王青志，朱鑫鑫，劉建坤，呂 鵬，劉振亞

(北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

為滿足列車高速、舒適、安全運行的要求，高速鐵路路基基床設(shè)計對路基填料強度、剛度及長期穩(wěn)定性有更高的要求。《新建時速200～250 km客運專線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)〔2005〕140號)明確規(guī)定：基床表層應(yīng)采用級配砂礫石或級配碎石等材料；基床底層采用A、B組填料或改良土，基床以下路堤應(yīng)優(yōu)先選用A、B組填料和C組塊石、碎石、礫石類填料?；膊糠炙玫募壟渌槭虯、B組填料，屬粗顆粒土范疇。粗粒土有吸水性差、透水性好、填筑密度大、沉降變形小、弱凍脹性、承載力高等特點。粗顆粒土的強度是指其抗剪強度，主要通過大型直接剪切試驗和大型三軸剪切試驗測定。文獻[1]通過顆粒組成、形狀、密度及含水率等影響因素對粗顆粒土抗剪強度進行研究。文獻[2]認(rèn)為由于剪切面上的粗顆粒阻擋剪切，粗顆粒土受剪的破壞面并非平面，而是不規(guī)則的曲面或剪切帶。粗顆粒相互交錯鑲嵌形成咬合力，使粗顆粒土的強度大幅度提高。文獻[3]針對武廣客運專線基床表層填料級配碎石進行了大型三軸和直剪試驗，認(rèn)為排水剪呈應(yīng)變軟化型曲線，不排水剪呈應(yīng)變硬化型曲線，而且在較低的應(yīng)力水平下，試樣直剪快剪的抗剪強度介于三軸不排水剪強度與排水剪強度之間。對于凍土的抗剪強度，文獻[4，5]指出在凍土形成過程中，由于受到一定的溫度和壓力作用，孔隙水轉(zhuǎn)化為孔隙冰，改變了土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進而改變了土體強度，使凍土強度和相同條件下非凍結(jié)土強度有很大差別，而凍土中孔隙冰的性質(zhì)及其與土顆粒的連接作用是影響凍土強度的最重要因素。文獻[6]指出圍壓或溫度的升高增強了凍結(jié)蘭州砂土的塑性及應(yīng)變硬化性能。文獻[7]總結(jié)了凍土強度的特性，指出凍土強度經(jīng)常大于融土強度和冰強度之和，內(nèi)摩擦角等于或略小于對應(yīng)融土的內(nèi)摩擦角。文獻[8]認(rèn)為凍土同時具有高溫下融土摩擦類材料的強度特性和低溫下凍結(jié)土晶格類材料的強度特性。文獻[9]研究了壓實度和含水率對凍結(jié)粉土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及黏聚力、內(nèi)摩擦角的影響。文獻[10]采用哈大客運專線路基素填土進行凍結(jié)條件下凍土與混凝土接觸面直剪試驗研究，凍結(jié)強度由土中已凍結(jié)純冰與混凝土接觸面的凍結(jié)力以及土顆粒、未凍結(jié)水與混凝土表面的黏聚力共同貢獻。文獻[11]認(rèn)為純冰與混凝土的凍結(jié)力和土顆粒與混凝土的黏聚力組成了峰值強度，黏聚力和摩擦力組成了殘余強度。文獻[12]指出凍結(jié)狀態(tài)下青藏粉土與玻璃鋼接觸面屈服時呈脆性破壞，存在明顯的峰值，破壞后應(yīng)力降幅明顯，而溫度對抗剪強度的影響主要體現(xiàn)在黏聚力的改變。

