摘要：準(zhǔn)確測定不同含水率不同密實(shí)度下的碎石土抗剪強(qiáng)度參數(shù)是碎石土路基穩(wěn)定分析的重要前提，選取受庫水影響的公路路基碎石土土樣，進(jìn)行了不同試驗(yàn)條件下的碎石土室內(nèi)直剪試驗(yàn)。結(jié)果表明：碎石土粘聚力隨碎石土中細(xì)粒土含水量的增加呈先增加后減小的現(xiàn)象，而內(nèi)摩擦角則隨細(xì)粒土含水量的增大呈現(xiàn)初始緩慢降低，而后急劇減小的趨勢。若制備土樣時的預(yù)壓力值不同，特別是該預(yù)壓力值小于直剪試驗(yàn)時對土樣施加的正應(yīng)力值時，試驗(yàn)擬合所得的抗剪強(qiáng)度參數(shù)值會受到其影響，表現(xiàn)有所差異。

關(guān)鍵詞：碎石土；抗剪強(qiáng)度參數(shù)；含水率；密實(shí)度

中圖分類號：TU411

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-4764（2013）04-0094-07

土石混合物是一種常見的地質(zhì)體，也是第四系堆積物的重要組成成分?，F(xiàn)有的《工程地質(zhì)手冊》、巖土工程勘察規(guī)范以及其它規(guī)范中，該類地質(zhì)體被稱為碎石土^{[1-2 ]}。碎石土在中國也分布廣泛，但區(qū)域性較為明顯。重慶、四川、云南等省市所處的西南地區(qū)，由于其特殊的地形（山地）、地物（根系發(fā)達(dá)的植被較為發(fā)育）以及氣候特征（雨水豐富），碎石土的分布就更為廣泛一些。由于這些地質(zhì)體具有量大、來源極其方便，工程實(shí)踐又證明其經(jīng)壓實(shí)后具有高強(qiáng)度、低壓縮性和良好滲透性等特點(diǎn)，故歷來是路基施工的首選原材料。

劉東燕，等：水對庫區(qū)路基不同密實(shí)度碎石土的弱化試驗(yàn)分析

通常情況下，碎石土是一種物理力學(xué)性質(zhì)介于土體和巖體之間的一種特殊地質(zhì)體，其性質(zhì)與單純的土體或者巖體有著顯著地不同，其本身由于碎石與土之間的分布比例、膠結(jié)形式、碎石的粒徑大小、排列方式、密實(shí)程度等因素對其抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響較土體和巖體更為復(fù)雜^[3-4]，水庫庫區(qū)內(nèi)的路基碎石土還會受到水位變動的影響。當(dāng)含石量較少時，其性質(zhì)類似于土體，但隨著含石量的逐漸增長，碎石土又會逐漸顯現(xiàn)出巖體的一些性質(zhì)。如何深入探究碎石土的性質(zhì)特點(diǎn)，進(jìn)而將研究結(jié)果用到工程實(shí)踐之中，業(yè)已成為相關(guān)領(lǐng)域研究人員所關(guān)注的熱點(diǎn)。如文獻(xiàn)[5]從大量的原位直剪試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計說明，進(jìn)行碎石土直剪試驗(yàn)時應(yīng)充分考慮諸多影響因素；劉文平等^[6]通過對三峽庫區(qū)不同含水量和不同含石量碎石土的剪切強(qiáng)度及參數(shù)的研究，確定了不同條件下（含石量、含水量）水對三峽庫區(qū)碎石土強(qiáng)度的弱化作用；同樣的，李維樹等人也從不同含水量和不同含石量碎石土的剪切強(qiáng)度方面展開研究，提出了不同碎石含量下抗剪強(qiáng)度參數(shù)值隨著含水率變化的經(jīng)驗(yàn)型弱化公式^[3-7]。這些研究成果帶來的積極效應(yīng)，也逐漸在各個方面得到了印證^[8-9]。但對于工程施工人員來講，大家更為關(guān)注的是碎石土在不同含水量條件下的密實(shí)程度以及相應(yīng)的抗剪性能，因?yàn)樵撝笜?biāo)直接與路基土體的穩(wěn)定性能相聯(lián)系。為此，筆者將從不同土體密實(shí)度條件下，水對碎石土強(qiáng)度產(chǎn)生的弱化影響方面展開研究，以期所得結(jié)果能對已有成果進(jìn)行有益的補(bǔ)充。

