王春得，沈秋武，吳　銳，付　敏，楊呈剛

( 1．甘肅中建市政工程勘察設計研究院，甘肅蘭州　730000; 2．中國地質(zhì)大學工程學院，湖北武漢　430074)

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含石量對碎石土工程特性的影響試驗研究

王春得1，沈秋武1，吳銳2，付敏2，楊呈剛2

( 1．甘肅中建市政工程勘察設計研究院，甘肅蘭州730000; 2．中國地質(zhì)大學工程學院，湖北武漢430074)

摘要:以田師府—桓仁客運專線大前石嶺隧道邊坡碎石土為研究對象，在通過室內(nèi)常規(guī)物理力學試驗獲得該碎石土的基本物理性質(zhì)的基礎(chǔ)上，采用大型直剪儀對三組不同含石量的碎石土重塑樣進行了剪切試驗。試驗結(jié)果表明:隨著含石量的增加，抗剪強度增大;內(nèi)摩擦角隨著含石量的增加而增大，含石量為30%～50%時增幅較快，含石量超過50%后，增幅較慢且呈現(xiàn)逐漸穩(wěn)定的趨勢;黏聚力隨著含石量的增大先略微下降后急劇上升，在含石量為50%時最低，而后又急劇升高。碎石土的抗剪特性不同于一般巖土體，含石量對碎石土的抗剪強度影響很大。

關(guān)鍵詞:碎石土含石量大型直剪試驗抗剪特性抗剪強度

隨著現(xiàn)代工程的大規(guī)模建設及當代巖土力學的發(fā)展，土石混合體作為一種特殊的巖土體介質(zhì)越來越受到國內(nèi)外學者的關(guān)注［1-2］。土石混合體是復雜自然環(huán)境條件下的綜合產(chǎn)物，成因及結(jié)構(gòu)比較復雜，具有明顯的不規(guī)則性、不確定性并處于動態(tài)的不可逆演化之中，是由強度較高且具有一定尺寸規(guī)模的巖塊、相對軟弱的土體及內(nèi)部孔隙等所構(gòu)成的多相體系［3］。這種特殊的工程地質(zhì)體在我國大規(guī)模的巖土工程建設中普遍存在［4］，如邊坡工程、深基坑工程及鐵路和公路的路基、橋基等工程中，其物質(zhì)組成主要以角礫、碎石、塊石形成骨架，砂土、黏土等作為填充物［5］。對于這種由于自然環(huán)境變化而形成的多相地質(zhì)體，在實際工程中通常視為一種特殊的土體，如《巖土工程勘察規(guī)范》［6］、《建筑地基基礎(chǔ)設計規(guī)范》［7］以及其他規(guī)范中均將其稱之為碎石土。

國內(nèi)外學者研究表明［8-15］:含石量對碎石土的工程力學特性具有重要的影響，碎石土的變形破壞發(fā)展特征受其內(nèi)部含石量控制，進而影響著碎石土宏觀的物理力學性質(zhì)。當碎石土中的含石量超過某一臨界值時，其抗剪強度往往會隨著含石量的增加而增大，而其中塊石與細粒土體之間的接觸部位往往構(gòu)成碎石土中的軟弱帶。

近期動工興建的田師府—桓仁客運專線大前石嶺隧道進口段開挖形成人工邊坡，自然坡度約22. 5°，地勢起伏，大部分為植被覆蓋，少部分為裸露巖堆，巖堆中石塊主要為石英砂巖，石塊直徑為0. 3～1. 2 m，呈塊石土、角礫土及碎石土狀，縫隙多充填黏性土。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查、鉆探及物探結(jié)果，厚度為26. 3～48. 4 m，巖堆結(jié)構(gòu)松散，空隙度大，植被發(fā)育地區(qū)巖塊間充填細顆粒，局部具有軟弱的黏結(jié)，巖堆下部基巖為弱風化石英砂巖。邊坡一旦失穩(wěn)將嚴重威脅鐵路運營及人民的生命財產(chǎn)安全。