隨著高速鐵路在寒冷或嚴(yán)寒地區(qū)的建設(shè)，凍結(jié)條件和凍融循環(huán)對路基粗顆粒填料抗剪強度的影響受到重視。現(xiàn)有研究較少涉及凍土地區(qū)粗顆粒填料的抗剪強度研究。文獻[13]通過室內(nèi)三軸試驗分析了凍融次數(shù)、細(xì)粒含量以及圍壓對粗顆粒土試樣強度特性的影響規(guī)律，指出隨著細(xì)粒含量的增加，粗顆粒土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線由凍融前的應(yīng)變軟化現(xiàn)象過渡到凍融后的應(yīng)變硬化現(xiàn)象，粗顆粒土的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨凍融次數(shù)的增加而減小，并在經(jīng)歷6次凍融后達(dá)到穩(wěn)定，其隨細(xì)粒含量的增加并非一直增大。因此有必要對寒區(qū)高速鐵路路基粗顆粒填料在不同情況下的剪切特性進行研究。本文以沈(陽)丹(東)高速鐵路基床表層填料級配碎石和基床底層填料A組土為研究對象，進行高壓實度狀態(tài)下大型直接剪切試驗，分析其剪切位移-剪切應(yīng)力曲線特征、抗剪強度及其指標(biāo)隨垂直壓力、含水率和溫度變化的規(guī)律，以期為凍土地區(qū)高速鐵路建設(shè)設(shè)計和安全評價提供科學(xué)依據(jù)。

1 試樣制備和試驗方法

試驗使用儀器為北京交通大學(xué)凍土實驗室的全自動土工粗顆粒土控溫直剪試驗系統(tǒng)，如圖1所示。該設(shè)備為一款內(nèi)置冷液循環(huán)系統(tǒng)的大型數(shù)控靜力直剪儀，垂直壓力和橫向推力由兩臺步進伺服電機驅(qū)動，最大輸出分別為100 kN和150 kN，并帶有反饋控制模塊，可以分別實現(xiàn)位移和力的精確控制。剪切盒內(nèi)側(cè)為鋼制結(jié)構(gòu)層，外側(cè)為冷液循環(huán)空腔，在腔內(nèi)與外界環(huán)境有熱交換的位置鋪設(shè)有保溫層。系統(tǒng)配有大功率冷浴循環(huán)機，對上、下剪切盒進行制冷和溫度控制，具有維持剪切面附近法向溫度梯度的能力。

(a)大型直剪試驗系統(tǒng)主機

(b)位移計

(c)數(shù)據(jù)采集儀圖1 大型控溫土工粗顆粒土直剪試驗系統(tǒng)

試驗用粗顆粒填料取自沈丹高速鐵路路基基床表層和基床底層，其級配曲線如圖2所示。依據(jù)《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》(TB 10001—2005)的規(guī)定，可以判定填料為級配碎石和級配良好的含土礫砂，屬于A組填料。采用重型擊實儀進行擊實試驗，得到其最優(yōu)含水率和最大干密度，見表1。

圖2 顆粒級配曲線

粗顆粒填料最優(yōu)含水率/%最大干密度/(g·cm-3)A組土72.2級配碎石52.49

試樣按不同含水率要求加水拌勻并浸潤12 h，以保證試樣的含水率均勻一致。粗顆粒土粒徑較大，裝在剛性盒中，剪切破壞時發(fā)生滑動和滾動，必然受到剛性盒的約束造成抗剪強度結(jié)果失真。本試驗制備試樣體積為300 mm×300 mm×180 mm，剪切盒的尺寸與顆粒粒徑比例關(guān)系較合理，避免了剛性盒的約束作用。使用垂直壓力加載系統(tǒng)分3層進行壓實。啟動垂直加載裝置，加上指定大小的垂直壓力并保持穩(wěn)定；啟動水平加載裝置，以約10 mm/h的速度推動上盒水平運動。垂直方向和水平方向的應(yīng)力和位移均自動同步記錄，如圖1(b)和圖1(c)所示，采樣頻率50 Hz。試驗過程中的垂直壓力由系統(tǒng)通過反饋控制，以調(diào)整垂直位移的方式保持其恒定，動態(tài)誤差為±2 kPa。

