杜 俊，楊新昭，張 龍，張梅金，撒召全

（昆明學(xué)院 建筑工程學(xué)院，昆明 650214）

粗粒土是指粒徑小于0.075mm、土的質(zhì)量不大于總質(zhì)量12%的粗粒組和巨粒組土的總稱［1］。由于粗粒土均勻性差、孔隙較大、抗壓縮性能好，故其具有良好的滲透性和承載能力， 通常被作為回填土料使用在水利筑壩與山區(qū)道路路基回填等工程領(lǐng)域。 雖然粗粒土廣泛應(yīng)用在高填方工程中， 但其在極端環(huán)境影響下也會(huì)產(chǎn)生滑坡失穩(wěn)危害， 回填邊坡穩(wěn)定性成為制約工程建設(shè)與運(yùn)營(yíng)安全的關(guān)鍵因素。

具有典型散體結(jié)構(gòu)特征的粗粒土， 其力學(xué)響應(yīng)特性和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是客觀分析與評(píng)價(jià)回填邊坡穩(wěn)定性的重要依據(jù)。 粗粒土在荷載作用下易產(chǎn)生顆粒破碎［2］，其粒度組成 具有寬級(jí)配特征［3］，受 土樣相對(duì)密度的影響剪切變形會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變硬化和應(yīng)變軟化［4］兩類應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。同時(shí)，由于顆粒介質(zhì)的強(qiáng)烈作用伴隨有土體的剪縮和剪脹變化［5］。 受母巖性質(zhì)的影響， 富含黏土類礦物的粗粒土浸水作用下常發(fā)生顯著的濕化變形［6］。 粗細(xì)顆粒占比不同，粗粒土呈現(xiàn)出不同的骨架結(jié)構(gòu)特征，隨粗顆粒的增多，土骨架逐漸由塊石懸浮向塊石嵌合及塊石架空結(jié)構(gòu)演變［7，8］；與此同時(shí)，土體的孔隙逐漸增多，滲透性也增強(qiáng)。 為獲取粗粒土強(qiáng)度指標(biāo)， 通常需要開(kāi)展原位試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)，原位試驗(yàn)多為水平推剪［9］，室內(nèi)試驗(yàn)按照不同的儀器分為直剪和三軸試驗(yàn)［10］。 雖然原位試驗(yàn)更接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際， 能夠反映真實(shí)土體的級(jí)配特征和天然密度狀態(tài)，但受限于試驗(yàn)條件，試驗(yàn)精度和變量因素控制較不理想。

室內(nèi)試驗(yàn)中三軸試驗(yàn)比直剪試驗(yàn)?zāi)軌蚋玫目刂婆潘畻l件， 且土樣應(yīng)力狀態(tài)更加符合實(shí)際的受力特征［11］，因此，粗粒土三軸壓縮試驗(yàn)得到了更為廣泛的使用。 盡管已有研究圍繞粗粒土力學(xué)響應(yīng)機(jī)制開(kāi)展了深入分析，取得了豐碩的研究成果，但多集中在單一試驗(yàn)條件下， 并且就排水條件對(duì)土體強(qiáng)度和變形影響的對(duì)比研究相對(duì)較少，而土體固結(jié)完成后，經(jīng)降雨入滲， 土體的排水條件顯然對(duì)其力學(xué)特性有十分重要的影響。 為此， 本文基于粗粒土三軸壓縮試驗(yàn)，分別開(kāi)展固結(jié)排水（CD）和固結(jié)不排水（CU）剪切試驗(yàn)，探究土體的力學(xué)響應(yīng)機(jī)理，對(duì)分析回填邊坡穩(wěn)定性有重要的科學(xué)意義和實(shí)踐價(jià)值。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 試驗(yàn)儀器

本次試驗(yàn)采用昆明學(xué)院巖土工程實(shí)驗(yàn)中心的DJSZ-150型粗粒土動(dòng)靜三軸壓縮試驗(yàn)機(jī)， 該儀器可完成尺寸φ300mm×600mm土樣的動(dòng)靜加載， 并能實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)力路徑條件，包含了軸向加載系統(tǒng)、圍壓加載系統(tǒng)、體變量測(cè)系統(tǒng)、孔隙測(cè)量系統(tǒng)，以及加載伺服控制系統(tǒng)。試驗(yàn)機(jī)可提供最大圍壓3.0MPa，靜態(tài)加載0～1500kN，體變量測(cè)0～8000mL，孔隙水壓力量測(cè)精度0.1%F·S，試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選自云南省臨滄大橋坡水庫(kù)筑壩堆石料，該土料為一種人工爆破和加工的碎石散體，母巖為弱風(fēng)化花崗巖， 巖石平均飽和單軸抗壓強(qiáng)度50MPa，軟化系數(shù)0.79，比重2.70，天然含水率2.6%，天然密度2.12g/cm3。

