含水率和颗粒级配对稍密碎石土抗剪性能及地基承载力的影响

卢黎+王华飞+胡岱文

摘要：碎石土因特殊的工程特性而被科研人员关注，但对大粒径、粉质粘土填充、稍密状态下碎石土的力学性能涉足较少。根据该类型碎石土特点及大量勘察结果配置出两种比较典型级配的稍密碎石土，通过大型直剪试验仪测定了不同含水率状态下碎石土试样的抗剪强度，绘制剪应力与水平位移的关系图，通过一元回归得出稍密碎石的抗剪强度指标c、φ值，分析了不同含水率、不同级配对稍密碎石土抗剪性能的影响。结果表明：随着含水率的增大，碎石土粘聚力总体呈减小趋势，但变化趋势具有显著的阶段性且和粉质粘土的含量有关，含水率变化对碎石土内摩擦角的影响较小。用规范推荐方法计算了该类型碎石土地基承载力，并与地方规范经验取值和勘察工程实践取值进行了对比，结果表明：含水率对地基承载力影响较大，且与碎石土填充物的粉质粘土含量有关，粉质粘土含量越高，承载力影响越大。

关键词：粉质粘土碎石；含水率；抗剪强度；地基承载力

中图分类号：TU472.1文献标志码：A文章编号：16744764（2017）03013807

Abstract：Because of the special engineering characteristics of the gravel soil， it causes more and more attention. However， there are less research about the mechanical properties of the crushed stone soil with large particle size， silty clay and slightly dense state. According to the characteristics of this type of gravel soil and the results of statistical survey， two typical gradation of slightly dense gravel soil are determined. The shear strength of gravel soil specimen under different moisture content is measured by large direct shear apparatus， and the relationship diagram of the shear force and the horizontal displacement under different water cut rate is drawn. The shear strength indexes c，φ value are determined by univariate regression and the impact of moisture content and gradation on the shear strength is analyzed. The results show that with the increase of water content， the cohesive strength of the gravel soil is decreasing， but the change trend is significant and related to the content of cohesive soil. The change of water content has little influence on the friction angle of the gravel soil. Using the specification method to calculate the bearing capacity of foundation， and comparing with the experience value ， the results show that the influence on the moisture content of foundation bearing capacity， and is associated with the silty clay content of gravel soil filling.

Keywords：silty clay gravel； water content； shear strength； foundation bearing capacity

碎石土是指粒徑大于2 mm 的颗粒含量超过总质量50%的土，在自然界分布十分广泛[12]。碎石土的地基承载力与碎石土体抗剪强度的力学参数有关。碎石土边坡的剪切破坏，与滑坡岩土体的抗剪强度直接相关[3]。因此，科学地开展土力学试验，准确地获取碎石土的抗剪强度指标，客观、全面地认识碎石土的抗剪性能，是解决工程中碎石土强度问题的基础，对碎石土地基承载力分析和碎石土边坡稳定性整治具有十分重要的作用[45]。

碎石土的抗剪强度受多种因素共同控制，其大小与碎石土的粒度成分、填充物、含水率、密实程度等因素有关[6]。Simoni等[7]、Mirghasemi等[8]的研究表明：含石量对碎石土的工程力学特性具有重要影响，碎石土的变形破坏发展特征受其内部含石量控制，进而影响着碎石土宏观的物理力学性质。刘文平等[9]的研究表明：碎石土含水量不同，碎石引起强度变化的临界含石量也不同。碎石含量不变时，粘结力c值随含水量变化幅度不大，但内摩擦角φ值随含水量变化会有较大变化。Medley[10]、Sonmez等[1112]分别采用水泥土等作为填充材料、用块石作为骨料按照一定的含石量及定向性制作试件进行三轴剪切试验研究。时为民等[13]对三峡库区不同碎石含量、不同含水量的碎石土剪切强度进行了试验研究。彭东黎等[14]的研究表明：碎石土粘聚力的大小随着含石量的增加，表现出先逐渐增大后减小的趋势，内摩擦角随着含石量的增大表现出逐渐增大的趋势；粘聚力随含水量的增大有一定程度的增大，超过碎石土中细粒土塑限含水量后逐渐减小。另一方面，唐晓松等[15]的研究表明：碎石土地基在水长期浸泡下其承载力大大降低，可达30%左右。聂如松等[16]的研究表明：浸水后碎石土粘聚力幅度下降较大，离散性大；内摩擦角变化相对比较稳定，且降幅不大。上述研究对大粒径、粉质粘土填充、稍密状态下碎石土的力学性能涉及较少，笔者主要研究该类型碎石土。此类型碎石土主要分布在重庆东北地区，对该地区勘察发现：该地区分布的碎石土中有90%以上为稍密状态，碎石土中填充物为粉质粘土的比例在95%左右，其碎石含量在50%～70%，且碎石粒径一般在10 mm以上。该地区碎石土可归纳为稍密状态、大粒径、粉质粘土填充。