由于大前石嶺隧道邊坡碎石土中粗顆粒含量較多，當粗顆粒含量組成不同時，其性質(zhì)差別甚大，進行常規(guī)的直剪試驗已不能滿足對其力學性質(zhì)的完整研究。為此，本文以大前石嶺邊坡碎石土為研究對象，通過室內(nèi)常規(guī)物理力學試驗及室內(nèi)大型直剪試驗對該碎石土的基本物理性質(zhì)、剪切特性及其抗剪強度參數(shù)與含石量間的變化規(guī)律等進行研究，從而為該邊坡后期的穩(wěn)定性分析和防治提供可靠的巖土參數(shù)。

1　試驗儀器

本試驗采用微機控制電液伺服1 000 kN大型直剪儀。該儀器主要由承載機架、剪切盒、垂直液壓加載裝置、水平剪切液壓加載裝置、電腦控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6部分組成。剪切盒的長×寬×高為500 mm× 500 mm×400 mm，上、下剪切盒之間通過軸承及滾珠連接，以減小剪切盒之間的摩擦，見圖1。

2　大型直剪試驗

2. 1試驗方案

配制含石量分別為30%，50%，68. 53%的3組重塑土樣，每組土樣天然含水率均配置為9. 05%，然后在4個不同法向應力作用下采用室內(nèi)大型直剪儀進行剪切，一共進行12個土樣的剪切試驗。

圖1大型直剪儀

根據(jù)天然級配配制試樣時，若試樣中含有超過允許最大粒徑的顆粒，通常對超粒徑顆粒采取剔除法、等量替代法、相似級配法、綜合法等方法進行處理。郭慶國研究認為決定碎石土工程特性的主要因素是顆粒組成，并將5 mm定義為粗細粒分界線。本次試驗中將5 mm界定為土體與塊石之間的粒徑界限。試驗所采用的大型直剪儀所允許的最大粒徑為60 mm。顆粒分析試驗顯示，試樣中60 mm以上顆粒占全部土顆粒質(zhì)量的19. 98%，為了盡量減小粗粒土的尺寸效應，文中采用等量替代法對粒徑＞60 mm的超粒徑顆粒按比例進行替換處理，等量替代后級配曲線見圖2。

等量替代后級配計算公式為

式中: Pi為替代后某粒徑組含量，% ; P5為＞5 mm粗粒含量，% ; Pdmax為超粒徑顆粒含量，% ; Poi為原始級配某粒徑組含量，%。

圖2原始級配及等量替代后級配曲線

2. 2土樣的制備

首先對所取土樣進行顆分處理，然后按照含石量從低至高的順序，進行3組不同含石量重塑樣的配置;含石量30%土樣根據(jù)各粒徑組含量分別稱量配置，命名為土樣1;含石量50%土樣可以在土樣1的基礎(chǔ)上增加相應粒徑組直至達到所需要的質(zhì)量比，命名為土樣2;含石量68. 53%土樣可以在土樣2的基礎(chǔ)上增加相應粒徑組直至達到所需要的質(zhì)量比，命名為土樣3。3組土樣級配見表1。

表1 3組土樣級配

2. 3抗剪強度的判斷標準

采用控制重塑樣干密度的方法來制樣，以保證剪切前各試樣的密度一致。試驗過程中，當剪切應力出現(xiàn)峰值時，取峰值作為其抗剪強度;若沒有出現(xiàn)峰值，當剪切應力的讀數(shù)不再增加或者緩慢增加趨近于水平，而剪切位移急劇增大，可認為此刻擾動土試樣已剪損，取穩(wěn)定值作為其抗剪強度。若沒有出現(xiàn)上述情況，則可采取應變位移破壞判斷標準，一般取試樣直徑的1 /15～1 /10處的剪切應力作為抗剪強度。本試驗上下剪切盒相向運動，故當單向水平剪切位移在16. 6～25. 0 mm時，可取相對穩(wěn)定的剪切應力值作為其抗剪強度。

3　試驗結(jié)果與分析

3組試樣分別在法向應力200，300，400，600 kPa下進行快剪試驗，試驗過程中計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動進行數(shù)據(jù)采集，將試驗數(shù)據(jù)導入Origin進行處理后繪制出其應力—位移曲線圖，見圖3。土樣1在法向應力600 kPa時，儀器出現(xiàn)故障導致試驗數(shù)據(jù)不理想，故圖3( a)中缺失。

