陸建明

土石混合料具有壓實(shí)性能好、透水性強(qiáng)、填筑密度大、抗剪強(qiáng)度高、沉降變形小、承載力高等工程特點(diǎn)，且分布廣泛，儲(chǔ)量豐富，便于就地取材，節(jié)約工程造價(jià)，在工程建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。抗剪強(qiáng)度是粗顆粒土主要工程特性指標(biāo)之一，研究粗顆粒土的抗剪強(qiáng)度具有重要意義。一般的細(xì)粒土其抗剪強(qiáng)度主要源于顆粒之間的相互粘結(jié)與摩擦，而粗顆粒土的強(qiáng)度有別于一般細(xì)粒土，主要來源于粗顆粒相互交錯(cuò)鑲嵌形成的一種叫咬合力［5］的新力，因而粗顆粒土的抗剪強(qiáng)度影響因數(shù)也有別于細(xì)粒土。影響粗顆粒土抗剪強(qiáng)度的因數(shù)主要有顆粒的破碎［1，4，6，9-11］、含水率［2］、最大粒徑［2，14］以及粗粒含量［3，8，10-12］等，下文將從粗顆粒土的抗剪強(qiáng)度定義出發(fā)，逐一介紹各影響因數(shù)對(duì)粗顆粒土抗剪強(qiáng)度的影響。

1 抗剪強(qiáng)度的定義

低應(yīng)力下，粗顆粒土的抗剪強(qiáng)度通常采用庫(kù)侖定律，如式(1)所示。

其中，τf為破壞面上的剪應(yīng)力;c為土的粘聚力(粘性土)或咬合力(無粘性土);σ為破壞面上的法向應(yīng)力;φ為土的內(nèi)摩擦角。

試驗(yàn)資料表明，破壞面上的剪應(yīng)力τ隨著法向應(yīng)力σ的增加增幅逐漸減小，并非線性增加［14］，即在高應(yīng)力條件下如果仍采用庫(kù)侖定理，就會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。為較準(zhǔn)確的確定高應(yīng)力下，粗顆粒土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，一種做法是分應(yīng)力段整理強(qiáng)度參數(shù)，另外一種做法就是采用式(2)來表示這種非線性。

其中，Pa為工程大氣壓，單位與σ3相同;φ0為在圍壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)的內(nèi)摩擦角;Δφ為圍壓增長(zhǎng)10倍時(shí)摩擦角的遞減量。

2 顆粒破碎對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

顆粒破碎是粗顆粒土具有的重要特性之一，顆粒破碎使得顆粒受力前后的級(jí)配發(fā)生變化，進(jìn)而影響顆粒的強(qiáng)度特性［1］。

其中，Wki為試驗(yàn)前級(jí)配曲線上某級(jí)粒組的含量;Wkf為試驗(yàn)后級(jí)配曲線上相同粒組的含量。

粗顆粒土母巖性質(zhì)、級(jí)配、圍壓及應(yīng)力狀態(tài)等都對(duì)顆粒的破碎有較大的影響［1，4，6，9-11］。粗顆粒土的母巖強(qiáng)度越高，顆粒破碎率越小，磨圓度較好的粗顆粒混合料的顆粒破碎率明顯低于棱角狀的粗顆?；旌狭希?，6］;細(xì)顆粒含量高的混合料顆粒破碎率明顯低于細(xì)顆粒含量低的混合料［1］;破碎率隨圍壓的增大呈明顯增大趨勢(shì)［1，6，9］，文獻(xiàn)［6］中的研究還表明顆粒破碎率隨圍壓的變化規(guī)律還可以用雙曲線表示;顆粒破碎率隨著法向應(yīng)力的增大而增大，在低法向應(yīng)力下，顆粒的破碎主要受剪應(yīng)力大小的影響，在高法向應(yīng)力下，顆粒破碎受法向應(yīng)力影響的程度更大［4］。