為滿足室內(nèi)三軸試驗(yàn)裝料需要， 按照GB/T50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的原型級(jí)配依據(jù)等量替代法縮尺處理， 縮尺前后土體顆粒級(jí)配累積曲線如圖1。

圖1 試驗(yàn)土料縮尺前后顆粒級(jí)配累積曲線

1.3 試驗(yàn)方案

依據(jù)土體天然含水量和天然容重稱取對(duì)應(yīng)縮尺級(jí)配粒組的土顆粒質(zhì)量，分5層裝入試驗(yàn)筒內(nèi)，并擊實(shí)至土體天然密度狀態(tài)， 通過(guò)抽真空與水頭飽和法飽和土樣， 待飽和土樣制備完成后， 分別施加圍壓0.2，0.4，0.6，0.8MPa，當(dāng)土樣固結(jié)完成后，分別進(jìn)行排水與不排水剪切試驗(yàn)（控制排水閥門(mén)打開(kāi)或關(guān)閉），土樣軸向應(yīng)變達(dá)到15%視其剪切破壞，終止試驗(yàn)。 試驗(yàn)操作嚴(yán)格按照T/CHES29—2019《粗粒土試驗(yàn)規(guī)程》執(zhí)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變分析

固結(jié)排水（CD）剪切與固結(jié)不排水（CU）剪切試驗(yàn)土樣偏差應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線如圖2。

分析圖2可知：兩種不同排水剪切條件下，土體應(yīng)力應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)硬化特征， 即隨著軸向應(yīng)變的持續(xù)發(fā)展，偏差應(yīng)力未見(jiàn)明顯的峰值；當(dāng)軸向應(yīng)變小于6%時(shí)，土體中的剪應(yīng)力隨軸向應(yīng)變?cè)黾佣@著增大，當(dāng)軸向應(yīng)變大于6%時(shí)，土體的剪應(yīng)力隨軸向應(yīng)變?cè)黾幼兓徛ｋS著試驗(yàn)圍壓的增大，土體應(yīng)變硬化特征逐漸顯著， 且土體達(dá)到剪切破壞時(shí)的偏差應(yīng)力也逐漸增大。 其中，圍壓由0.2MPa增大至0.8MPa，固結(jié)排水剪切土體最大剪應(yīng)力為1082，1728，2375，3051kPa；固結(jié)不排水剪切土體最大剪應(yīng)力為683，1392，1951，2633kPa； 兩類試驗(yàn)土體最大剪應(yīng)力分別相差58.41%，24.13%，21.73%，15.87%，由此可見(jiàn)，隨圍壓增大， 由排水條件引起的土樣破壞時(shí)最大剪應(yīng)力差值逐漸減小， 即增大圍壓可抑制排水條件對(duì)土體強(qiáng)度的影響。

圖2 CD與CU試驗(yàn)土樣偏差應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線

2.2 孔隙水壓變化特征

固結(jié)不排水（CU）剪切試驗(yàn)土體的孔隙水壓力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線如圖3。

圖3 CU試驗(yàn)孔隙水壓力-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

分析圖3可知，不同圍壓條件下，剪切過(guò)程中土體孔隙水壓力隨軸向應(yīng)變的持續(xù)增加均表現(xiàn)為先增大后趨于平緩且略有減小的趨勢(shì)， 當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到2%時(shí)，靜孔隙水壓出現(xiàn)最大值，分別是294，578，925，1181kPa，也即圍壓愈大，孔隙水壓力也愈大；當(dāng)軸向應(yīng)變超過(guò)2%，孔隙水壓基本不變或出現(xiàn)較小幅度的減小。 其原因是，固結(jié)不排水試驗(yàn)中排水閥門(mén)關(guān)閉，隨軸向荷載的持續(xù)增加，土體孔隙水未被排出，總應(yīng)力荷載分別由土骨架與孔隙水共同承擔(dān)， 剪切變形初期，荷載迅速施加，由于孔隙水是不可壓縮流體且不具備外排條件，孔隙水壓力顯著增大，孔隙水是加載初期主要的受荷對(duì)象。隨著荷載的持續(xù)增加，土顆粒擠壓咬合緊密，顆粒間產(chǎn)生相對(duì)的旋轉(zhuǎn)、翻滾，土體將獲得一定的剪切變形空間， 此時(shí)孔隙水將沿剪切變形的方向呈現(xiàn)流動(dòng)，但由于這類剪切變形有限，則孔隙水壓力略有下降且基本保持穩(wěn)定， 該現(xiàn)象一直持續(xù)到土樣剪切破壞， 也即當(dāng)土樣軸向應(yīng)變超過(guò)2%，飽和土體主要受荷的對(duì)象為土骨架。

