砂土中部分级配的直剪强度指标变化规律

杨 旭 郭任萍 盖雯怡 金光日

(延边大学工学院，吉林 延吉 133002)

1 概述

实际工程勘察阶段需要了解地表、地基土及岩石等材料的抗剪强度及抗剪强度参数等详细的物理力学性质。其中抗剪强度对于工程的安全性意义重大，工程上土体的破坏通常都是剪切破坏，例如边坡工程的滑坡、地基承受过大荷载部分土体沿某一滑动面挤出等都是发生了剪切破坏，土体中滑动面的产生就是由于滑动面上的剪应力达到了土体的抗剪强度引起的[1]。在实际的工程环境中，岩石及土粒径都比较大，室外直接进行试验不方便，而一般室内可以进行的剪切强度相关小型试验的粒径一般不宜大于10 mm，很难直接通过室内试验直接测得原材料的剪切强度。

为了用实验室现有仪器，使用尽可能简单的方法得出实际的土及岩石等的抗剪强度十分有必要，同时具体方法又有待研究。王誉霖[2]为了研究实际的土的抗剪强度参数，使用了相似级配的方法来研究，并采用BP神经网络的方法对实际级配土抗剪强度参数进行估计。现使用另一种的研究方法，取一条完整级配不同最大粒径的部分级配分别进行试验，得出并分析不同段部分级配的抗剪强度参数指标及抗剪强度变化规律，以推测出原状土的剪切强度指标。本文即研究从河边所取的完整级配砂土，取不同最大粒径的部分级配段，进行试验研究，分析不同段抗剪强度参数的变化规律。为今后得到施工现场砂土的性质提供新的方法与依据。

2 材料及试验方法

本试验对原级配土分别截取最大粒径为2 mm,5 mm,10 mm的部分级配土样，为分析部分级配对剪切强度的影响，本研究进行了一系列基本物理性质和力学性质的实验。

2.1 原材料

用于实验的砂土是从布尔哈通河中游采集，所采集的砂土在烘干(110 ℃烘干24 h)处理后，进行比重，级配分析(规范标准)，击实试验(规范标准)等物理性质实验[3]。

原级配砂土和三个新级配砂土的级配曲线如图1所示。原级配砂土比重为2.736，原级配Cc,Cu分别为0.39,26.1，最大粒径分别为2 mm,5 mm和10 mm的三个新级配砂土的比重为2.631，2.685和2.721；级配参数Cc,Cu分别为最大粒径2 mm组0.89,4.5，5 mm组1.09,5.1，10 mm时0.86,8.4，根据GBJ 145—90土的分类标准可以分成原级配砂土为SP,三个不同最大粒径砂土为SF。

击实试验结果如表1所示，最大粒径2 mm时最大干密度为1.81、最优含水量为10.4%，5 mm时最大干密度为1.84、最优含水量为9.3%，10 mm时最大干密度为1.862、最优含水量为8.5%。最大干密度变化趋势如图2所示，砂土的最大干密度随着最大粒径的增大而增大。经分析,当整体粒径较小时，随着部分级配砂土最大粒径的增大，同体积的大粒径砂所代替的小颗粒越多，所拥有的最密实状态的最大干密度也就越大。随着最大粒径的增大，逐渐形成大粒径充当骨料，小粒径填充空隙的模式，当到达一定范围，粒径再增大，小粒径不能再充分填充空隙，最大干密度虽然依旧在继续增大，但增长会放缓慢，而不是匀速一直增大[4]。

表1 三种新级配土经过击实试验所得到的详细物理特性

2.2 试验方法

直接剪切试验按SL 237—1999土工试验规程直接剪切试验规范进行。直接剪切试验试件是根据击实试验结果制作最大粒径为2 mm,5 mm,10 mm三种试件，剪切方法选为固结慢剪法，取剪切速率为0.4 mm/min，竖向应力为50 kPa，100 kPa及200 kPa。