1試驗(yàn)背景及設(shè)計

1.1試驗(yàn)背景

對位于三峽庫區(qū)內(nèi)的公路而言，其碎石土路基將受到庫區(qū)水位周期性變動（145～175 m）的影響，路基邊坡的穩(wěn)定性能也會隨著碎石土內(nèi)進(jìn)（出）水量的不同而產(chǎn)生變動，水庫蓄水后，很多路段還會產(chǎn)生碎石土濕化沉降的現(xiàn)象。因而，含水量、密實(shí)度不同時碎石土的強(qiáng)度性能將是路基夯筑時的重要依據(jù)?；诖?，依據(jù)本文的研究目的，在受庫水影響的G318巫同某路段隨機(jī)取6組土樣進(jìn)行前期試驗(yàn)，原狀碎石土見圖1，前期篩分試驗(yàn)所得結(jié)果及土樣相應(yīng)的級配曲線如圖2所示。

1.2試驗(yàn)設(shè)計

室內(nèi)試驗(yàn)用碎石土來自原碎石土的級配篩分，其中碎石以風(fēng)化碎裂的灰?guī)r和砂巖為主，細(xì)粒土主要是粉質(zhì)粘土。碎石土室內(nèi)試驗(yàn)試件制作時，先將碎石及粘性土烘干，按試驗(yàn)設(shè)計級配進(jìn)行配料。試驗(yàn)用級配采用6組土樣自然級配的平均值，用等量替代法將粒徑超大（>40 mm）的碎石用 5～40 mm的顆粒進(jìn)行替代，得到試驗(yàn)用的替代級配。用替代級配設(shè)計不同細(xì)粒土（粒徑<5 mm的顆粒）含量的碎石土試樣。由于碎石土中碎石具有吸水特性，替代級配碎石土中5 mm以上碎石部分按其質(zhì)量的5%加水以使其充分浸潤，5 mm以下細(xì)粒土按其質(zhì)量的5%、10%、15%、20%和25%加水?dāng)嚢杈鶆?，因此以?xì)粒土的含水量來表征碎石土的整體含水量。再施加200 kPa的垂直壓力持續(xù)至變形穩(wěn)定后，量測試樣高度，確定試樣密度。將在三級法向應(yīng)力條件下對試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可擬合得到碎石土樣在不同含水量和密實(shí)度條件下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

不同含水量、細(xì)粒土含量下的碎石土密度試驗(yàn)結(jié)果見圖3、圖4。從圖3試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在含水量不變時，碎石土密度會隨著細(xì)粒土的含量增加而逐漸增加，當(dāng)達(dá)到最大值時，又隨著細(xì)粒土含量的增加而逐漸減小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于：在垂直壓力不變時（200 kPa），含量較少的細(xì)粒土無法填滿碎石土中的碎石與碎石之間構(gòu)建的碎石土骨架孔隙；隨著細(xì)粒土含量增加，碎石土骨架之間的孔隙逐漸被填充滿，此時的碎石土密度達(dá)到最大值。

當(dāng)細(xì)粒土含量進(jìn)一步增加時，碎石被細(xì)粒土包裹后無法形成骨架。在200 kPa壓力下制作成的碎石土樣中，大部分碎石孔隙被密度較小的細(xì)粒土取代，因而整個碎石土的密度會開始產(chǎn)生下降。由圖4試驗(yàn)結(jié)果可知，在碎石土中細(xì)粒土含水量較小時，隨著細(xì)粒土含水率的增加，碎石土密度也隨之增加并達(dá)到最大值。在達(dá)到最大值之后，碎石土干密度則隨細(xì)粒土含水率的增加而減小。碎石土最大干密度所對應(yīng)的細(xì)粒土含水率即為碎石土的最優(yōu)含水率（通常在細(xì)粒土的塑限左右），不同級配試驗(yàn)碎石土最大干密度對應(yīng)于碎石土中細(xì)粒土的含水率有所不同，但均在15%～20%之間。

2不同含水量下的碎石土直剪試驗(yàn)