進行凍結(jié)條件下的直剪試驗時，在剪切盒內(nèi)壁、土體中心和剪切面附近分別布置溫度探頭，利用溫度采集儀DT80監(jiān)測試樣內(nèi)部溫度，如圖3(a)所示。打開冷浴循環(huán)，冷凍試樣并觀察溫度，直到土內(nèi)溫度與剪切面附近溫度基本一致且沒有波動為止(通常需15～24 h)，此時試樣內(nèi)部已達(dá)到熱平衡，溫度場已穩(wěn)定。進行直剪試驗，試驗結(jié)束后卸載，關(guān)閉冷浴循環(huán)，待試樣升溫融化卸除，如圖3(b)所示。試樣溫度由冷浴循環(huán)機根據(jù)溫度探頭的記錄進行調(diào)節(jié)，剪切過程中試樣剪切面不超過1 ℃；取剪切面10 mm以內(nèi)范圍的試樣，發(fā)現(xiàn)試驗后級配碎石剪切面含水率波動不超過0.5%，A組土含水率波動不超過1%，可以認(rèn)為在剪切過程中剪切面溫度和含水率保持不變。

(a)凍結(jié)條件下溫度探頭的布置

(b)凍結(jié)后的A組土試樣圖3 大型直剪試驗粗顆粒土試樣

對高速鐵路路基粗顆粒填料級配碎石和A組土進行非凍結(jié)和凍結(jié)狀態(tài)下的直剪試驗，分析比較其剪切位移-剪切應(yīng)力曲線、抗剪強度及其指標(biāo)，因此采用不同含水率、不同溫度和不同垂直壓力進行試驗，試驗方案見表2。

表2 試驗方案

2 試驗結(jié)果分析與討論

2.1非凍結(jié)狀態(tài)下粗顆粒填料剪切位移-剪切應(yīng)力特征

圖4為粗顆粒填料在非凍結(jié)狀態(tài)下(20 ℃)的剪切位移-剪切應(yīng)力曲線。圖4(a)為壓實度0.95、含水率9%的A組土試樣剪切位移-剪切應(yīng)力曲線；圖4(b)為壓實度0.95、含水率7%的級配碎石在不同垂直壓力時的剪切位移-剪切應(yīng)力曲線。在試驗的初始階段，剪切應(yīng)力隨位移呈比例增加，增長率較大，為彈性變形階段；隨著位移的繼續(xù)增加，曲線斜率變小，呈非線性增加，為塑性變形階段；當(dāng)位移增加到一定階段，曲線出現(xiàn)拐點，即土體整體滑動破壞，有時伴有顆粒破裂聲音；經(jīng)過一段時間，剪切面迅速屈服，剪切應(yīng)力小幅減小或保持穩(wěn)定。

(a)A組土(含水率9%，溫度20 ℃)

(b)級配碎石(含水率7%，溫度20 ℃)圖4 非凍結(jié)狀態(tài)下粗顆粒土剪切位移-剪切應(yīng)力曲線

可以觀察到粗顆粒填料在不同垂直壓力作用下，達(dá)到同一剪切位移時剪切應(yīng)力不同，且隨著垂直壓力的增加，剪切應(yīng)力增加，試樣到達(dá)破壞點的剪切位移和所需的剪切應(yīng)力均有所增大，剪切位移-剪切應(yīng)力曲線由軟化型向硬化型發(fā)展。這種過渡主要是因為粗顆粒土是由大小不等、性質(zhì)不一的顆粒彼此充填成的粒狀結(jié)構(gòu)體，抗剪強度主要決定于顆粒間的摩擦力和咬合力。當(dāng)粗顆粒土處于密實狀態(tài)時(A組土、級配碎石壓實度均為0.95)，大小顆粒相互填充密實，顆粒擠得很緊，在剪切過程中顆粒間的摩擦力大，在剪切破壞過程中，顆粒在剪切面或剪切帶發(fā)生移動或滾動，甚至翻越臨近顆粒，必然發(fā)生剪脹變形，克服剪脹變形做功的咬合力增大，應(yīng)力值增高，至峰點達(dá)到最大值。但在峰點后，因剪脹變形的增大，結(jié)構(gòu)變松，由于垂直壓力較小，對土顆粒的約束較小，如級配碎石和A組土在低垂直壓力(50 kPa和100 kPa)作用時，剪脹變形引起的咬合力逐漸降低直至消失，形成應(yīng)力減小現(xiàn)象，剪切應(yīng)力與剪切位移呈現(xiàn)弱軟化型。當(dāng)垂直壓力逐漸變大時，阻礙顆粒移動的阻力越大，剪脹變形越小，導(dǎo)致粗顆粒土剪切應(yīng)力與剪切位移關(guān)系逐漸向硬化型發(fā)展。由于以上原因，粗顆粒土在剪切破壞的過程中，除了克服摩阻力還要克服剪脹變形作功，因此比密實度不高的粗顆粒土強度值大。