2.3 體積應(yīng)變變化特征

固結(jié)排水剪切（CD）試驗(yàn)土體的體積應(yīng)變與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線如圖4。 規(guī)定圖4中剪縮為正，剪脹為負(fù)。

圖4 CD試驗(yàn)體積應(yīng)變-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

分析圖4可知，不同圍壓條件下，固結(jié)排水剪切試樣均呈現(xiàn)出先剪縮后剪脹的變化特征， 圍壓由0.2MPa增大至0.8MPa， 土樣由剪縮向剪脹變化對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變分別為：2.91%，4.54%，5.94%，6.59%。 由此可見(jiàn)， 土樣發(fā)生相變時(shí)的軸向應(yīng)變隨圍壓增加而增大，其原因是低圍壓條件下，土樣側(cè)向應(yīng)力限制相對(duì)較小， 土顆粒在剪切變形中更容易產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)、翻滾，獲得更多的剪切變形空間，從而較早出現(xiàn)剪脹；高圍壓條件下， 較大圍壓有效抑制了塊石顆粒間的強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)，由于應(yīng)力集中，顆粒將先呈現(xiàn)擠壓破碎，細(xì)小顆粒進(jìn)一步填充于塊石顆粒之間， 使得土樣更為密實(shí)，隨軸向荷載的持續(xù)增加，剪切帶內(nèi)的塊石為獲取更多的剪切變形能，將產(chǎn)生沿塊石界面的翻滾，從而出現(xiàn)剪脹，但相比低圍壓條件下的土樣，其剪脹相變點(diǎn)相對(duì)滯后。

2.4 強(qiáng)度特性

土體剪切破壞時(shí)， 其剪切面上的正應(yīng)力與剪應(yīng)力滿足莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則，分別繪制不同圍壓條件下固結(jié)排水試驗(yàn)和固結(jié)不排水試驗(yàn)土樣的應(yīng)力莫爾圓，采用線性強(qiáng)度準(zhǔn)則得到土體抗剪強(qiáng)度包線如圖5。

圖5 不同排水條件下土體的抗剪強(qiáng)度包線

分析圖5 可知， 固結(jié)排水剪切土樣黏聚力45.3kPa，內(nèi)摩擦角31.3°；固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)土樣黏聚力34.3kPa，內(nèi)摩擦角30.8°。 對(duì)比可知，固結(jié)排水剪切土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均大于固結(jié)不排水剪切土樣，排水條件對(duì)土樣抗剪強(qiáng)度影響顯著。這是由于土樣剪切變形時(shí)孔隙水迅速排出， 土體總應(yīng)力荷載由土骨架全部承擔(dān)，顆粒之間的咬合力增大，從而其摩擦特性增強(qiáng)； 而不排水條件下土樣總應(yīng)力荷載分別由土骨架與孔隙水共同承擔(dān)，土骨架有效應(yīng)力減小，顆粒間相互擠壓、咬合作用減弱，其摩擦特性相對(duì)較弱。 因此， 為獲取反映工程實(shí)際的土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，需要結(jié)合工況條件設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)試驗(yàn)研究，嚴(yán)格控制排水條件，反映工程土體不同的力學(xué)響應(yīng)特征。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）排水條件是影響土體強(qiáng)度特性的關(guān)鍵因素，固結(jié)排水剪切土樣破壞的最大剪應(yīng)力均大于固結(jié)不排水剪切土樣， 但最大剪應(yīng)力差值隨圍壓的增大而逐漸減小。

（2）固結(jié)不排水剪切初期土樣孔隙水壓力迅速增大至峰值，隨著軸向應(yīng)變的持續(xù)發(fā)展，孔隙水壓力保持相對(duì)的穩(wěn)定且略有下降。

（3）固結(jié)排水剪切土樣均呈現(xiàn)出先剪縮后剪脹的特征，且隨圍壓的增大，各土樣剪脹相變點(diǎn)相對(duì)滯后出現(xiàn)。 剪切破壞土樣表征出低圍壓剪脹和高圍壓剪縮現(xiàn)象。

（4）排水條件對(duì)土體黏聚力影響顯著，而內(nèi)摩擦角變化不大。為獲取真實(shí)的土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，需嚴(yán)格控制土體排水條件，以符合工況實(shí)際。