李培焰

(福建省建專巖土工程有限公司 福建福州 350001)

碎石含量對(duì)堆積巖土體抗剪強(qiáng)度的影響

李培焰

(福建省建專巖土工程有限公司 福建福州 350001)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取得的堆積巖土及人工制作的不同碎石含量的巖土體分別進(jìn)行大型直剪試驗(yàn)，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)及土體抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式，得出了不同碎石含量下巖土體的抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律。研究表明:碎石土的粘聚力隨著碎石含量的增加呈現(xiàn)先遞增后遞減的趨勢(shì)，內(nèi)摩擦角隨著碎石土含量的增加而不斷地增大，但呈現(xiàn)增速減緩的趨勢(shì)。

碎石含量;堆積巖土體;抗剪強(qiáng)度;大型剪切試驗(yàn)

1 研究背景

近年來(lái)，出現(xiàn)越來(lái)越多的高邊坡工程。在高邊坡工程建設(shè)過(guò)程中，開(kāi)挖土石方量較大，因外運(yùn)成本較高，或場(chǎng)地限制外運(yùn)不及時(shí)，需要暫時(shí)保留巖土體作為回填土，通常會(huì)選擇在場(chǎng)地周邊設(shè)置排土場(chǎng)，進(jìn)行臨時(shí)性或永久性人工堆填。當(dāng)人工堆填土達(dá)一定高度時(shí)，可能產(chǎn)生坡體滑塌、破壞等工程事故，影響人身及財(cái)產(chǎn)安全。因此，對(duì)巖土堆積體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析就顯得格外重要。

福建山地地區(qū)高邊坡工程，在開(kāi)挖高度范圍內(nèi)，所揭示的巖土層，至上而下分別為填土層、粘質(zhì)粘性土層、全風(fēng)化巖層、強(qiáng)風(fēng)化巖層及中風(fēng)化巖層，故開(kāi)挖過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的土方、石方。在堆填的過(guò)程中，難免會(huì)產(chǎn)生各種配合比的碎石、粘性土混合體，以及各種坡率、坡高的堆積。由于巖土體碎石含量不一，用常規(guī)的小試件很難進(jìn)行試驗(yàn)，需做現(xiàn)場(chǎng)大剪切試驗(yàn)或室內(nèi)大剪切試驗(yàn)，如此則花費(fèi)大量的精力和資金，堆積體坡體穩(wěn)定性驗(yàn)算也變得繁瑣、復(fù)雜。因此，本文擬通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、成果分析等一系列研究，總結(jié)出巖土混合體抗剪強(qiáng)度的一些規(guī)律，為堆積體坡高及坡率設(shè)計(jì)提供參考。

眾所周知，邊坡產(chǎn)生滑坡的原因主要有以下兩個(gè)因素:

(1)自身因素

當(dāng)土體在重力作用下的下滑力大于土體自身的摩擦抗滑力時(shí)，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)生整體剪切破壞或整體滑動(dòng)破壞。土體的下滑力在土體中產(chǎn)生剪應(yīng)力，土體的抗滑能力實(shí)質(zhì)上就是土體的抗剪能力，而土體抗剪能力的大小主要取決于土的內(nèi)摩擦系數(shù)與內(nèi)聚力的大小。因而，此項(xiàng)參數(shù)對(duì)邊坡的坡率及堆填高度具有決定性的作用。

(2)外界因素

坡體在雨水、地表水的滲透作用下，土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)急劇下降，且自重增大，導(dǎo)致穩(wěn)定性降低，產(chǎn)生整體破壞或坡面局部剪切破壞。地震作用、坡頂行車、堆物等因素，也會(huì)增加土體的下滑應(yīng)力，導(dǎo)致滑坡。

本文主要從巖土體自身的抗剪強(qiáng)度入手，分析碎石含量對(duì)巖土體的力學(xué)參數(shù)，特別是抗剪強(qiáng)度的影響，為堆積體坡率、堆填高度的設(shè)計(jì)及邊坡穩(wěn)定性分析提供參考。