剪切位移-剪切應(yīng)力曲線由應(yīng)變軟化向應(yīng)變硬化的過渡規(guī)律，可由粗顆粒填料直剪過程中記錄的剪切位移和垂直位移的關(guān)系說明，圖5為壓實度0.95、含水率7%的級配碎石在非凍結(jié)狀態(tài)(20 ℃)不同垂直壓力下的剪切位移-垂直位移關(guān)系曲線。從圖5可以看出，由于試樣壓實度較高，在試驗所施加的垂直壓力范圍內(nèi)，試樣都出現(xiàn)了不同程度的剪脹，垂直壓力越低剪脹越明顯；隨著垂直壓力的增大，剪脹效應(yīng)減小，但未出現(xiàn)剪縮現(xiàn)象。

圖5 不同垂直壓力下級配碎石剪脹特性

2.2 凍結(jié)狀態(tài)下粗顆粒填料剪切位移-剪切應(yīng)力特征

圖6為A組土和級配碎石在凍結(jié)條件下的剪切位移-剪切應(yīng)力曲線。圖6(a)中試樣為壓實度0.95、含水率9%的A組土，溫度為-3 ℃；圖6(b)中試樣為壓實度0.95、含水率7%的級配碎石，溫度為-3.5 ℃。從圖6可以看出，試驗初始階段，剪切應(yīng)力急劇增加，而剪切位移不變化，彈性階段不明顯。尤其是凍結(jié)條件下的級配碎石，剪切應(yīng)力增加到約200 kPa時才有剪切位移產(chǎn)生，如圖6(b)所示。其他階段與非凍結(jié)狀態(tài)下的剪切位移-剪切應(yīng)力特征類似。A組土與級配碎石在凍結(jié)條件下，隨著垂直壓力的增大，試樣到達(dá)破壞點的剪切位移和所需剪切應(yīng)力均有所增大。與非凍結(jié)狀態(tài)相比，試樣破壞時的剪切位移較小。可以看出粗顆粒土在垂直壓力較低時(如垂直壓力為50 kPa、100 kPa的A組土)，剪切位移-剪切應(yīng)力關(guān)系曲線呈軟化型，隨著垂直壓力的增大，曲線由軟化型向硬化型發(fā)展。

(a)A組土 (含水率9%，溫度-3 ℃)

