唐文彪，祝方才，田峰亮，劉丙肖

（湖南工業(yè)大學(xué) 巖土工程研究所，湖南 株洲 412007）

0 引言

土木工程中對(duì)材料強(qiáng)度特性及相關(guān)影響因素研究較多，因?yàn)楣こ虘?yīng)用上強(qiáng)度對(duì)坡體穩(wěn)定性、支擋結(jié)構(gòu)物、墻體土壓力和地基承載力等方面的設(shè)計(jì)和施工影響較大。土體強(qiáng)度計(jì)算與土的類別有密切的關(guān)系。散體巖土顆粒是一種粘聚性低的散體混合材料[1]，顆粒間的無(wú)粘聚性使其在受拉情況下很快發(fā)生破壞，因此散體巖土顆粒常見(jiàn)破壞形態(tài)是剪切破壞。在散體巖土顆粒土抗剪強(qiáng)度理論及強(qiáng)度影響因素方面已有一些研究成果，如：陳希哲[2]進(jìn)行了大量大型三軸壓縮試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)陡坡試驗(yàn)，證明散體巖土顆粒土中存在一種新的力——咬合力，此力的存在使其強(qiáng)度大幅度提高。目前為止我國(guó)國(guó)家規(guī)范和一般高校教材中均無(wú)此項(xiàng)內(nèi)容，因此，散體巖土顆粒強(qiáng)度特性及相關(guān)影響因素研究具有較大的科學(xué)與應(yīng)用價(jià)值。田樹(shù)玉[3]對(duì)20多組散體巖土混合料進(jìn)行了大型高壓三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，所得試驗(yàn)結(jié)果運(yùn)用摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度理論、邁德羅強(qiáng)度理論和鄧肯強(qiáng)度理論分析，得出了摩爾庫(kù)倫抗剪強(qiáng)度理論在公式數(shù)據(jù)擬合方面相關(guān)系數(shù)最高（R=0.999 7）的結(jié)論。郭慶國(guó)等人[4]分析了大量的三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)資料，得出散體巖土顆粒強(qiáng)度理論符合摩爾庫(kù)倫理論定律的結(jié)論。王光進(jìn)等人[5]采用改裝后的大型兩用直剪儀，針對(duì)含石量對(duì)散體巖土顆粒破碎及強(qiáng)度特性的影響進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，散體巖土顆粒強(qiáng)度隨含石量增大而提高。禇福永等人[6]對(duì)不同密度的散體巖土粗粒土進(jìn)行了大三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)粗粒土低圍壓下表現(xiàn)出應(yīng)變軟化和剪脹，高圍壓下表現(xiàn)出應(yīng)變硬化和剪縮。

國(guó)內(nèi)學(xué)者們對(duì)散體巖土顆粒材料強(qiáng)度研究時(shí)，大多是采用大型三軸試驗(yàn)研究散體巖土的粗粒土強(qiáng)度特性，研究結(jié)果精度較高但不經(jīng)濟(jì)。直接剪切試驗(yàn)是常規(guī)室內(nèi)試驗(yàn)的一種常用方法，其試驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單，操作容易，常用于中小型工程中測(cè)定散體巖土粗粒土的抗剪強(qiáng)度，為工程設(shè)計(jì)提供強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)。本文采用改進(jìn)的直剪試驗(yàn)來(lái)研究散體巖土顆粒材料的強(qiáng)度特性及影響因素。

1 改進(jìn)的直剪試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)采用的直剪儀主要由剪切試模、水平加載系統(tǒng)、垂直加載系統(tǒng)等組成。按照J(rèn)TG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》，剪切試模最小尺寸D與土體最大粒徑dmax應(yīng)滿足D/dmax為4～20。本試驗(yàn)中散體顆粒dmax為30 mm，對(duì)應(yīng)試模最小尺寸為120～600 mm。改進(jìn)后的剪切試模見(jiàn)圖1，其凈空幾何尺寸為200 mm×200 mm×350 mm，上、下試模內(nèi)徑高均為170 mm。由于散體顆粒土實(shí)際剪切面是非平面狀態(tài)，剪切盒間的剪切開(kāi)縫寬度為10 mm，這樣能更真實(shí)反映土體的實(shí)際受力狀態(tài)。

