花岗岩风化层填料抗剪强度特性试验研究

■曾庆有

（福建省交通规划设计院，福州 350004）

1 前言

福建省是我国东南沿海的一个多山省份，俗有“八山一水一分田”之称，地形地质条件复杂。在山区的工程建设中，为了平整场地，需要平衡填挖，因而不可避免的出现大量的填筑工程。在已有的大量填筑工程中，特别是填筑高度较高的填筑体中，较普遍的出现开裂甚至滑移等病害。花岗岩是福建省分布最为广泛的岩体类型之一，花岗岩风化层填料也是工程建设中最常见的填料之一。因此，花岗岩风化层填筑体的病害及其成因研究具有较为普遍的工程实际意义，研究成果也较多[1,2]。

在填筑工程的勘察设计阶段，由于花岗岩风化层填料粗颗粒的存在，囿于室内试验条件的限制，用于边坡稳定计算的最主要参数粘聚力和内摩擦角难以直接获得，计算时往往只能参考经验值。目前，一般工程地质勘察报告基本都参考规范来提供经验值，但是规范提供的是针对挖方边坡原状土样的强度参数，对经搬运并重新压实的填筑体强度参数并无相关可遵循的途径可得，往往依据具体工程人员的个人判断。因此取值较为随意，获得的结果差异较大，这对工程安全是极为不利的。

针对花岗岩风化层的抗剪强度，已有不少的研究成果，但多数针对原状样进行[4-6]，也有针对重塑土的室内试验[7-8]，多数都是在筛分去除了粗颗粒情况下的规律性研究，其绝对值与实际必然存在差异。此外，不管原状样还是重塑土，与现场经搬运压实后实际填筑体的抗剪强度显然不同，而针对实际填筑体的抗剪强度特性则少有研究成果。

本文通过现场大型剪切试验与室内试验，以及现场试验结果与室内常规土工试验指标的相关性分析，提出了利用现有常规土工试验结果推定花岗岩风化层填筑体抗剪强度指标的完整思路，为提升花岗岩风化层填筑工程设计计算的可靠性奠定了基础。

2 现场大型直剪试验

现场大型直剪试验可避免室内常规直剪试验的不利因素，试样为现场填料经真实的施工碾压后制作成型，试验结果能反应实际的填筑施工过程对填料强度的影响，从而获得花岗岩风化层填筑体较为真实的强度指标。

2.1 试验准备

试验点选择在厦蓉高速公路扩建工程漳州段，该段沿线山岭绵延，路基高填方段落众多。区域内岩性主要为花岗岩，路基填料以花岗岩风化层为主。以该区域路基填方段落作为现场试验点具有典型性。

在现场已填筑到一定高度的路基段落中选择具有代表性的区域作为试验点，该层路基填土压实度为93%。首先开挖试坑，设计试样尺寸为500mm×500mm×220mm，满足剪切面积不小于0.25m2，高度为最大粒径的4～8倍且不小于0.15m的要求。试样制备好后安装垂向加载系统和切向加载系统，垂向加载反力系统采用地锚式钢梁，切向加载反力由试坑侧壁的被动土压力提供。应力测量由千斤顶轴力读数根据试样面积转换而来，变形测量系统由6块千分表组成，其中4块垂直安装，用于测量土样垂直变形，2块水平安装，用于测量剪切变形。

图1 现场试验过程图

2.2 加载过程

同一测试点现场准备四个试样，对不同试样施加不同垂直荷载，分别为0kPa，160kPa，320kPa，600kPa。 分级施加到预定荷载后，每隔5min读取一次千分表读数，当1min变化小于0.05mm时，认为达到变形达到稳定状态，可以再施加下一级荷载。当垂直荷载达到最大值时，其后试验过程中应保持其大小不变。

施加垂直荷载产生的变形达到稳定后，施加剪切荷载。剪切荷载均匀连续施加，每30s读取一次千斤顶读数与千分表读数，直到千斤顶读数不增大为止，或土样出现明显的位移（变形达到5cm）即可认为土样已经被剪切破坏。

图2 试验加载过程图

2.3 试验结果分析

限于篇幅，只提供其中一组的剪切变形与应力曲线，如图3所示。由图可见，应力应变曲线较为平滑，均未出现如室内试验可能出现的“跳跃”现象。由于试验盒装置相对试样最大颗粒直径保持较大的尺寸倍数，使得粗粒土的直剪试验获得了较理想的结果，结果的有效性获得了保证。

图3 剪切应力与变形曲线图

两组试验剪切应力与垂直应力关系曲线如图4所示。经拟合得到第一组试样的抗剪强度指标内摩擦角Φ=26.57°，粘聚力c=4.86kPa。第二组试样的抗剪强度指标内摩擦角Φ=20.7°，粘聚力c=12.58kPa。