(b)級配碎石(含水率7%，溫度-3.5 ℃)圖6 凍結(jié)狀態(tài)下粗顆粒土剪切位移-剪切應(yīng)力曲線

2.3 粗顆粒填料抗剪強度特性

粗顆粒土由大小不同的顆粒組成，尤其是級配碎石，單個粗顆粒本身強度較高。文獻[1]總結(jié)了砂礫石、礫石土、風(fēng)化石渣等粗顆粒土的抗剪強度特性，認(rèn)為都是由三部分組成的，即細(xì)顆粒本身的強度、粗顆粒間的強度和粗、細(xì)顆粒間的強度。而粗顆粒影響粗顆粒土抗剪強度的程度取決于其含量。本試驗中，級配碎石粗料P5(顆粒粒徑>5 mm)含量為50%，在30%～70%之間，抗剪強度決定于粗料、細(xì)料(顆粒粒徑<5 mm)的共同作用；A組土粗料P5含量為13%，小于30%，抗剪強度基本決定于細(xì)料。粗顆粒土凍結(jié)時的強度由土中已凍結(jié)孔隙冰、顆粒之間的黏聚力和咬合力、粗細(xì)顆粒本身強度等共同貢獻。根據(jù)文獻[1，2]關(guān)于粗顆粒土剪切面和抗剪強度的分析，本文用C代表粗顆粒土黏結(jié)力和咬合力，φ代表其內(nèi)摩擦角，用庫倫方程分析粗顆粒土的抗剪強度特性。

峰值抗剪強度是剪切面發(fā)生滑動前的最大剪切應(yīng)力。取應(yīng)變軟化型峰值作為峰值抗剪強度。應(yīng)變硬化型，即無明顯峰值強度時，從粗顆粒填料剪切位移-剪切應(yīng)力特征曲線來看，在剪切破壞過程中，剪切應(yīng)力達(dá)到試樣破壞時的應(yīng)變值為1.33%～2.67%(相對于300 mm的橫向尺寸，剪切位移為4～8 mm)，故取應(yīng)變值平均值2%對應(yīng)的剪切應(yīng)力作為應(yīng)變硬化時的峰值抗剪強度。

圖7為非凍結(jié)狀態(tài)和凍結(jié)狀態(tài)下粗顆粒土不同含水率時抗剪強度隨著垂直壓力變化過程的比較。從圖7(a)可以看出，A組土在非凍結(jié)狀態(tài)(20 ℃)下含水率一定時，抗剪強度隨著垂直壓力增加而增大，說明大小顆粒間相互填充更充分，顆粒擠得更緊密，咬合力更大，在剪切過程中，外力克服骨料間摩擦力所做的功也逐漸增大，內(nèi)摩擦角增大；當(dāng)含水率增大時，同一垂直壓力時的抗剪強度隨著含水率增加而降低。如當(dāng)含水率從7%增加到12%、垂直壓力為400 kPa時，剪切強度從238 kPa降低到172 kPa。其主要原因是：A組土含水率增加時，土體結(jié)構(gòu)軟化，尤其隨著含水率增大，結(jié)合水膜也增厚，土粒之間距離增大使A組土結(jié)構(gòu)強度降低，土體抵抗剪切應(yīng)力的能力被削弱，從而導(dǎo)致抗剪強度值降低。在凍結(jié)狀態(tài)下，相同負(fù)溫(-3 ℃)和相同凍前含水率時，A組土抗剪強度變化與非凍結(jié)狀態(tài)時類似，均隨垂直壓力增加而增大；相同垂直壓力作用下，試樣的抗剪強度隨試樣凍前含水率的增加而增大，如當(dāng)垂直壓力為50 kPa、含水率從7%增加到12%時，抗剪強度從375 kPa增加到535 kPa。上述數(shù)據(jù)說明，凍前含水率的增加增大了凍結(jié)試樣抵抗剪切變形的能力。這是因為凍前含水率越大，土中自由水和弱結(jié)合水的含量就越多，在凍結(jié)過程凍結(jié)的水分越多，含冰量越大，冰和土顆粒之間的聯(lián)結(jié)作用越強，因此抗剪強度越高。在相同凍前含水率、相同垂直壓力作用下，抗剪強度隨試樣溫度的降低而增加，如當(dāng)垂直壓力為50 kPa、含水率9%時，溫度從-1 ℃降低到-5 ℃時抗剪強度從360 kPa增加到了454 kPa，表明溫度的降低提高了試樣抵抗剪切變形的能力。這是因為溫度越低，土中未凍水的含量越少，土中形成冰的強度越高，高強度冰填充在土顆?？紫吨谐惺芰艘欢ǖ募羟辛Γ屯令w粒之間的相互作用越強烈，因此抗剪強度越高。