2 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)主要是測(cè)試原位碎石土及自制碎石土的容重、顆粒組成、碎石含量、內(nèi)摩擦角、粘聚力等參數(shù)，為坡體穩(wěn)定性計(jì)算提供參數(shù)。

2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

本試驗(yàn)以邵武市某邊坡的土石方排土場(chǎng)作為試驗(yàn)地點(diǎn)。該邊坡最高高度達(dá)72.5m。

圖1 典型剖面

如圖1所示，根據(jù)設(shè)計(jì)坡度開(kāi)挖后所產(chǎn)生的土石方分別為:②凝灰熔巖殘積砂質(zhì)粘性土;③全風(fēng)化凝灰熔巖;④砂土狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖;⑤碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖;⑥中風(fēng)化凝灰熔巖，巖石體與土體各占一定比例。因外運(yùn)難度較大，成本較高，故將巖土體暫時(shí)堆填在邊坡南側(cè)的閑置地。

2.2 試驗(yàn)條件

針對(duì)排土場(chǎng)土石方的排放方式和運(yùn)動(dòng)特征，作如下假設(shè):

(1)土石方的堆填過(guò)程中各種粒徑含量的土體的堆積是隨機(jī)的。

(2)認(rèn)為土石方的分布規(guī)律在排土場(chǎng)表面和內(nèi)部是一致的。因此，隨著時(shí)間的推移，沿排土場(chǎng)全長(zhǎng)，散體巖土的分布不盡相同，但在一定時(shí)期內(nèi)，總體分布是一致的。

(3)由于現(xiàn)場(chǎng)取樣自土石方同一區(qū)域，土體含水量基本一致，故不考慮含水量變化對(duì)試樣抗剪強(qiáng)度的影響。

(4)粒徑＜5mm的認(rèn)定為土體顆粒，粒徑≥5mm的認(rèn)定為碎石顆粒［1］。

(5)由于密實(shí)度與含水率對(duì)巖土體的抗剪強(qiáng)度均有一定影響［2－3］。本次試驗(yàn)對(duì)象是自然狀態(tài)堆積，未經(jīng)壓實(shí)、排水的巖土體。

2.3 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

本次試驗(yàn)共采用16組試樣做簡(jiǎn)易直剪實(shí)驗(yàn)。其中，人工制作20%、40%、60%、80%碎石含量的巖土混合體各3組，并從現(xiàn)場(chǎng)試坑取樣4組作為比對(duì)驗(yàn)證。

(1)原狀巖土體密度

巖土體密度采用試坑法測(cè)試。試坑采用人工挖掘或機(jī)械挖掘等方式，在堆積體上直接開(kāi)挖。挖掘前，試坑表面及周邊使用水準(zhǔn)尺找平。為保證試樣的測(cè)試準(zhǔn)確性，每個(gè)試坑的直徑和深度均不小于取樣部位最大巖塊尺寸的10倍。試坑體積測(cè)量采用灌水法［4］。

(2)原狀巖土體顆粒分析試驗(yàn)

采用篩析法分析原狀巖土體的顆粒組成［4］。

(3)巖土體抗剪強(qiáng)度測(cè)試

抗剪試驗(yàn)采用本公司自制的碎石土直剪剪切盒設(shè)備。剪切盒采用8mm厚Q235鋼板焊制，平面形狀為正方形，尺寸為400mm×400mm，分上下兩層，分別高150mm。試驗(yàn)最大粒徑為60mm。

