魏玉峰 ，符文熹

(1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學(xué))，成都 610059；2. 四川大學(xué) 水力學(xué)及山區(qū)河流保護國家重點實驗室 水利水電學(xué)院，成都 610065；)

天然粗粒土是普遍沉積于地球表部的一種松散類物質(zhì)，在人類集中活動的階地、平原、盆地和河谷等區(qū)域，分布尤其廣泛。根據(jù)相關(guān)行業(yè)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，粗粒土是指粒徑在0.075～60 mm之間的土粒占50%以上的土體。相對細粒土(如粘性土)來講，粗粒土具有承載力大、抗變形能力強、抗剪強度高等良好的力學(xué)特性，以及良好的壓實性能和滲透性能。因此，該類土常作為建筑物的天然地基或填方工程的填料，成為人類工程活動直接面對、利用的對象。

土體結(jié)構(gòu)是指反映土體骨架效應(yīng)的顆粒形狀、分布及相互間的作用，是決定土體物理力學(xué)屬性的內(nèi)在因素[1]。土體結(jié)構(gòu)性研究在土力學(xué)學(xué)科發(fā)展中具有獨特且重要的地位，沈珠江[2]院士認(rèn)為這是“21世紀(jì)土力學(xué)的核心問題”，周萃英[3]教授也指出“土體結(jié)構(gòu)性是土力學(xué)研究中的前沿課題之一”。早期研究大多限于細粒土方面[4]。近年來，學(xué)術(shù)界也逐漸關(guān)注粗粒土結(jié)構(gòu)特性對抗剪強度性質(zhì)的影響[5]，在結(jié)構(gòu)破壞后剪切過程中的顆粒運動、接觸、破碎等物理現(xiàn)象和力學(xué)機制方面取得了豐富的成果[6-9]。受沉積環(huán)境影響，歷經(jīng)漫長地質(zhì)作用形成的天然土體都具有其獨特的原生結(jié)構(gòu)特性[10]，在未受擾動的條件下多能長久保持。但這種天然的結(jié)構(gòu)特性是否對土體抗剪強度有影響？影響的程度如何？這一問題值得深入研究。本文在通過不同方法強度試驗結(jié)果的比較，對天然粗粒土原生結(jié)構(gòu)對抗剪強度的影響進行了簡單的討論和分析。

1 天然粗粒土抗剪強度的原生結(jié)構(gòu)特性

Micthell[11]給出的描述土體抗剪強度方程得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)可：

τ=f(e,φ,C,σ′,c′,H,T,ε,ε′,S)

(1)

式中,τ為剪切阻力，e為孔隙比，φ為內(nèi)摩擦角，C為成分，σ′為有效應(yīng)力，c′為有效內(nèi)聚力，H為應(yīng)力歷史，T為溫度，ε為應(yīng)變，ε′為應(yīng)變速率，S為土的結(jié)構(gòu)。

式(1)描述了土的抗剪強度τ是多因素集合體的復(fù)雜函數(shù)。值得注意的是，盡管式中所列變量并未完全包括所有影響抗剪強度的因素，但土的結(jié)構(gòu)性位列其中，表明在Micthell看來，土的結(jié)構(gòu)性是影響抗剪強度的重要因素。

作者前期在現(xiàn)場開展過較多粗粒土的現(xiàn)場試驗，研究過程中發(fā)現(xiàn)，河流階地原位礫石土顆粒之間無膠結(jié)(圖1a)，密度為2.21 g/cm3，將開挖礫石土料松鋪一定厚度，通過靜力碾壓將密度嚴(yán)格恢復(fù)到天然狀態(tài)(圖1b)，然后開展原位抗剪強度試驗，結(jié)果顯示(圖1c)，物質(zhì)組成和密度相同的兩種狀態(tài)土體，強度參數(shù)卻出現(xiàn)明顯差異，多組試驗均具有相同規(guī)律，可排除試驗誤差影響。

圖1 原生結(jié)構(gòu)與擾動土強度試驗

在成分、級配、密度、試驗方法和試驗條件均相同的情況下，兩種土體最直接的差別即是松鋪碾壓的土體破壞了沉積過程中形成的原生結(jié)構(gòu)。顯然，需引起重視的是：天然粗粒土原生結(jié)構(gòu)性對土體的抗剪強度有著直接、明顯的影響。

2 原生結(jié)構(gòu)對天然粗粒土抗剪強度的影響程度

為了定量評價天然粗粒土原生結(jié)構(gòu)性對抗剪強度的影響，分別將現(xiàn)場原位大剪試驗和室內(nèi)等效密度試驗的試驗結(jié)果進行對比。