图4 剪切应力与垂直应力关系曲线

经查，规范提供的花岗岩强风化岩（土状）抗剪强度取值为内摩擦角Φ=30～35°，粘聚力c=30～35kPa。 可见现场大型直剪试验获得的结果与其存在较大差异，试验值都偏低，特别是粘聚力值低很多。如果工程人员直接采用规范参考值进行计算，对工程将是不安全的。分析其原因，规范提供的参考值是勘察阶段针对挖方边坡提出的，是根据钻孔取得的原状土样所获得的结果。研究表明花岗岩风化层的结构强度显著[9]，但是填筑土经过搬运和重新碾压，原状土的结构强度基本损失。此外，细颗粒对粘聚力有重大贡献[10]，因此施工搬运过程中或施工期间的雨水冲刷等作用引起的细颗粒损失可能是粘聚力减小的重要因素，这一点从筛分试验结果亦明确可以说明。试验现场所取样品筛分试验结果表明，粒径小于0.075mm的组份含量仅约10%，而相应段落土工试验报告提供的原状土样筛分试验结果粒径小于0.075mm组份含量基本都在20%左右。可见，与原状土相比，填筑土不仅损失了结构强度，颗粒组分也发生了变化。因此，花岗岩风化层填筑体与其原状坡体结构和组分都不同，抗剪切强度特性自然就有较大差异。

3 颗粒级配对填筑土强度的影响

颗粒级配组成不仅包括颗粒粒径大小信息和粒径组分的相对含量信息，因此对填料的抗剪强度有重大影响，而且不同的颗粒级配组成显然对填筑的压实效果有显著影响，压实效果当然就会影响到粗、细颗粒之间相互作用，因此对填筑体抗剪强度必然会有显著影响。图3两组试样对应的颗粒级配筛分试验结果如表1。两组试样均为花岗岩强风化层，现场压实度也是按同样标准控制的，只是颗粒级配具有如表1所示的差别，试验结果显示的抗剪强度指标也相应的显著差别（图3）。尽管由于试验数量的限制，暂时无法对颗粒级配与抗剪强度之间的关系作定量描述，但总体而言，粗颗粒占比较高的填料其内摩擦角大，粘聚力小，反之亦然。这也符合通常对于岩土体抗剪切强度特性的认知[11]。

表1 两组填料的筛分试验结果表

4 压实度对填筑土抗剪强度的影响

“压实度”是土方填筑工程中一个重要的控制指标，在路基填筑工程中就针对路基各个不同层位提出了不同的压实度要求。填筑工程的密实程度直接关系到岩土颗粒之间的接触关系和接触程度。在常见的非保水情况下还涉及到固、水、气的三相相互作用关系，这些对填筑体的抗剪强度均有直接的影响。因此十分有必要研究压实度对填筑体的抗剪强度的影响。

室内试验测得的压实度对粘聚力的影响如图5，结果表明，不同含水率下粘聚力随压实度的变化规律一致，粘聚力随压实度的增大而增大。分析后认为：随着压实度的增大，花岗岩风化层颗粒间的孔隙比逐渐减小，颗粒间的水膜变薄。而粘聚力主要是水膜受相邻分子之间的引力引起的。孔隙体积的减小，会导致弯液面半径减小，基质吸力增大，增加粒间错动阻力，使得粘聚力增大。

室内试验测得的压实度对内摩擦角的影响如图6。如图所示，花岗岩风化层填料的内摩擦角随压实度的增大而增大。分析后认为，随着花岗岩风化层填料压实度的增大，颗粒间的孔隙比进一步减小，颗粒间的嵌挤作用增强，导致内摩擦角随压实度的增大而增大。但压实度的增大对于内摩擦角的影响有限，变化幅度基本在2°以内。

图5 粘聚力随压实度的变化曲线

图6 内摩擦角随压实度的变化曲线

5 含水率对填筑土抗剪强度的影响

一般的认知中，水对路基填筑体的影响是决定性的，有“十滑九水”的俗语。因此通过室内试验研究填料含水率对花岗岩风化填料抗剪强度特性的影响。

粘聚力随含水率的变化曲线如图7，结果表明填料的粘聚力会随含水率的增大先增大后减小，并在最佳含水率下达到其极值。分析后认为：花岗岩风化层填料在完全干燥的条件下，填料中不存在弯液面表面张力，当含水率增加时，填料表现出一定的可塑性，出现“似粘聚力”现象。但是，当含水率大于最佳含水率后，水在土粒间起润滑作用，不具有“似粘聚力”，故粘聚力减小。

图7 粘聚力随含水率的变化曲线

内摩擦角随含水率的变化曲线如图8，结果表明在相同压实度下，含水率对内摩擦角的影响不大，分析后认为，花岗岩风化层填料的抗剪强度主要由颗粒间的嵌挤作用及相互摩擦形成，含水率的增大未能改变颗粒间接触面的粗糙程度及颗粒级配，因此含水率对内摩擦角的影响不大。

