楊 旭 郭任萍 蓋雯怡 金光日

(延邊大學(xué)工學(xué)院，吉林 延吉 133002)

1 概述

實(shí)際工程勘察階段需要了解地表、地基土及巖石等材料的抗剪強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度參數(shù)等詳細(xì)的物理力學(xué)性質(zhì)。其中抗剪強(qiáng)度對(duì)于工程的安全性意義重大，工程上土體的破壞通常都是剪切破壞，例如邊坡工程的滑坡、地基承受過(guò)大荷載部分土體沿某一滑動(dòng)面擠出等都是發(fā)生了剪切破壞，土體中滑動(dòng)面的產(chǎn)生就是由于滑動(dòng)面上的剪應(yīng)力達(dá)到了土體的抗剪強(qiáng)度引起的[1]。在實(shí)際的工程環(huán)境中，巖石及土粒徑都比較大，室外直接進(jìn)行試驗(yàn)不方便，而一般室內(nèi)可以進(jìn)行的剪切強(qiáng)度相關(guān)小型試驗(yàn)的粒徑一般不宜大于10 mm，很難直接通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)直接測(cè)得原材料的剪切強(qiáng)度。

為了用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有儀器，使用盡可能簡(jiǎn)單的方法得出實(shí)際的土及巖石等的抗剪強(qiáng)度十分有必要，同時(shí)具體方法又有待研究。王譽(yù)霖[2]為了研究實(shí)際的土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，使用了相似級(jí)配的方法來(lái)研究，并采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對(duì)實(shí)際級(jí)配土抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行估計(jì)?，F(xiàn)使用另一種的研究方法，取一條完整級(jí)配不同最大粒徑的部分級(jí)配分別進(jìn)行試驗(yàn)，得出并分析不同段部分級(jí)配的抗剪強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)及抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律，以推測(cè)出原狀土的剪切強(qiáng)度指標(biāo)。本文即研究從河邊所取的完整級(jí)配砂土，取不同最大粒徑的部分級(jí)配段，進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析不同段抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化規(guī)律。為今后得到施工現(xiàn)場(chǎng)砂土的性質(zhì)提供新的方法與依據(jù)。

2 材料及試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)對(duì)原級(jí)配土分別截取最大粒徑為2 mm,5 mm,10 mm的部分級(jí)配土樣，為分析部分級(jí)配對(duì)剪切強(qiáng)度的影響，本研究進(jìn)行了一系列基本物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)。

2.1 原材料

用于實(shí)驗(yàn)的砂土是從布爾哈通河中游采集，所采集的砂土在烘干(110 ℃烘干24 h)處理后，進(jìn)行比重，級(jí)配分析(規(guī)范標(biāo)準(zhǔn))，擊實(shí)試驗(yàn)(規(guī)范標(biāo)準(zhǔn))等物理性質(zhì)實(shí)驗(yàn)[3]。

原級(jí)配砂土和三個(gè)新級(jí)配砂土的級(jí)配曲線如圖1所示。原級(jí)配砂土比重為2.736，原級(jí)配Cc,Cu分別為0.39,26.1，最大粒徑分別為2 mm,5 mm和10 mm的三個(gè)新級(jí)配砂土的比重為2.631，2.685和2.721；級(jí)配參數(shù)Cc,Cu分別為最大粒徑2 mm組0.89,4.5，5 mm組1.09,5.1，10 mm時(shí)0.86,8.4，根據(jù)GBJ 145—90土的分類標(biāo)準(zhǔn)可以分成原級(jí)配砂土為SP,三個(gè)不同最大粒徑砂土為SF。

擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，最大粒徑2 mm時(shí)最大干密度為1.81、最優(yōu)含水量為10.4%，5 mm時(shí)最大干密度為1.84、最優(yōu)含水量為9.3%，10 mm時(shí)最大干密度為1.862、最優(yōu)含水量為8.5%。最大干密度變化趨勢(shì)如圖2所示，砂土的最大干密度隨著最大粒徑的增大而增大。經(jīng)分析,當(dāng)整體粒徑較小時(shí)，隨著部分級(jí)配砂土最大粒徑的增大，同體積的大粒徑砂所代替的小顆粒越多，所擁有的最密實(shí)狀態(tài)的最大干密度也就越大。隨著最大粒徑的增大，逐漸形成大粒徑充當(dāng)骨料，小粒徑填充空隙的模式，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定范圍，粒徑再增大，小粒徑不能再充分填充空隙，最大干密度雖然依舊在繼續(xù)增大，但增長(zhǎng)會(huì)放緩慢，而不是勻速一直增大[4]。