在剪切盒上放置一塊390mm×390mm×8mm的鋼板作為加壓板，上置鉛塊作為正壓應(yīng)力;下部剪切盒固定，上部剪切盒采用兩臺(tái)千斤頂施加剪力。擬加鉛塊自重分別為3.8kN、7.6kN、11.4kN、15.2kN，按受力面積0.1 521m2換算成壓應(yīng)力分別為25kPa、50kPa、75kPa、100kPa。固定壓應(yīng)力后，以10%的壓力為一級(jí)，每級(jí)荷載30s的速度施加水平荷載，測(cè)量每級(jí)荷載下的水平位移。當(dāng)某級(jí)水平荷載下的位移超過(guò)上一級(jí)位移的2倍時(shí)，改為5%施加。當(dāng)水平位移急劇增加時(shí)，則視為該試樣已經(jīng)破壞。此時(shí)的水平剪應(yīng)力，即可認(rèn)為是該巖土體的抗剪強(qiáng)度。

以抗剪強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，垂直壓應(yīng)力為橫坐標(biāo)，繪制抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線，直線的傾角即為巖土體的內(nèi)摩擦角，直線在縱坐標(biāo)上的截距即為巖土體的粘聚力。

3 試驗(yàn)成果

(1)分別對(duì)4組原狀巖土體做試坑法及篩析法試驗(yàn)，測(cè)得其密度及顆粒組成，如表1所示。

表1 原狀巖土體密度及顆粒組成

(2)利用現(xiàn)場(chǎng)的碎石及土體，制備12組不同碎石含量的巖土體，如表2所示。

表2 自制巖土體密度及顆粒組成

(3)將4組原狀巖土體做直接剪切試驗(yàn)，成果統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 原狀巖土體直接剪切試驗(yàn)成果 kPa

將表3的數(shù)據(jù)繪成表，如圖2所示。

圖2 試樣關(guān)系圖

圖2 (a)～(d)中，直線的傾角為該組巖土體的內(nèi)摩擦角，直線在縱坐標(biāo)上的截距為該組巖土體的粘聚力，得出第1組～第4組試樣的c值及φ值，統(tǒng)計(jì)如表4所示。

表4 原狀巖土體抗剪強(qiáng)度

(4)以同樣的方法測(cè)得12組自制不同碎石含量巖土體的C值及ψ值，統(tǒng)計(jì)如表5所示。

表5 自制巖土體抗剪強(qiáng)度

將相同碎石含量的巖土體c、φ值進(jìn)行平均后，分別繪制碎石含量與c、φ值的關(guān)系曲線圖，如圖3～圖4所示。

圖3 碎石含量與粘聚力關(guān)系曲線

圖4 碎石含量與內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線

4 成果分析

根據(jù)試驗(yàn)分組要求，在完成16個(gè)試樣后可以得到4種自制不同碎石含量的巖土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化曲線。通過(guò)分析，可以看出:

(1)碎石土的粘聚力c隨碎石含量的增加呈現(xiàn)先遞增后遞減的趨勢(shì)。

①當(dāng)碎石含量從20%逐漸增加至40%時(shí)，由于粗顆粒的存在，細(xì)顆粒與粗顆粒不斷地黏結(jié)，內(nèi)部嵌合的能力越來(lái)越強(qiáng)，導(dǎo)致土體的整體性非常好，故粗顆粒含量的增加，會(huì)導(dǎo)致碎石土內(nèi)聚力上升。處于碎石含量40%時(shí)碎石土的內(nèi)聚力最大。

②當(dāng)粗顆粒所占超過(guò)40%，且比例越來(lái)越大時(shí)，細(xì)粒減少引起的粘聚力下降遠(yuǎn)大于密度變化引起的粘聚力上升，故碎石土內(nèi)聚力呈下降的趨勢(shì)。

(2)碎石土的內(nèi)摩擦角隨著碎石含量的增加呈現(xiàn)不斷增加，但增速呈減緩的趨勢(shì)。

①當(dāng)碎石含量從20%逐漸增加至40%時(shí)，碎石土的內(nèi)摩擦角處于增加狀態(tài)，加入的碎石能有效地改善土的各種性狀，使得整個(gè)土體呈現(xiàn)土石混合體的狀態(tài)。