(a)A組土

(b)級配碎石圖7 非凍結(jié)和凍結(jié)狀態(tài)下抗剪強度變化過程比較

從圖7(a)中還可以看出，非凍結(jié)土(20 ℃)在相同垂直壓力、不同含水率時抗剪強度差距較小。而凍土(-3 ℃)中存在孔隙冰形式的膠結(jié)冰，能夠承受一定的荷載，土骨架顆粒與膠結(jié)冰共同作用，所以其抗剪強度比一般非凍結(jié)土高，不同含水率時抗剪強度差距較大。如圖7(b)所示,級配碎石在非凍結(jié)狀態(tài)和凍結(jié)狀態(tài)抗剪強度變化過程與A組土類似，由于級配碎石細(xì)顆粒與粗顆粒共同作用更強，顆粒強度更高，與A組土相比，其抗剪強度更高。

2.4溫度和含水率對粗顆粒填料抗剪強度指標(biāo)的影響

圖8是A組土抗剪強度指標(biāo)，即黏聚力與咬合力C及內(nèi)摩擦角隨溫度和含水率的變化。從圖8(a)可以看到，在試驗含水率范圍內(nèi)，非凍結(jié)狀態(tài)A組土試樣的C值隨含水率的增加緩慢減小，當(dāng)含水率從7%增加到12%時，C值從35.77 kPa降低到11.37 kPa。凍結(jié)狀態(tài)時，相同溫度下，含水率越大的試樣C值越大，當(dāng)溫度為-3 ℃、含水率從7%增加到12%時，C值從360 kPa增加到558 kPa。試樣C值隨含水率增加而增大的幅度隨試樣溫度的降低而增大，這是由于溫度決定了凍土中未凍水的含量，直接影響土顆粒和冰的聯(lián)結(jié)作用。該聯(lián)結(jié)作用對溫度的變化較敏感，其聯(lián)結(jié)強度隨溫度的降低而增大。低溫凍土具有的較高聯(lián)結(jié)強度是其具有高C值的關(guān)鍵因素。

(a)C值

(b)內(nèi)摩擦角圖8 A組土抗剪強度指標(biāo)隨溫度和含水率變化過程

從圖8(b)可以看出，不論非凍結(jié)狀態(tài)還是凍結(jié)狀態(tài)，A組土試樣內(nèi)摩擦角隨溫度下降和含水率增大而減小。非凍結(jié)狀態(tài)時，內(nèi)摩擦角變化較為平緩，含水率從7%增大到12%時，A組土內(nèi)摩擦角從26.48°降至22.59°。這是由于土內(nèi)摩擦角主要決定于土顆粒的大小、表面粗糙度以及顆粒間的嵌入、聯(lián)接、鎖緊作用等產(chǎn)生的咬合力。對于非凍結(jié)狀態(tài)的試樣，含水率變化基本沒有破壞顆粒之間的相互作用及土體本質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此，內(nèi)摩擦角變化較為平穩(wěn)。凍結(jié)條件下，主要因為剪切過程中摩擦導(dǎo)致了剪切面熱平衡狀態(tài)變化，引起冰與未凍水的含量變化以及水分的重分布，水分在接觸面的集聚填充了剪切面附近的孔隙，并形成水膜，起到了潤滑和減小摩擦力的作用，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角下降。隨著含水率增加，這種作用變得更加明顯。當(dāng)含水率為7%、溫度為-1 ℃時，A組土內(nèi)摩擦角為24.14°，而當(dāng)含水率為12%、溫度為-5 ℃時，內(nèi)摩擦角降為12.6°。

還可以觀察到，隨著溫度進一步降低，A組土試樣內(nèi)摩擦角下降趨勢變緩，如圖8(b)所示，A組土在-5 ℃時內(nèi)摩擦角變化不如其他溫度變化迅速。從圖8(a)可以看出，隨著溫度的進一步降低，C值增長幅度變大。因此溫度對抗剪強度的影響主要體現(xiàn)在C值的改變，隨著含水率的增加，溫度對C值的影響增強。如圖8所示，當(dāng)含水率為7%時，C值從溫度-1 ℃的283 kPa增加到溫度為-5 ℃的513 kPa，φ從溫度-1 ℃的24.14°降低到溫度為-5 ℃時的19.29°；當(dāng)含水率為12%時，C值從溫度-1 ℃的488 kPa增加到溫度為-5 ℃的762 kPa，φ從溫度-1 ℃的14.45°降低到溫度為-5 ℃時的12.26°。