稍密碎石土地基承载力在地方规范中的取值范围较大，对取值相关因素的研究不多。同时，中小工程没有进行平板载荷试验的条件，工程实践中取值根据地方规范指导并结合当地经验，造成地基承载力取值不安全或过于保守，导致取值可靠性不高。为解决这一问题，笔者针对粉质粘土填充碎石土的工程特性和地基承载力进行研究，通过测定不同含水率下的c、φ值，根据建筑地基基础设计规范指导公式计算出地基承载力，并与地方规范关于稍密碎石土承载力取值对比。

1试验方案

根据该类碎石土特点，现场配置两种不同级配的粉质粘土填充稍密碎石土，通过大型直剪试验仪测定了不同含水率状态下碎石土试样的抗剪强度。以往碎石土的研究一般是做三轴围压颗粒破碎性试验，试验尺寸效应很明显，且很少考虑不同粒径级配下颗粒破碎对抗剪强度的影响。大型直剪仪试样尺寸较大，可以在最大程度上保留土样的原始级配，弱化尺寸效应，且直剪试验操作简便、适用范围广、应用最为普遍[17]。

1.1试验仪器

采用ZY502G大型直接剪切试验机（见图1），试样尺寸：Ф504.6 mm×400 mm （面积2 000 cm2），最大水平推力：700 kN（水平应力0～3.5 MPa），最大垂直油缸行程：120 mm。轴向配备行程为75 mm 的位移计。

1.2试件制备

1.2.1填充物的塑液限实验根据现场碎石土特点，采用粉质粘土作为碎石土填充物，填充物塑液限用光电式液塑限联合测定仪进行。在双对数坐标纸上绘制关系曲线如图2所示。

由图2可知，锥入深度为2 mm时的含水率为17.6%，锥入深度为17 mm时的含水率为335%。实验所用的细粒土的塑限为17.6，液限为33.5。故其塑性指数为15.9，土样为粉质粘土。

1.2.2碎石土级配设计按勘察数据配置两种典型级配的碎石土。碎石土的级配指标见表1，两种碎石土的颗粒曲线见图3、图4。

1.2.3含水率制定根据设计含水率以及风干含水率计算出加水量。称取风干土样160 kg，加水量按式（1）计算。mω=m11+0.01ω00.01（ω′-ω0）（1）式中：m为风干土样总质量，kg；mω为土样所需加水量，kg；ω0为风干土样总含水率，%；ω′为制样含水率，%。

分别配置出含水率为6%、9%、12%的碎石土。

1.2.4密实度设计由于试验为室内试验，通过相对密度对碎石土的密实性进行判别。当0

2试验结果及分析

2.1碎石土剪切试验结果

对土样进行大型剪切试验，以获取原状土样的力学参数，试验垂直压力分别为100、200、300 kPa，按照土工试验规程，在剪切实验中，剪切位移取剪切盒直径的1/15～1/10。试验用剪切盒直径为500 mm，剪切位移最大值应是50 mm，但为进一步反映土样剪切破坏后的残余强度，试验剪切位移在60 mm以上，试验结果如图5所示。

在剪应力和水平位移关系图中找出不同压力下对应的最大剪应力，绘出正应力与剪应力的一次函数表达式（见图6）并求出函数解析式，计算出c、φ值（见表2）。

2.2剪切试验结果分析

2.2.1抗剪强度变化快慢与剪切位移关系由图5的剪应力与水平位移关系曲线图可知，在剪切开始到土样破坏过程中，开始阶段剪应力随位移增大而迅速增大，在剪切位移为5 mm左右时剪切强度已经达到了90%以上，而后缓慢增加到最高点，土体破坏。随位移的不断加大，剪应力缓慢减小，且没有明显的下降趋势。

2.2.2含水率对粘聚力的影响从表2可以看出，当含水率從6%增加到12%时，级配一含粉质粘性土碎石的粘聚力由43.3 kPa下降到13.8 kPa，下降值达到29.5 kPa。级配二含粉质粘性土碎石的粘聚力由34.3 kPa下降到5.7 kPa，下降值达到28.7 kPa。总体来讲，碎石土随着含水率的增大，粘聚力减小，且下降显著。粘聚力随含水率升高而下降的原因，一方面由于碎石土含水率增加，导致土体中自由水增多，结合水对土颗粒连接力下降；另一方面，土的粘聚力是土颗粒间引力和斥力综合作用的结果，粘聚力主要由碎石土中的粉质粘性土决定。土颗粒间的水膜联结和胶结作用对粘聚力的产生具有重要的作用，含水率越大，颗粒间的水膜联结力越小。随着含水率的增大，水膜联结力逐渐减小。