图8 内摩擦角随含水率的变化曲线

这跟我们通常的认知有所不同，但是并不是说水对边坡稳定的影响不大。水对填筑体边坡的作用主要应该表现在两个方面：一是雨水或地下水对坡体的长期改造作用，包括雨水淋滤将细颗粒带走从而改变填筑体填料的组分，甚至进而形成流失带从而改变坡体结构的作用。二是地下水位升降产生的静水压力或水的流动产生的动水压力的不利作用。这些作用在我们的试验当中均未能体现，这也说明了花岗岩填料填筑坡体长期稳定性分析的复杂性。工程设计人员在分析花岗岩风化层填筑坡体长期稳定性时应充分考虑水的长期作用对边坡稳定的不利影响，同时对水的控制应有足够的工程措施。

6 以常规试验结果推定花岗岩风化层填筑体强度参数的思路

由于时间和成本的限制，工程设计阶段花岗岩风化层填料抗剪强度参数不能都通过现场大型剪切试验来获得。因此，有必要建立一套方法，以现有常规试验条件合理的推定填筑体的相对接近真实的强度参数，以为工程设计计算服务。

目前实际情况是，在工程勘察设计阶段，花岗岩风化层钻孔取样后均做筛分试验。因此，一般土工试验报告中均有花岗岩风化层的级配组成数据。压实度是填筑工程必然要给出的设计参数，而施工时必然要求控制在最佳含水量条件下压实。因此，获得相对真实的花岗岩风化层填料抗剪强度参数的思路是：通过更多的现场试验分别获得粘聚力、内摩擦角与颗粒级配、压实度的相关曲线作为抗剪强度取值的基础参考资料。这些曲线不一定能用精确的数学公式表达，但是据此曲线就能根据勘察报告提供的土样颗粒级配组成及目标压实度在一定精度范围内推定填筑体的实际抗剪强度参数。这对提高工程设计计算的准确性具有重要意义。

7 结论与建议

通过研究得到以下几个有意义的认知：

(1)花岗岩风化层填料的抗剪强度与规范参考值有较大差异，现场试验值偏低，尤其是粘聚力值低很多。原因是规范参考值是针对挖方边坡给出的，而填筑体抗剪强度应考虑原状土结构强度的损失和施工过程中细颗粒的减少，同时与填筑体的压实度有关。因此进行花岗岩风化层填筑体的稳定性验算时，应注意规范参考值不能直接采用，否则结果将出现较大偏差。

(2)颗粒级配组成对填料的抗剪强度有显著影响，总体而言，粗颗粒占比较高的填料其内摩擦角大，粘聚力小，反之亦然。

(3)花岗岩风化层填料抗剪强度与压实度正相关，其粘聚力和内摩擦角均随压实度的增大而增大，但是内摩擦角增幅小于粘聚力。

(4)填料粘聚力随含水率的增加先增大后减小，在最佳含水量时达到峰值；而填料的内摩擦角与含水率相关性不大。

进一步的工作应选择更多具有代表性的试验点进行现场大型直剪试验，获取典型花岗岩风化层填料粘聚力、内摩擦角与颗粒级配、压实度的相关曲线。以达到根据常规试验结果及目标压实度推定花岗岩风化层填筑体抗剪强度参数的目的，从而更好的为工程建设服务。

[1]周援衡，王永和，卿启湘，等.全风化花岗岩改良土高速铁路路基填料的适宜性试验研究.岩石力学与工程学报，2011，30（3）：625-634.

[2]刘刚，刘建华.全风化花岗岩路基处治对比分析.公路，2012（11）：204-208.

[3]DBJ13-84-2006，岩土工程勘察规范.福建省工程建设地方标准，福建科学技术出版社.

[4]牛玺荣，高江平，张恩韶.压实花岗岩风化土物理力学性状试验研究.岩土力学，2016，37（3）：701-710.

[5]赵建军，王思敬，尚彦军，等.全风化花岗岩抗剪强度影响因素分析.岩土力学，2005，26（4）：624-628.

[6]刘祖富.拟建福厦高速铁路全风化花岗岩物理力学性质研究.铁道工程学报，2007，增刊，1-4.

[7]李凯，王志兵，韦昌富，等.饱和度对风化花岗岩边坡土体抗剪特性的影响.岩土力学，2016，37（增刊1）：267-273.

[8]刘懿韬，王俊，琚元元，等.风化程度对花岗岩风化土抗剪强度影响.工程建设，2016，49（9）：9-13.

[9]林孔斌，柯国贵.花岗岩残积土抗剪强度的尺寸效应研究.土工基础，2017，31（4）：521-525.

[10]阙云，姚晓琴，陈祖鑫，等.福建非饱和花岗岩残积土强度特性的试验研究.公路，2012（6）：185-190.

[11]龙志东，王中文，史斌，等.花岗岩残积土抗剪强度及其影响因素试验.长沙理工大学学报（自然科学版），2016，13（3）：25-31.