3 含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

研究含水量對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響程度，對(duì)于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工有重要的現(xiàn)實(shí)意義。文獻(xiàn)［2］的研究表明無粘性粗顆粒土的含水量，對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響較小，如圖1所示。在進(jìn)行砂卵石無粘性粗顆粒土的工程設(shè)計(jì)和施工時(shí)，可不考慮雨季對(duì)工程的影響。

4 粒徑對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

粗顆粒土的粒徑大小是決定其抗剪強(qiáng)度的重要因素［2，14］，這是由于粗顆粒土的咬合力主要由三部分組成:1)粗骨料的強(qiáng)度;2)細(xì)骨料的強(qiáng)度;3)顆粒之間的相互咬合力和摩擦力。當(dāng)粒徑較大時(shí)，粗骨料起到骨架的作用，此時(shí)咬合力由粗骨料的強(qiáng)度決定，所以隨著粒徑的增大，咬合力明顯增大;對(duì)于砂卵石土的摩擦作用，主要由顆粒間脫離咬合狀態(tài)而移動(dòng)所發(fā)生的咬合摩擦和顆粒間滑動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦組成。所以，在級(jí)配良好的情況下，咬合摩擦起決定性作用，所以隨著粒徑的增大，摩擦角也增大。

但必須指出的是，最大粒徑對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響是相對(duì)的，還要受到粗顆粒含量的制約，即只有當(dāng)粗顆粒含量一定時(shí)，抗剪強(qiáng)度才隨最大粒徑的增大而增大。

5 粗粒含量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

粗顆粒的含量是影響粗顆粒土抗剪強(qiáng)度最主要的因數(shù)之一，也是眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)［3，8，10-12］。

實(shí)際工程中習(xí)慣將5mm作為粗顆粒與細(xì)顆粒的分界粒徑，即粒徑大于5mm的顆粒為粗顆粒，其余為細(xì)顆粒，用P5表示粗顆粒的含量。粗顆粒土土體結(jié)構(gòu)類型根據(jù)粗粒含量可分為懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)、骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)和骨架孔隙結(jié)構(gòu)。當(dāng)粗粒含量低于30%時(shí)，由于細(xì)顆粒含量較多，粗粒之間彼此不能接觸，只是懸浮于細(xì)顆粒中，土體結(jié)構(gòu)就是懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，土的抗剪強(qiáng)度主要受細(xì)顆?？刂?，抗剪強(qiáng)度隨粗粒含量的增大變化不大;當(dāng)粗粒含量位于30%～70%時(shí)，粗粒之間開始相互接觸，粗粒之間的咬合作用開始發(fā)揮作用，抗剪強(qiáng)度隨粗粒含量的增大而增大，這時(shí)土的抗剪強(qiáng)度受粗細(xì)顆粒同時(shí)控制;當(dāng)粗顆粒含量在70%左右時(shí)，粗顆粒之間能相互接觸形成穩(wěn)定密實(shí)的骨架，細(xì)顆粒又恰好能密實(shí)的填充于粗粒之間的間隙中，土體結(jié)構(gòu)就是骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，這時(shí)抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值;隨著粗粒含量的繼續(xù)增加，由于細(xì)顆粒含量減少不足以填充滿粗粒之間的間隙，土體結(jié)構(gòu)就是骨架孔隙結(jié)構(gòu)，抗剪強(qiáng)度隨粗粒含量的增大反而有所降低。

6 結(jié)語

抗剪強(qiáng)度是粗顆粒土主要工程特性指標(biāo)之一，是各類土石類工程穩(wěn)定分析的依據(jù)。本文從粗顆粒土抗剪強(qiáng)度的定義出發(fā)，簡(jiǎn)要介紹了粗顆粒土顆粒破碎、含水率、最大粒徑以及粗粒含量等對(duì)粗顆粒土抗剪強(qiáng)度的影響，并討論了粗顆粒土顆粒破碎的影響因數(shù)。

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