，而碎石含量的增加，會(huì)導(dǎo)致土顆粒間的接觸減少，而碎石之間的接觸增加，但由于土顆粒與碎石顆粒的互相影響，從而導(dǎo)致內(nèi)摩擦急劇降低。含石率為50%時(shí)，內(nèi)摩擦角再次突增，土顆粒的減少，使碎石之間的摩擦力更多的轉(zhuǎn)化為顆粒之間的內(nèi)摩擦角，從而導(dǎo)致碎石土內(nèi)摩擦角的遞增。

對(duì)碎石土在不同含石率的內(nèi)摩擦角與黏聚力的分析，可以得出以下結(jié)論：

1) 含石率在10%～20%時(shí)，土顆粒組成碎石土的顆粒骨架；含石率在30%～40%時(shí)，碎石土顆粒骨架由土顆粒與碎石顆粒共同組成；含石率在50%～80%時(shí)，碎石土顆粒骨架由碎石顆粒組成；

2) 30%與50%的含石率可以作為分析碎石土顆粒骨架組成分析的閾值；

3) 含石率為40%時(shí)，碎石的部分作用力會(huì)轉(zhuǎn)化為黏聚力，會(huì)降低碎石土的內(nèi)摩擦角。

3.3 碎石含量對(duì)碎石土抗剪強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)得到不同含石率條件下碎石土的抗剪強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角及黏聚力大小，見(jiàn)表1。運(yùn)用Mohr- Coulomb準(zhǔn)則分析碎石土的抗剪強(qiáng)度，根據(jù)公式：

式中：f為抗剪強(qiáng)度；為碎石土黏聚力；為有效偏應(yīng)力(=w，w為孔隙水壓力)；為碎石土內(nèi)摩擦角。

根據(jù)式(7)得到抗剪強(qiáng)度值，繪制含石率與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系曲線。從圖4中可以看出，碎石土抗剪強(qiáng)度受圍壓與含石率共同控制，即圍壓越大，碎石土抗剪強(qiáng)度越大；碎石土抗剪強(qiáng)度總體隨含石率的增加而減小。在100 kPa圍壓條件下，碎石土抗剪強(qiáng)度隨含石率升高依次遞減，在200 kPa圍壓與300 kPa圍壓條件下，含石率為30%～50%的碎石土抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)波動(dòng)變化。

在100 kPa圍壓下，碎石土抗剪強(qiáng)度依次遞減。含石率在10%～30%時(shí)，抗剪強(qiáng)度遞減速率較慢；含石率在30%～60%時(shí)，抗剪強(qiáng)度遞減速率最快，呈線性變化；含石率在60%～80%時(shí)，抗剪強(qiáng)度變化較小。

在200 kPa圍壓下，碎石土抗剪強(qiáng)度總體為遞減趨勢(shì)，但部分含石率碎石土抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)波動(dòng)變化。在含石率為30%～50%時(shí)，含石率為30%，碎石土抗剪強(qiáng)度最大，50%含石率碎石土強(qiáng)度次之，40%含石率碎石土抗剪強(qiáng)度最小，300 kPa圍壓碎石土抗剪強(qiáng)度變化趨勢(shì)與200 kPa圍壓相似。

不同圍壓下，40%含石率碎石土抗剪強(qiáng)度值相差較小，與碎石土應(yīng)力應(yīng)變的變化趨勢(shì)相同。30%含石率在100 kPa圍壓下，減緩了抗剪強(qiáng)度的降低，在200 kPa與300 kPa圍壓下，為同一圍壓抗剪強(qiáng)度最大值，表明30%含石率碎石土具有較好的力學(xué)特性。由圖4可以看出，含石率為30%與50%時(shí)，抗剪強(qiáng)度為2個(gè)不同峰值，而碎石含量是遞增的，表明50%含石率碎石土的級(jí)配良好。即含石率在30%與50%時(shí)，受力顆粒骨架發(fā)生了變化，表明含石率為30%與50%可以作為分析碎石土顆粒骨架變化的閾值。

圖4 含石率與抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線

表1 不同含石率內(nèi)摩擦角、黏聚力及不同圍壓下碎石土抗剪強(qiáng)度匯總

4 結(jié)論

1) 碎石土應(yīng)力應(yīng)變曲線可以分為壓密階段、彈塑性階段、屈服階段及軟化階段；且所有碎石土樣本在應(yīng)變?yōu)?%～1.5%之間發(fā)生破壞，與含石率的大小無(wú)關(guān)；在較高圍壓下，10%～30%含石率碎石土出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象。表明碎石的加入，改變了土顆粒的之間的受力特性，使碎石土更容易被破壞。

2) 石英砂巖碎石土的黏聚力在30%～50%含石率之間出現(xiàn)波動(dòng)變化，但總體隨含石率的增加基本呈下降趨勢(shì)；內(nèi)摩擦角的大小變化有明顯的階段性，且隨含石率的變化存在一定的波動(dòng)，相對(duì)來(lái)說(shuō)，中等含石率范圍內(nèi)的摩擦角相對(duì)最大。

3) 100 kPa圍壓下，石英砂巖類碎石土抗剪強(qiáng)度隨含石率的升高而減小，中高圍壓下(200 kPa，300 kPa)，其抗剪強(qiáng)度隨含石率的變化總體呈減少趨勢(shì)，但含石率為30%與50%時(shí)出現(xiàn)了峰值抗剪強(qiáng)度。其中，40%含石率碎石土在不同圍壓下，抗剪強(qiáng)度的差值較小。

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Study on the influence of gravel content on the mechanical properties of crushed aggregates containing quartz and sandstone

PENG Cheng1, DENG Peiyu1, FAN Zijian1, DENG Zongwei2

(1. School of Civil Engineering, University of South China, Hengyang 421001, China;2. School of Civil Engineering, Hunan City University, Yiyang 413000, China)

To explore the influence of stone content on the mechanical properties of quartz sandstone gravel soil, the landslide quartz sandstone gravel soil in Yiyang, Hunan Province was studied. The triaxial shear tests under different confining pressures (100, 200 and 300 kPa) were carried out on 24 groups of gravel soil samples. The results show that: the stress-strain curve of the gravel soil with 10%～30% stone content is different from that of normally consolidated soil, and strain softening occurs under higher confining pressure. This indicates that the addition of gravel will change the mechanical characteristics of the original normally consolidated soil. The cohesive force of this kind of gravel soil generally decreases with the increase of stone content, but the friction angle fluctuates with the change of stone content, and the friction angle of the gravel soil with medium stone content is relatively the largest. Under low confining pressure (100 kPa), the shear strength of this kind of gravel soil decreases with the increase of stone content. While under medium and high confining pressure (200 kPa and 300 kPa), the shear strength generally decreases with the increase of stone content, and the peak shear strength occurs when the stone content is 30% and 50%. The above research shows that the strength and stability of this kind of gravel soil are related to the amount of stone content, and the corresponding decision should be made in combination with the specific engineering purpose when analyzing the influence of this kind of stratum on the project.

gravelly soil; stone content; shear strength; cohesion force; internal friction angle; stress-strain

TU341

A

1672 ? 7029(2021)02 ? 0375 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T 20200331

2020?04?20

湖南省教育廳項(xiàng)目(16C1380)；水利部土石壩破壞機(jī)理與防控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(YK319008)

彭成(1983?)，男，湖南寧遠(yuǎn)人，講師，博士，從事土石壩的數(shù)值模擬和本構(gòu)模型研究；E?mail：uscemonk@126.com

(編輯 涂鵬)