室內(nèi)等效密度試驗的基本原理基于如下考慮：對于散體狀天然粗粒土，在保持物質(zhì)成份、粒徑組成、含水程度、磨圓及分選特征等因素相同的條件下，恢復(fù)天然狀態(tài)下的密度和圍壓應(yīng)力狀態(tài)，開展室內(nèi)三軸試驗。試驗使用的粗粒土大型三軸試驗機，由裝樣筒、實驗艙、應(yīng)力控制室、體積測量儀等設(shè)備組成，具體試驗過程如下：

(1) 將現(xiàn)場完成原位直剪試驗后的試樣運回，在裝樣筒內(nèi)恢復(fù)散粒體天然狀態(tài)下的密度。裝樣筒直徑為30 cm，高為60 cm，根據(jù)裝樣筒體積及粗粒土的密度范圍，每組試樣取樣的質(zhì)量應(yīng)在70～100 kg。

(2) 室內(nèi)測試試樣的含水率，對比搬運過程含水率的變化，并按現(xiàn)場實測的含水率結(jié)果，配置試樣的含水率(圖2a)。

(3) 根據(jù)裝樣筒體積，計算恢復(fù)至天然密度情況下所需要的試樣質(zhì)量，對配置好的試樣進行稱重(圖2b)。

(4) 將稱好的試樣，在裝樣筒內(nèi)振搗、壓密，直至密度指標(biāo)達到需要恢復(fù)的量值，為保證均勻壓密，裝樣過程中分3～4層松鋪，按體積壓密完成后再進行下一層的壓密(圖2c、圖2d)。

圖2 等效密度三軸試驗制樣過程

本次研究完成了2組粗粒土等效密度下的強度試驗，試樣編號分別為GS1和GS2，恢復(fù)密度至現(xiàn)場實測的1.96 g/cm3和2.01 g/cm3。通過等效密度試驗，獲得不同圍壓狀態(tài)下的軸向應(yīng)力，以軸向應(yīng)力σ1為縱坐標(biāo)，圍壓σ3為橫坐標(biāo)，將實驗點繪制在直角坐標(biāo)系中，用圖解法繪制最佳關(guān)系曲線，見圖3。

最佳關(guān)系曲線為直線，可根據(jù)等式(2)和(3)直接求內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦角φ值：

(2)

(3)

式中,C為巖石的內(nèi)聚力，kPa；φ為巖石的內(nèi)摩擦角(°)；σc為最佳關(guān)系曲線在縱坐標(biāo)上的截距，MPa；m為最佳關(guān)系曲線的斜率。

恢復(fù)至相同密度條件下，等效密度方法獲得的試驗結(jié)果與原狀樣直剪試驗結(jié)果列于表1。

圖3 等效密度強度試驗結(jié)果

對比分析原位直剪試驗與等效密度試驗兩種方法的試驗結(jié)果，原位直剪試驗獲得的內(nèi)摩擦角均大于等效密度試驗獲得的內(nèi)摩擦角，量值相差了1.71°～2.55°。兩種試驗方法的內(nèi)聚力量值較為離散，這是因為如果是理想的散粒體材料，內(nèi)聚力的量值應(yīng)該是0，無粘結(jié)粗粒土的內(nèi)聚力在抗剪強度中所起的貢獻也應(yīng)該很小，但由于受粗粒土顆粒的均勻性等因素影響，因粒間互相嵌入所產(chǎn)生的摩阻力隨機性較大，其量值在兩種試驗方法中并未體現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。上述兩種試驗方法，保持了試驗對象物質(zhì)成份、粒徑、含水量、磨圓及分選等多個因素的一致性，所改變的主要是等效密度試驗破壞了天然粗粒土原生的結(jié)構(gòu)，試驗結(jié)果也是原生結(jié)構(gòu)對抗剪強度影響的直接反映，僅從兩組試驗結(jié)果上看，原生結(jié)構(gòu)對抗剪強度內(nèi)摩擦角的影響程度在量值的5%左右。需要說明的是，評價原生結(jié)構(gòu)對抗剪強度內(nèi)摩擦角的影響程度，需要多組試驗的數(shù)據(jù)支撐才更為準(zhǔn)確，本文所提出的“5%”這一量值有待通過更多的試驗進行校核。

3 結(jié)論

本文通過現(xiàn)場原位試驗和室內(nèi)等效密度試驗，對天然粗粒土原生結(jié)構(gòu)對抗剪強度的影響進行了分析。不同方法試驗結(jié)果表明，天然

粗粒土在原位結(jié)構(gòu)破壞、重構(gòu)后內(nèi)摩擦角量值減小了1.71°～2.55°，表明原生結(jié)構(gòu)對土體的抗剪強度具有直接的影響。

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