根據(jù)碎石土密度試驗(yàn)結(jié)果，不同級配碎石土最大干密度對應(yīng)其細(xì)粒土的最優(yōu)含水率在15%～20%之間，因此在設(shè)計不同含水率下碎石土直剪試驗(yàn)時確定細(xì)粒土含水量為10%、15%、20%及25%。試驗(yàn)采用應(yīng)變控制式直剪儀^[6]，試件配料同前，尺寸為250 mm×250 mm×250 mm。制作完成后裝入剪切盒中并施加200 kPa的垂直壓力預(yù)壓至變形穩(wěn)定后卸載。試驗(yàn)時分別施加100、200、300 kPa的法向應(yīng)力，為了使試驗(yàn)進(jìn)行中所產(chǎn)生的土樣超孔隙水壓力能夠得以充分消散，待固結(jié)變形穩(wěn)定后以0.025 4 mm/min的剪切速率進(jìn)行試驗(yàn)。應(yīng)控制剪切變形達(dá)到試樣直徑的1/10時方可停止試驗(yàn)?？辜魪?qiáng)度取值時，當(dāng)剪應(yīng)力τ與水平位移ΔL關(guān)系曲線上存在峰值或穩(wěn)定值時，取峰值或穩(wěn)定值作為抗剪強(qiáng)度。如無明顯峰值，則取水平位移達(dá)到試件直徑1/15～1/10處的剪應(yīng)力作為抗剪強(qiáng)度。

總體來看，細(xì)粒土的含水量對碎石土粘聚力的影響可分為兩個階段：在細(xì)粒土的含水量小于20%時，隨細(xì)粒土含水量的增加，碎石土粘聚力呈緩慢增加的趨勢。當(dāng)細(xì)粒土的含水量大于20%時，再增加細(xì)粒土的含水量，碎石土粘聚力就呈現(xiàn)出較為明顯的降低趨勢。其原因在于，在同一預(yù)壓力下，在細(xì)粒土含水量較小時隨細(xì)粒土含水量的增加，碎石土體穩(wěn)定時能達(dá)到的密實(shí)度也增加，當(dāng)達(dá)到最優(yōu)含水量時，碎石土密度達(dá)到最大值，此時粘聚力也達(dá)到峰值。當(dāng)超過最優(yōu)含水量時，隨細(xì)粒土含水量的增加，碎石土密實(shí)度降低，密度也隨之下降，粘聚力相應(yīng)減少，從而呈現(xiàn)出粘聚力隨含水量的增加先增加后減小的現(xiàn)象。而細(xì)粒土含水量與內(nèi)摩擦角之間會呈現(xiàn)出不同的發(fā)展趨勢：當(dāng)細(xì)粒土含水量較小時，碎石土內(nèi)摩擦角隨細(xì)粒土含水量的變化而降低的趨勢并不明顯。當(dāng)細(xì)粒土含水量超過15%之后，隨碎石土含水量增加，內(nèi)摩擦角急劇降低。這主要是由于土粒遇水軟化，本身力學(xué)性質(zhì)下降，同時土體狀態(tài)發(fā)生改變，由硬塑進(jìn)入可塑狀態(tài)，降低了不同粒徑土（石）體顆粒之間的摩阻力，從而進(jìn)一步導(dǎo)致碎石土內(nèi)摩擦角的降低。由此，可認(rèn)為碎石土中的細(xì)粒土含量及相應(yīng)的細(xì)粒土含水量是決定整個碎石土強(qiáng)度和宏觀變形性能的關(guān)鍵因素。

碎石土這樣的性質(zhì)特征得到了一些學(xué)者的試驗(yàn)驗(yàn)證^[10-13]，其也被認(rèn)為是碎石土所特有的性質(zhì)。如對處于一定含水量范圍內(nèi)的粘質(zhì)土體而言，隨著含水量的逐漸增加，土體粘聚力會逐漸降低，而土體內(nèi)摩擦角卻變化不大，也即土體強(qiáng)度的變化主要是通過其粘聚力的變化來體現(xiàn)的^[14-16]。這說明水對碎石土和土體的強(qiáng)度產(chǎn)生弱化效應(yīng)的機(jī)理是不同的。但2種地質(zhì)體之間還是存在共同的力學(xué)特性的，也即在密實(shí)度保持不變的情況下，碎石土強(qiáng)度值與粘質(zhì)土體強(qiáng)度值均會與含水量存在非線性的反比例關(guān)系。

3不同密實(shí)度下碎石土直剪試驗(yàn)

路基碎石土密實(shí)度與其抗剪強(qiáng)度參數(shù)有著密切的關(guān)系，為考慮不同密實(shí)度對碎石土路基的抗剪強(qiáng)度的影響，分別采用300、400 kPa的預(yù)壓（應(yīng)）力制備試驗(yàn)試件，測定細(xì)粒土含水量為10%、15%、20%及25%時的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，并與200 kPa預(yù)壓力預(yù)壓試件的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比?？紤]到工程實(shí)際中碎石土土石比多在30%～70%之間，因此選擇了細(xì)粒土含量40%和60%的上述試件試驗(yàn)級配，其它試驗(yàn)設(shè)計及試驗(yàn)方案同上。試驗(yàn)所得結(jié)果見表6～9和圖6、7。