②碎石含量從40%逐漸增加到60%時(shí)，由于土和石結(jié)合得比較好，也區(qū)分不出土和巖石，形成骨架后碎石土表現(xiàn)出土和巖石的雙重特性，整體移動(dòng)時(shí)土將碎石包裹得比較好，剪切時(shí)整體性很強(qiáng)，表現(xiàn)為碎石土的內(nèi)摩擦角依舊線性增長(zhǎng)。

③當(dāng)碎石含量處于60%～80%時(shí)，粗顆粒的增加導(dǎo)致土體單位密度增大，粗顆粒間的摩擦力和擠壓鑲嵌作用隨著碎石含量上升逐漸加強(qiáng)，土體抗剪強(qiáng)度得到進(jìn)一步的提高，但在高于60%含量之后，巖土體已從“土”的特性轉(zhuǎn)變成“石”的特性，故在該含量范圍內(nèi)，摩擦角的提高速率有所減緩。

以上結(jié)論與時(shí)衛(wèi)民、鄭穎人等人所做的研究試驗(yàn)成果［1］近似。經(jīng)對(duì)比，原狀巖土的碎石含量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響關(guān)系，與自制配合比巖土趨勢(shì)相近。

5 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取得的堆積巖土體及人工制作的不同碎石含量的巖土體分別進(jìn)行大型直剪試驗(yàn)，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)及土體抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式，得出了不同碎石含量下巖土體的抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律，即碎石土的粘聚力隨著碎石含量的增加呈現(xiàn)先遞增、后遞減的趨勢(shì)，內(nèi)摩擦角隨著碎石土含量的增加呈現(xiàn)不斷增大但增速減緩的趨勢(shì)。基此，可以認(rèn)為原狀自然堆積巖土體在不同碎石含量的情況下，其抗剪強(qiáng)度可以近似參考自制巖土體。

本結(jié)論對(duì)今后類似存在大量挖方的項(xiàng)目具有一定的參考意義。當(dāng)需要大量堆填土方石方的時(shí)候，可以通過(guò)分析巖土體的碎石含量，用簡(jiǎn)易而又經(jīng)濟(jì)方法進(jìn)行抗剪強(qiáng)度的估算，通過(guò)推導(dǎo)出來(lái)的數(shù)值來(lái)計(jì)算堆積巖土體的整體穩(wěn)定安全系數(shù)，評(píng)估該坡體的穩(wěn)定性;或根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件所要求的堆積體坡高、坡率，來(lái)反推、控制巖土混合體的碎石含量，進(jìn)行有組織的堆積排放。該研究成果對(duì)實(shí)際工程具有一定的參考借鑒指導(dǎo)意義。

［1］ 時(shí)衛(wèi)民，鄭宏錄，劉文平，等．三峽庫(kù)區(qū)碎石土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的試驗(yàn)研究［J］．重慶建筑，2005(2):30－35．

［2］ 李振，邢義川．干密度和細(xì)粒含量對(duì)砂卵石及碎石抗剪強(qiáng)度的影響［J］．巖土力學(xué)，2006(12):2255－2260．

［3］ 李維樹(shù)，鄔愛(ài)清，丁秀麗．三峽庫(kù)區(qū)滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響因素研究［J］．巖土力學(xué)，2006(1):50－60．

［4］ BG/T 50123－1999土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京:中國(guó)規(guī)劃出版社，1999．

Influence of Gravel Content on the Shear Strength of Cumulate Soil

LI Peiyan (Fujian Jianzhuan Geotechnical Engeering Co．Ltd，F(xiàn)uzhou 350001)

Based on the large－scale direct shear tests of cumulate soil on spot and different gravel content of soil，combined with the experiment data and soil shear strength calculation formula，we obtain the shear strength variation of different gravel content of soil.The results show that cohesion of the gravel soil first increased and then decreased with the increase of gravel content.the internal friction angle increased constantly with the increase of gravel content.

Gravel content;Cumulate soil;Shear strength;Large－scale direct shear test

TU43

A

1004－6135(2017)02－0066－04

李培焰(1983．8－ )，男，工程師。

E-mail:2261165@qq．com

2016－08－28