表1 三種新級(jí)配土經(jīng)過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)所得到的詳細(xì)物理特性

2.2 試驗(yàn)方法

直接剪切試驗(yàn)按SL 237—1999土工試驗(yàn)規(guī)程直接剪切試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行。直接剪切試驗(yàn)試件是根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果制作最大粒徑為2 mm,5 mm,10 mm三種試件，剪切方法選為固結(jié)慢剪法，取剪切速率為0.4 mm/min，豎向應(yīng)力為50 kPa，100 kPa及200 kPa。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 直剪試驗(yàn)結(jié)果分析

剪切試驗(yàn)結(jié)果如圖3～圖5所示，最大粒徑為2 mm，5 mm和10 mm時(shí)，內(nèi)摩擦角分別為31.0°，31.7°，32.8°。粘聚力分別為28.8 kPa，27.1 kPa和25.2 kPa。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，應(yīng)力應(yīng)變曲線達(dá)到峰值以后，隨著粒徑的增加剪切強(qiáng)度的下降斜率變小趨勢(shì)，這是因剪切過(guò)程中材料的剪脹導(dǎo)致試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重組引起的。

3.2 最大粒徑變化對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響

圖6是圖示剪切強(qiáng)度設(shè)計(jì)參數(shù)內(nèi)摩擦角與粘聚力和最大粒徑之間的相關(guān)性。最大粒徑分別為2 mm，5 mm和10 mm時(shí)砂土內(nèi)摩擦角分別為31°，31.7°和32.8°，粘聚力分別為28.8 kPa，27.1 kPa，25.2 kPa，各部分級(jí)配的內(nèi)摩擦角基本隨著最大粒徑的增大而增加，粘聚力隨著最大粒徑的增大而減小，這是因隨著粒徑的增加細(xì)粒粉相對(duì)減少而引起的。

影響砂土內(nèi)摩擦角有很多因素，其中主要的是粗細(xì)粒的含量，干密度，含水率。該試驗(yàn)均在最優(yōu)含水率及最大干密度下進(jìn)行，因此暫不考慮干密度與含水率的影響。在國(guó)內(nèi)研究中，一般將5 mm作為粗細(xì)料區(qū)分粒徑[5-7]。三種部分級(jí)配砂土級(jí)配均不良，且不均勻系數(shù)Cu與Cc相近，粗細(xì)顆粒相互填充得不好，顆粒自身的抗剪強(qiáng)度為主要因素，根據(jù)圖6a)，最大粒徑為2 mm和5 mm的兩組，均為細(xì)粒，兩組的區(qū)別在于整體顆粒的大小，顯然最大粒徑為5 mm組細(xì)粒土強(qiáng)度高于2 mm組，因此內(nèi)摩擦角31.7°也大于2 mm組的31°。最大粒徑為10 mm的組，含有約20%的粗粒土，整體顆粒粒徑更大，內(nèi)摩擦角32.8°自然也大于前兩組。李振、楊健等人曾研究粗細(xì)粒土抗剪相關(guān)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)試樣中細(xì)粒含量多時(shí)，其內(nèi)摩擦角主要取決于細(xì)粒土的強(qiáng)度，而當(dāng)細(xì)粒土含量減少，粗粒土含量增多時(shí)，內(nèi)摩擦角較大[8]，與本試驗(yàn)所得規(guī)律相近。就增長(zhǎng)趨勢(shì)而言，當(dāng)顆粒達(dá)到一定大小時(shí)，顆粒大小對(duì)剪切強(qiáng)度的影響將不再那么大，內(nèi)摩擦角的增長(zhǎng)將趨于平緩。但由于室內(nèi)直剪試驗(yàn)最大粒徑也不過(guò)10 mm，因此試驗(yàn)范圍內(nèi)顆粒大小對(duì)剪切強(qiáng)度的影響比較明顯，近似線性關(guān)系。

一般認(rèn)為砂土無(wú)粘聚力，但是一個(gè)完整的級(jí)配，在砂土整體顆粒相對(duì)較小的情況下，砂土小顆粒之間存在毛細(xì)水，會(huì)使砂土顆粒間產(chǎn)生真正的壓力，水在砂土中的毛細(xì)現(xiàn)象，形成了“似粘聚力”或“假粘聚力”[9]。從圖6b)可以看出，隨著整體顆粒粒徑越來(lái)越大，細(xì)粉砂相對(duì)含量越來(lái)越少，毛細(xì)水含量也越來(lái)越少，相互之間粘結(jié)的能力就越來(lái)越弱。在此試驗(yàn)中，部分級(jí)配砂土隨著該部分最大粒徑的增大，顆粒之間的咬合力越來(lái)越小。最大粒徑2 mm～10 mm之間，粘聚力從28.8 kPa到27.1 kPa再到25.2 kPa，顆粒間咬合力減小的速率變緩，最終大顆粒間的咬合力將趨于平緩。由于試驗(yàn)進(jìn)行范圍較小，未驗(yàn)證最終變緩趨向的咬合力數(shù)值。

