粗颗粒含量对砾石土抗剪强度影响的试验研究

郝腾飞 ， 喻邦江

(1．地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059； 2.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵阳 550001)

1 引言

砾石土由于具有压实性好、变形小、透水性好、强度高等特点，因而广泛应用于坝基、路基等工程建设中。抗剪强度是砾石土最重要的强度特性之一，而粗颗粒含量又是影响砾石土抗剪强度最主要的因素之一，因而对其进行深入的研究具有重要意义。

目前，国内外研究学者对影响砾石土等粗粒土抗剪强度的因素研究较多，且主要集中在颗粒级配、最大粒径、干密度、含水率及剪切过程中颗粒破碎影响等方面[1-5]。粗、细颗粒的相对含量是制约土体颗粒级配及土体结构的最主要因素，也是决定剪切过程中土体应力场分布、颗粒间相对运动状态及颗粒破碎程度的内在因素。在国内研究中，一般采用5 mm作为粗、细料的区分粒径[6-8]。郭庆国等人[9-12]用P5表示粒径大于5 mm颗粒的质量百分含量，研究发现粗粒料含量为30%、70%是决定粗粒土性质的两个特征点。王光进[13]研究发现，随粗颗粒含量及竖向压力的不同，砾石土的剪应力-应变曲线呈现出不同的软硬化类型。本文在前人研究的基础上以5 mm作为粗颗粒粒径划分的标准，以P5表示粗颗粒的质量百分含量，试验研究了砾石土抗剪强度随粗颗粒含量变化的一般规律。

2 试验研究

本文选取人工制备的粒径范围在2～20 mm之间的石英砂岩碎石颗粒，利用改进的应变控制式中型直剪仪，试验研究了粗颗粒含量P5为30%、50%、70%、100%时，砾石土的剪切变化特征。具体试验过程如下：

(1) 首先利用人工制备的粒径范围为2～20 mm的石英砂岩碎石颗粒，配制一定颗粒级配的粗、细料(如图1)。然后通过向粗料中添加细料的方法，分别配制成粗颗粒含量P5为30%、50%、70%、100%的4种试样，试样中不同粒径颗粒的百分含量如表1所示。

图1 一定颗粒级配的粗、细料

粒径/ mm试样1试样2试样3试样42～570 503005～76 1014207～961014209～2018304260

(2) 将制备好的试样逐层添加到尺寸规格为200 mm×200 mm×200 mm的刚性剪切盒中，并逐层夯实。放置好剪切盒及相关测量仪器，然后分别在竖向荷载为100 kPa、200 kPa、300 kPa的条件下进行直接剪切试验。试验时每种粗颗粒含量的试样各取3组分别进行上述试验，观察并记录每一组试验过程中剪应力及剪切位移的变化情况。试验的破坏准则为水平施力装置压力表读数有显著后退或者压力表读数不再增大。如果压力表读数一直增大，即剪应力无峰值，剪切位移至20 mm时停止试验。

3 剪应力-剪位移关系曲线

粗颗粒含量不同的4种试样，在不同竖向荷载作用下的剪应力-剪切位移关系曲线如图2(a ～ c)所示。从图中可以看出：(1)P5含量为30%、70%的试样，剪应力-剪切位移关系曲线有明显的峰值出现，而P5含量为50%、100%时试样的剪应力-剪位移曲线的峰值不明显。(2)峰值强度随着竖向荷载的增大而增大，相同竖向荷载条件下，P5含量为70%时，试样的剪切峰值强度最大。这主要是因为P5含量为30%和50%时，土体的颗粒分布均较为密实，剪切过程中颗粒间的应力分布相对均匀，颗粒很少破碎，但不同的是P5含量为30%时，细颗粒构成了土体结构的主体，细颗粒间相互作用形成的弱骨架结构是抵御剪切变形的结构主体。且由于此时颗粒粒径的离散性相对较小，土体结构的稳定性整体较好，颗粒间的位置相对固定，土体结构的整体强度发挥较好，因而具有明显的峰值强度。而粗颗粒含量为50%时，粗颗粒间形成的骨架结构是土体结构的主体，但由于此时细颗粒仍然较多，粗颗粒间的空隙被细颗粒过分充填，导致粗颗粒间骨架结构的强度相对较弱，土体结构的整体稳定性相对较差，在外部荷载的作用下粗颗粒容易随着细颗粒的滑动而转动，颗粒间的相对位置不断调整，因此宏观上没有表现出明显的峰值强度。P5含量为100%时，粗颗粒间相互直接接触，颗粒间形成较大的空隙，土体的颗粒分布相对松散，土体结构的稳定性相对较差。在外力作用下颗粒间容易形成应力集中而产生颗粒破碎，使颗粒间的相对位置不断调整，因而峰值强度也相对不明显。P5含量为70%时，土体中的粗细颗粒比例适中，粗颗粒间的空隙被细颗粒有效充填，颗粒的相对位置比较固定，土体骨架结构的稳定性较好，因而剪切过程中土体结构抵御外力变形的能力也较强，宏观上表现出较大的峰值强度。

图2 不同粗颗粒含量砾石土剪应力-剪切位移关系曲线

4 强度参数特征

根据摩尔-库伦强度破坏准则，拟合试验数据绘制强度破坏曲线如图3所示。可以看出，试验中试样的内聚力均较小，土体的抗剪强度主要由内摩擦角所决定；随着粗颗粒含量的增加，内摩擦角先逐渐增大，在P5含量为70%时达到最大，而后随粗颗粒含量的继续增加又出现减小的趋势。这主要是由于粗颗粒含量的差异导致了土体颗粒组成、分布及排列的不同，进而导致颗粒之间的接触关系不同，在受到外力作用时，颗粒之间的咬合摩擦组合关系不同，因而宏观上表现出不同的强度特征。仅从本次试验的结果上看，P5含量为70%时，土体中粗细颗粒组合形成的骨架结构较为稳固，颗粒之间的咬合摩擦力较强，宏观上表现出较大的抗剪强度。针对本次试验中砾石土试样的黏聚力不为零的情况，认为除了有颗粒之间咬合产生的表观黏聚力之外，还存在着试验材料在试验过程中发生颗粒破碎所产生的黏聚力等其它因素的共同影响所致。

图3 不同粗颗粒含量的强度包络线曲线图

5 结论

本文通过设计改进的直剪试验，试验研究了不同粗颗粒含量砾石土剪切过程中的强度-变形特征，通过分析试验结果得出以下结论：粗颗粒含量的多少对砾石土的抗剪强度有重要影响，粗颗粒含量在70%附近时，砾石土土体颗粒间的内摩擦角最大，土体的抗剪强度最大。