從300、400 kPa預(yù)壓力下所制備試件在各含水率時的抗剪強(qiáng)度值可以看出，隨著制備試件預(yù)壓力的增加，抗剪強(qiáng)度值相應(yīng)增加。但需要注意的是，當(dāng)試驗(yàn)正應(yīng)力達(dá)到300 kPa時，采用300 kPa預(yù)壓試件的抗剪強(qiáng)度值與200 kPa預(yù)壓試件的抗剪強(qiáng)度值基本相等。原因在于，采用300 kPa預(yù)壓的壓力值與此時采用200 kPa預(yù)壓制備試件的試驗(yàn)正應(yīng)力值相等，試驗(yàn)時2種試件均承受了同等正應(yīng)力并且達(dá)到固結(jié)穩(wěn)定，試件密實(shí)度及密度都基本相等，從而表現(xiàn)出剪應(yīng)力試驗(yàn)值差異較小。

從不同含水率及密實(shí)度下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨預(yù)壓力值的變化趨勢看出，當(dāng)制備試件時的預(yù)壓力由200 kPa增大到300 kPa時，不同含水量下的碎石土粘聚力明顯增大，但內(nèi)摩擦角有所降低。當(dāng)制備試件時的預(yù)壓力由300 kPa增大到400 kPa時，不同含水量下的粘聚力繼續(xù)緩慢增加，但此時內(nèi)摩擦角不再降低，還稍有增加。其原因在于，采用300 kPa對試件預(yù)壓時，相對200 kPa預(yù)壓，在試驗(yàn)正應(yīng)力為100及200 kPa時，試件的密實(shí)度高，密度大，

在試驗(yàn)中表現(xiàn)出剪應(yīng)力增加。但當(dāng)試驗(yàn)正應(yīng)力達(dá)到300 kPa時，采用300 kPa預(yù)壓試件的正應(yīng)力值與此時200 kPa預(yù)壓試件時的試驗(yàn)正應(yīng)力值相等，此時對于兩試件來講，其在試驗(yàn)開始時的密實(shí)度就基本相同，從而表現(xiàn)出剪應(yīng)力試驗(yàn)值基本相同。而在所得試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上對采用300 kPa預(yù)壓試件的粘聚力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行擬合計算時，導(dǎo)致擬合出的粘聚力大幅增加，內(nèi)摩擦角卻有所降低。當(dāng)進(jìn)一步提高試件的預(yù)壓力至400 kPa，試驗(yàn)施加的各正應(yīng)力值均小于預(yù)壓正應(yīng)力值，400 kPa預(yù)壓的試件的密實(shí)度在各試驗(yàn)正應(yīng)力下相對300 kPa預(yù)壓的試件密實(shí)度均大，從而表現(xiàn)出粘聚力和內(nèi)摩擦角都有所增加。

4結(jié)論

以三峽庫區(qū)路基現(xiàn)場的碎石土為分析對象，對碎石土在不同含水率和不同密實(shí)度的剪切強(qiáng)度及強(qiáng)度參數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：

1）在同一級配細(xì)粒土含量中，碎石土內(nèi)細(xì)粒土的含水量在到達(dá)最優(yōu)含水量之前，碎石土粘聚力會隨著含水量的增加逐漸增大，當(dāng)含水量到達(dá)最優(yōu)含水量之后，碎石土粘聚力隨著含水量的增加開始呈現(xiàn)減小的現(xiàn)象。當(dāng)細(xì)粒土含水量超過15%之后，碎石土遇水軟化效應(yīng)明顯，內(nèi)摩擦角會急劇降低。

2）不同細(xì)粒土含量對碎石土路基的密實(shí)度有重要影響，當(dāng)細(xì)粒土含量達(dá)50%左右時，碎石土達(dá)到最大干密度。在同一細(xì)粒土含水量中，碎石土抗剪強(qiáng)度隨著其密實(shí)度的增加而增強(qiáng)。

3）不同密實(shí)度下的碎石土室內(nèi)直剪試驗(yàn)結(jié)果表明，室內(nèi)直剪試驗(yàn)制備試件時的預(yù)壓力值不同，特別是制備試件時預(yù)壓力值小于試驗(yàn)正應(yīng)力值時，試驗(yàn)擬合得到的抗剪強(qiáng)度參數(shù)會受到其影響，表現(xiàn)有所差異。

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（編輯王秀玲）