主壩樁號0+106.3～0+265.5壩段1 941.77 m高程以下心墻采用混凝土防滲墻防滲處理。防滲墻軸線位于壩軸線上游0.5 m處，頂部高程1 941.77 m，底部插入基巖內(nèi)2 m；防滲墻厚0.4m，采用低彈性模量混凝土,設計抗壓強度R28=7～12MPa，設計抗?jié)B標號S6，滲透系數(shù)K≤4×10-9cm/s，設計彈性模量Ei=12 000～20 000 MPa。共分為24個槽段，槽段長6 m。

從圖3可以看出，3組重塑土樣在各級法向應力作用下剪切時均沒有出現(xiàn)明顯的峰值強度，隨著水平剪切位移的增大，剪切應力增大，應力—位移曲線呈現(xiàn)為應變硬化型。這是由于在剪切過程中，碎石土體內(nèi)部塊石之間產(chǎn)生了咬合和摩擦作用，塊石不僅僅發(fā)生水平方向的運動，也會發(fā)生垂直與剪切帶方向的運動，使得碎石土體在試驗過程中隨著剪切應力的升高由剪縮狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧裘洜顟B(tài)。在應力—位移曲線上表現(xiàn)為由初始屈服階段(即緩和曲線段)向峰值強度發(fā)展。

3組重塑土樣剪切應力—位移曲線均大體可分為3個階段:①彈性變形階段;②屈服階段，隨著含石量及法向應力的增加，剪切應力達到峰值強度前的屈服階段變得愈為明顯;③應變硬化階段，在同一法向應力下，含石量高( 50%與68. 53% )的碎石土應變硬化程度明顯比含石量低( 30% )的碎石土高。同種含石量下，在應變硬化階段，低法向應力時剪切應力增長緩慢;隨著法向應力的增加，剪切應力迅速增長，應變硬化階段曲線較陡，其變形破壞機制在很大程度上受到內(nèi)部含石量的影響，應力—應變曲線與常規(guī)的土體及巖石有很大差別。

采用Origin數(shù)據(jù)處理軟件做出不同含石量下剪切應力—法向應力關(guān)系曲線(圖4)，并對4種不同法向應力下的剪切應力進行線性回歸擬合分析。

由圖4可見:當含石量從30%升為50%時，碎石土的抗剪強度增幅較大;當含石量從50%升為68. 53%時，碎石土的抗剪強度增幅略減小;含石量為68. 53%時，隨著法向應力的增大，抗剪強度增大的幅度比含石量為30%時抗剪強度增大的幅度大。

圖3不同含石量下剪切應力—位移關(guān)系曲線

圖4不同含石量下剪切應力—法向應力關(guān)系曲線

由抗剪強度—含石量關(guān)系曲線(圖5)可以看出:抗剪強度隨著含石量的增加而增大，含石量一定時碎石土的抗剪強度隨著法向應力的增大而增大。

從圖6可見:

1)內(nèi)摩擦角φ隨著含石量的增加而增大，在含石量為30%～50%增幅較快，含石量超過50%以后，增幅較慢，呈逐漸穩(wěn)定的趨勢。這是因為:對于黏性土而言，其抗剪強度主要由黏聚力c貢獻;而對于含石量較大的碎石土，其抗剪強度則主要由內(nèi)摩擦角φ貢獻?？傮w說來，隨著含石量的增加，土體中細粒部分不斷減少，從而引起內(nèi)摩擦角增加，黏聚力減小，即碎石土由土性轉(zhuǎn)化為石性。從細部來看，當含石量＜30%時，塊石懸浮在主要由土體構(gòu)成的介質(zhì)中，塊石間孔隙較大，難以發(fā)生相互咬合和摩擦，土性占優(yōu)勢。當含石量介于30%～50%時，細粒含量與含石量較為均衡，塊石要形成骨架則必須將土壓密才能形成，而土體中細粒含量又比較多，阻礙了塊石形成相對完整的骨架，致使碎石土兼?zhèn)渫列耘c石性。當含石量＞50%時，細粒部分不足以填充碎石形成的骨架，石性占優(yōu)勢，從而表現(xiàn)出碎石的性質(zhì)，內(nèi)摩擦角φ較大。