2.2.3含水率对内摩擦角的影响由表2可知，相对于粘聚力，内摩擦角的变化不大。当碎石土的含水率从6%增加到12%，级配一的内摩擦角仅在3631°～29.68°之间变化，级配二的内摩擦角在4215°～39.42°之间变化，内摩擦角的幅度较小。土的内摩擦角与土的颗粒结构、大小及密实度密切相关。由于所研究的碎石土为稍密状态下含粉质粘土碎石，粗粒含量较高，相对于细粒含量高的粘性土以及粒径小的碎石土，含水率变化不会引起其颗粒结构、大小及密实度的显著变化，故含水率变化对碎石土内摩擦角的影响较小。

2.2.4含石量及填充物对抗剪性能的影响级配一中粉质粘土填充物含量比级配二高，其含石量比级配二低。由表2可知，同种含水率下，级配一比级配二的粘聚力要大，内摩擦角要小。碎石土的粘聚力主要由粒径小的粘性土提供，内摩擦角主要由粒径较大的碎石提供，致使在碎石土中粉质粘土填充含量越高，粘聚力越大。碎石土中的碎石含量越高，内摩擦角越大。随着含水率升高，级配一碎石的粘聚力下降幅度大，内摩擦角变化幅度也比较大，表明级配一的抗剪性能受含水率影响明显。含水率对碎石土的抗剪性能影响与其物质组成有关，碎石土中含粉质粘土越多，碎石含量越少，含水率升高对其抗剪强度削弱越明显。

3稍密碎石土地基承载力分析

建筑地基承载力是勘察设计的首要任务，也是基础选型和基础设计的重要依据。碎石土地基承载力一般需要由勘察单位根据原位试验和土工试验的结果给出指导的地承载力。在工程实践中，中小工程一般只是通过地方规范经验取值。已知该地基碎石土体的c、φ值，可由式（2）计算地基承载力fa=Mbγb+Mdγmd+Mcck（2）利用式（2）计算出该地区不同含水率下碎石土地基的承载力，并与勘察报告根据该地方规范经验在稍密下的碎石土承载力取值取进行比较，分析勘察取值的安全性。统计该地区勘察结果，部分地基承载力见表3。根据试验得出该地区土体c、φ值，并取多组基础宽度b值、基础埋深d值计算承载力，计算结果见表4。

从数据分析可知，级配一碎石土含水量由6%上升到9%时，土体承载力特征值下降了约255 kPa；碎石土含水量由9%上升到12%时，土体承载力特征值下降了约195 kPa。级配二碎石土含水量由6%上升到9%时，土体承载力特征值下降了约165 kPa；碎石土含水量由9%上升到12%时，土体承载力特征值下降了约165 kPa。级配一与级配二承载力分析可知：含水率对碎石土地基承载力影响很大，同种含水率下级配二的承载力比级配一高，随含水率升高时，级配一土体承载力特征值下降幅度比级配二大。由于φ值对承载力的影响作用明显，级配二的含石量比级配一高，同种含水率下对应的φ值比级配一高。级配一碎石土中粉质粘土填充含量高，含水率升高时c、φ值下降幅度大，导致碎石土地基承载力下降幅度较大。当碎石土中粉质粘土填充含量高，含水率对承载力的影响程度越明显。

该地区承载力是根据重庆地方规范关于稍密碎石土地基承载力特征值的取值，取值范围在200～320 kPa之间，勘察结果给出的承载力取值（见表3）在范围内，通过c、φ值计算得到的承载力（见表4）与重庆地方规范的经验取值比较，勘察报告关于地基承载力特征值的取值偏安全。但在表4中，当基层宽1 m、埋深在0.5 m时，基层承载力特征值只有210.3 kPa，已经接近重庆地方规范的经验取值的下限，所以，在地基宽度较小，埋深浅且所处位置的地基含水率比较高时，根据重庆地方规范及勘察报告中关于地基承载力特征值的经验取值时，承载力可能被高估。

4结论

1）含水率对该地区含粉质粘性土碎石的粘聚力影响较大，随着含水率的增大，粘聚力下降明显。含水率对碎石土的内摩擦角的影响较小。

2）对比两种级配含水率变化对其抗剪强度的影响及承载力进行了分析，碎石土中含石量高，内摩擦角较大；含粉质粘土填充量高，粘聚力较大；碎石土的碎石含量越少，填充物的粉质粘土含量越高，含水率对抗剪强度削弱程度越明显。

3）通过地基规范公式计算地基承载力与勘察报告给出的碎石土承载力，以及与重庆地方规范经验取值对比可知，勘察报告给出的地基承载力特征值一般是偏安全的。但是，如果该地区含水率较高，地基宽度及埋深较小时，在根据重庆地方规范的經验取值时，承载力可能被高估，勘察报告中关于地基承载力特征值取值的可靠度较低。

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（编辑胡英奎）