圖9為級配碎石抗剪強度指標(biāo)隨溫度和含水率的變化曲線，其趨勢與A組土類似。由于級配碎石粗顆粒與細(xì)顆粒之間咬合力更大、粗顆粒強度更高，故其C值與內(nèi)摩擦角均較A組土大。

(a)C值

(b)內(nèi)摩擦角圖9 級配碎石抗剪強度指標(biāo)隨溫度和含水率變化曲線

3 結(jié)論

高速鐵路路基基床表層填料級配碎石和基床底層填料A組土屬粗顆粒土范疇，本文通過大型土工粗顆粒土控溫直剪試驗系統(tǒng)研究高壓實狀態(tài)下粗顆粒土在非凍結(jié)和凍結(jié)狀態(tài)下的剪切特性，分析其抗剪強度及相關(guān)指標(biāo)隨溫度、含水率和垂直壓力的變化規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1)分析粗顆粒土剪切位移-剪切應(yīng)力曲線可以發(fā)現(xiàn)，非凍結(jié)和凍結(jié)狀態(tài)下的高壓實度粗顆粒土在垂直壓力相對較低時呈應(yīng)變軟化型，有明顯峰值；較高垂直壓力時呈應(yīng)變硬化型，沒有明顯峰值。這主要是由于低垂直壓力作用對土顆粒的約束較小，粗顆粒土剪脹變形較大；垂直壓力較大時，剪脹變形較小。

(2) 由于粗料含量影響，本試驗中的粗顆粒填料抗剪強度仍決定于細(xì)料、粗料與細(xì)料的共同作用，而不是粗料的強度。粗顆粒土凍結(jié)強度由土中已凍結(jié)孔隙冰、顆粒之間的黏聚力和咬合力、粗細(xì)顆粒本身強度等共同貢獻。當(dāng)含水率一定、垂直壓力增大時，無論非凍結(jié)或凍結(jié)狀態(tài)，粗顆粒土抗剪強度明顯提高，這是由于粗顆粒土在剪切過程中大小顆粒間填充更充分，咬合力更大。當(dāng)含水率增大時，非凍結(jié)狀態(tài)的粗顆粒土試樣，由于水軟化了土體結(jié)構(gòu)，起潤滑作用，故其抗剪強度減弱；而凍結(jié)狀態(tài)的粗顆粒土試樣，隨著溫度降低，未凍水含量減小，填充于粗顆粒土空隙的高強度冰承受了一定的剪切力，其抗剪強度比非凍結(jié)狀態(tài)的試樣高。

(3)試樣凍前含水率和溫度明顯影響粗顆粒填料的抗剪強度指標(biāo)。非凍結(jié)狀態(tài)時，粗顆粒土內(nèi)摩擦角緩慢減小。在凍結(jié)條件下，隨著溫度降低，粗顆粒土的C值隨含水率增加而增大的趨勢變強，主要是因為未凍水含量隨溫度降低而減小，土顆粒與冰聯(lián)結(jié)作用隨溫度降低和含水率增加而增強。凍結(jié)狀態(tài)時，內(nèi)摩擦角隨溫度的降低而減小，主要由剪切過程中摩擦導(dǎo)致剪切面熱平衡狀態(tài)變化引起。隨著含水率增加，這種變化更加明顯。由于粗顆粒本身強度和顆粒之間的咬合力更大，與A組土相比，級配碎石在凍結(jié)和非凍結(jié)狀態(tài)下抗剪強度及其指標(biāo)有相似的變化規(guī)律，有更大的C值和內(nèi)摩擦角。

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