圖1 剪切試模Fig.1 Shear test mold

1.2 試驗(yàn)材料與試樣制作

試驗(yàn)材料取自株洲市炎陵縣的砂性土和碎石。為便于應(yīng)用，大多數(shù)研究中將5 mm定義為粗細(xì)顆粒區(qū)間粒徑，粒徑大于5 mm顆粒稱為粗顆粒（P5表示），小于5 mm顆粒為細(xì)顆粒[7]。本試驗(yàn)按不同P5含量和土體含水量進(jìn)行摻配（見(jiàn)表1）。

表1 P5含量和土體含水量Table1 P5 content and water content of geotechnical particle

不同P5情況下散體巖土顆粒級(jí)配曲線見(jiàn)圖2。

圖2 散體巖土顆粒級(jí)配曲線Fig.2 The geotechnical particle grading curve

將砂土和碎石風(fēng)干后按P5要求摻配，再按規(guī)定含水量加水拌和均勻后用塑料袋密封浸潤(rùn)一晝夜。次日均按控制干密度2.00 g/cm3裝料于剪切試模中，分多層夯實(shí)，層間刨毛，保證各個(gè)試樣干密度一致和粗顆粒隨機(jī)分布均勻。每組試樣分別在垂直應(yīng)力為12.5, 25.0, 50.0 kPa下進(jìn)行水平剪切試驗(yàn)。

試驗(yàn)過(guò)程中，水平荷載控制方式為位移控制方式，加載速率為1.8 mm/min，3種垂直應(yīng)力工況下進(jìn)行水平剪切。計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集水平位移和水平剪力，采用位移控制進(jìn)程，水平位移達(dá)50 mm時(shí)停止試驗(yàn)，結(jié)束單次試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 含水量、含石量與抗剪強(qiáng)度參數(shù)

圖3是土體含石量為30%的情況下，3種不同含水量（6%～10%）與抗剪強(qiáng)度參數(shù)的關(guān)系。由圖可知，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力和摩擦角與含水量變化呈負(fù)線性關(guān)系。含水量從6%升至10%（增幅66.7%），粘聚力從40.768 kPa降至25.808 kPa（降幅36.7%），摩擦角從48.9°降至46.1°（降幅5.7%）。

圖3 土體含水量與抗剪強(qiáng)度參數(shù)的關(guān)系Fig.3 Relationship of water content and shear strength parameters

圖4是土體含水量為8%時(shí)，3種不同含石量（30%,40%, 50%）與抗剪強(qiáng)度參數(shù)的關(guān)系。由圖可知，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力和摩擦角與含石量變化呈正線性關(guān)系。含石量從30%升至50%（增幅66.7%），粘聚力從34.613 kPa增至41.753 kPa（增幅20.6%），摩擦角從48.1°增至53.5°（增幅11.2%）。

圖4 土體含石量與抗剪強(qiáng)度參數(shù)關(guān)系Fig.4 Relationship of stone content and shear strength parameters

3 結(jié) 論

針對(duì)粗粒土抗剪強(qiáng)度的上述試驗(yàn)和相關(guān)研究，可得如下主要結(jié)論：

1）抗剪強(qiáng)度損失量集中在8.0～12.0 kPa之間。工程實(shí)踐中，混合材料抗剪強(qiáng)度損失量可取10 kPa為參考值。

2）從試驗(yàn)數(shù)據(jù)情況分析，正應(yīng)力與剪應(yīng)力呈正線性相關(guān)（相關(guān)系數(shù)R良好），本試驗(yàn)粗粒土體抗剪強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則采用粗粒土抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則是適宜的。

3）土體含水量、含石量與抗剪強(qiáng)度參數(shù)有密切關(guān)系：抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨含水量增大而減小，隨含石量增大而增大。含水量變化主要影響粘聚力改變，含石量變化對(duì)粘聚力和摩擦角改變均較大。綜合比較，含石量變化對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)影響大于含水量變化的影響，且含石量變大為有利影響。

4）剪切位移變化主要集在22～34 mm之間。工程實(shí)踐中，粗粒土體剪切位移可取28 mm為參考值。

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[4] 郭慶國(guó). 關(guān)于粗粒土抗剪強(qiáng)度特性的試驗(yàn)研究[J]. 水利學(xué)報(bào)，1987(5)：59-65.Guo Qingguo. Research on Strength Characteristics of Coarse Grained Soil[J]. Journal of Hydraulic Engineering，1987(5)：59-65.

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