圖5不同法向應力下抗剪強度—含石量關(guān)系曲線

圖6強度指標隨含石量變化曲線

2)隨著含石量的增大黏聚力c先略微下降而后急劇上升，在含石量達到50%時黏聚力最低，而后急劇升高。這個現(xiàn)象可以從土體的密實度與細粒含量的相互關(guān)系來解釋。眾所周知，隨著含石量的升高，土體密度增大，黏聚力往往會升高，而隨著細粒含量的減少，黏聚力會降低，碎石土包含了這兩種特性。當含石量由30%增加到50%時，土體的密度逐漸增大，黏聚力增大值略小于由細粒土減少引起的黏聚力減小值，從而表現(xiàn)為c值略微地降低。隨著含石量繼續(xù)增加到68. 53%，土體的密度進一步增大，塊石間產(chǎn)生的咬合力充分發(fā)揮作用，從而引起“假黏聚力”，即部分咬合力轉(zhuǎn)為黏聚力，使得黏聚力c值急劇增大。

4　結(jié)論

1)碎石土的抗剪特性與一般巖土體區(qū)別很大，碎石土不均勻性很明顯，兼?zhèn)渫列耘c石性。通常，在碎石土體內(nèi)細顆粒主要起到填充和膠結(jié)作用，而粗顆粒主要起骨架作用，隨著碎石土體內(nèi)含石量的不同在土性與石性這二種性質(zhì)間轉(zhuǎn)變。

2)含石量在很大程度上影響著碎石土的抗剪強度。隨著含石量的增加，抗剪強度增大。內(nèi)摩擦角隨著含石量的增加而增大，在含石量為30%～50%時增幅較快，含石量超過50%后，增幅較慢漸趨穩(wěn)定;黏聚力隨著含石量的增大先略微下降而后急劇上升，在含石量達到50%時最低，而后急劇升高。

3)不同含石量下碎石土重塑樣應力—應變曲線均沒有出現(xiàn)明顯的峰值強度，表現(xiàn)為彈性變形階段、屈服階段和應變硬化階段3個階段。隨著含石量的增加，屈服階段愈為明顯;在同一法向應力下，含石量高的碎石土樣應變硬化程度明顯比含石量低的碎石土樣高。碎石土變形破壞程度在很大程度上受到其含石量的影響。

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(責任審編葛全紅)

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《鐵道建筑》編輯部

Experimental study on effect of stone content on engineering performance of crushed stone soil

WANG Chunde1，SHEN Qiuwu1，WU Rui2，F(xiàn)U Min2，YANG Chenggang2

( 1．Gansu CSCEC Municipal Engineering Investigation and Design Institute，Lanzhou Gansu 730000，China; 2．Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan Hubei 430074，China)

Abstract:T he research objective is the crushed stone soil in the slope of Daqianshiling T unnel in the T ianshifu-Huanren passenger dedicated railway．T he basic physical properties of crushed stone soil were tested in lab．T he shear test of three groups sample with different stone content was conducted by using the indoor large direct shear tests．T he test results show that shear strength increases with the stone content．T he internal friction angle increases as the stone content goes up; in particular，the increase rate is the largest when the stone content is 30% through 50%，and then the rate decreases gradually．As the stone content increases，the cohesion initially decreases slightly，then drastically increases．T he cohesion reaches its lowest and then rises up drastically．T he shear performance of the crushed stone soil is different from other soil，and the stone content has a significant effect on the shear strength．

Key words:Crushed stone soil; Stone content; Large direct shear test; Shear characteristics; Shear strength

文章編號:1003-1995( 2016) 02-0097-05

作者簡介:王春得( 1975—)，男，高級工程師。

收稿日期:2015-06-10;修回日期: 2015-12-20

中圖分類號:TU411．7

文獻標識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．24