3.3 相同垂直應(yīng)力下剪切應(yīng)力與最大的粒徑的關(guān)系

如圖7所示，同一種砂土，分別在50 kPa，100 kPa和200 kPa垂直應(yīng)力作用下，比較它們的剪切應(yīng)力，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。在同一垂直應(yīng)力下，不同最大粒徑的部分級(jí)配砂土進(jìn)行剪切，在50 kPa垂直應(yīng)力作用下，剪切應(yīng)力分別為56.71 kPa，57.85 kPa和56.05 kPa，呈現(xiàn)一定范圍內(nèi)先隨最大粒徑的增大而增大的趨勢(shì)，而后剪切應(yīng)力會(huì)下降，到了最大粒徑為10 mm的部分級(jí)配砂土?xí)r，剪切應(yīng)力甚至比2 mm還要??；在100 kPa垂直應(yīng)力作用下，剪切應(yīng)力分別為91.91 kPa，93.28 kPa與91.47 kPa，與最大粒徑為2 mm的呈現(xiàn)相同的規(guī)律；但是，當(dāng)在200 kPa垂直應(yīng)力作用時(shí)，剪切應(yīng)力的變化規(guī)律與50 kPa，100 kPa下并不相同，分別為147.75 kPa，150.74 kPa與153.43 kPa，一直在增大。

土的抗剪強(qiáng)度取決于砂土粒徑大小，砂土的級(jí)配，顆粒間摩擦，咬合或相互嵌合，以及土顆粒的破碎與重新排列[10]。三種部分級(jí)配砂土級(jí)配均不良，整體顆粒間摩擦、咬合與嵌合程度均不好，由材料分析可見(jiàn)三種部分級(jí)配砂土Cu與Cc相近，因而隨著整體粒徑的增大，孔隙率變大。當(dāng)垂直應(yīng)力為50 kPa與100 kPa，應(yīng)力較小，隨著整體粒徑的增大，增大的粒徑自身先提高了整體的抗剪強(qiáng)度，但在最大粒徑5 mm～10 mm間某值，級(jí)配不良的砂土抗剪強(qiáng)度反而降低了；而200 kPa組，依舊是最大粒徑5 mm組抗剪強(qiáng)度大于2 mm組，當(dāng)最大粒徑為10 mm時(shí)，此組抗剪強(qiáng)度繼續(xù)增大，經(jīng)分析是由于在制作試件過(guò)程中或者在大于前面兩組的垂直應(yīng)力下粗粒出現(xiàn)了破裂與重新排列，顆粒間的填充程度變好，故而出現(xiàn)隨著最大粒徑增大剪切應(yīng)力一直增大的現(xiàn)象，垂直應(yīng)力與破碎率影響有待具體實(shí)驗(yàn)求證。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究對(duì)不同最大粒徑部分級(jí)配砂土進(jìn)行了直接剪切試驗(yàn)，分析了最大粒徑不同部分級(jí)配對(duì)剪切強(qiáng)度的影響，并得出了以下結(jié)論:

1)直接剪切試驗(yàn)過(guò)程中，隨著部分級(jí)配最大粒徑越來(lái)越大，顆粒之間的摩擦力越來(lái)越大，內(nèi)摩擦角也越來(lái)越大，但是當(dāng)顆粒達(dá)到一定大小，內(nèi)摩擦角增長(zhǎng)趨于平緩。

2)當(dāng)整體顆粒大小較小時(shí)，隨著粒徑增大，顆粒間的咬合力減小得較快，整體顆粒較大時(shí)，顆粒間咬合力減小的速率越來(lái)越緩，最終大顆粒間的咬合力將趨于平緩。

3)在垂直應(yīng)力較小的情況下，不同級(jí)配土隨著最大粒徑的增大出現(xiàn)剪切應(yīng)力先增大再略有減小的趨勢(shì)；當(dāng)垂直應(yīng)力較大時(shí)，不同級(jí)配土隨著最大粒徑的增大可能將出現(xiàn)剪切應(yīng)力一直增大的現(xiàn)象。