3 试验结果及分析

3.1 直剪试验结果分析

剪切试验结果如图3～图5所示，最大粒径为2 mm，5 mm和10 mm时，内摩擦角分别为31.0°，31.7°，32.8°。粘聚力分别为28.8 kPa，27.1 kPa和25.2 kPa。从实验结果可以看出，应力应变曲线达到峰值以后，随着粒径的增加剪切强度的下降斜率变小趋势，这是因剪切过程中材料的剪胀导致试件内部结构的重组引起的。

3.2 最大粒径变化对抗剪强度参数的影响

图6是图示剪切强度设计参数内摩擦角与粘聚力和最大粒径之间的相关性。最大粒径分别为2 mm，5 mm和10 mm时砂土内摩擦角分别为31°，31.7°和32.8°，粘聚力分别为28.8 kPa，27.1 kPa，25.2 kPa，各部分级配的内摩擦角基本随着最大粒径的增大而增加，粘聚力随着最大粒径的增大而减小，这是因随着粒径的增加细粒粉相对减少而引起的。

影响砂土内摩擦角有很多因素，其中主要的是粗细粒的含量，干密度，含水率。该试验均在最优含水率及最大干密度下进行，因此暂不考虑干密度与含水率的影响。在国内研究中，一般将5 mm作为粗细料区分粒径[5-7]。三种部分级配砂土级配均不良，且不均匀系数Cu与Cc相近，粗细颗粒相互填充得不好，颗粒自身的抗剪强度为主要因素，根据图6a)，最大粒径为2 mm和5 mm的两组，均为细粒，两组的区别在于整体颗粒的大小，显然最大粒径为5 mm组细粒土强度高于2 mm组，因此内摩擦角31.7°也大于2 mm组的31°。最大粒径为10 mm的组，含有约20%的粗粒土，整体颗粒粒径更大，内摩擦角32.8°自然也大于前两组。李振、杨健等人曾研究粗细粒土抗剪相关试验，发现当试样中细粒含量多时，其内摩擦角主要取决于细粒土的强度，而当细粒土含量减少，粗粒土含量增多时，内摩擦角较大[8]，与本试验所得规律相近。就增长趋势而言，当颗粒达到一定大小时，颗粒大小对剪切强度的影响将不再那么大，内摩擦角的增长将趋于平缓。但由于室内直剪试验最大粒径也不过10 mm，因此试验范围内颗粒大小对剪切强度的影响比较明显，近似线性关系。

一般认为砂土无粘聚力，但是一个完整的级配，在砂土整体颗粒相对较小的情况下，砂土小颗粒之间存在毛细水，会使砂土颗粒间产生真正的压力，水在砂土中的毛细现象，形成了“似粘聚力”或“假粘聚力”[9]。从图6b)可以看出，随着整体颗粒粒径越来越大，细粉砂相对含量越来越少，毛细水含量也越来越少，相互之间粘结的能力就越来越弱。在此试验中，部分级配砂土随着该部分最大粒径的增大，颗粒之间的咬合力越来越小。最大粒径2 mm～10 mm之间，粘聚力从28.8 kPa到27.1 kPa再到25.2 kPa，颗粒间咬合力减小的速率变缓，最终大颗粒间的咬合力将趋于平缓。由于试验进行范围较小，未验证最终变缓趋向的咬合力数值。

3.3 相同垂直应力下剪切应力与最大的粒径的关系

如图7所示，同一种砂土，分别在50 kPa，100 kPa和200 kPa垂直应力作用下，比较它们的剪切应力，试验结果如图7所示。在同一垂直应力下，不同最大粒径的部分级配砂土进行剪切，在50 kPa垂直应力作用下，剪切应力分别为56.71 kPa，57.85 kPa和56.05 kPa，呈现一定范围内先随最大粒径的增大而增大的趋势，而后剪切应力会下降，到了最大粒径为10 mm的部分级配砂土时，剪切应力甚至比2 mm还要小；在100 kPa垂直应力作用下，剪切应力分别为91.91 kPa，93.28 kPa与91.47 kPa，与最大粒径为2 mm的呈现相同的规律；但是，当在200 kPa垂直应力作用时，剪切应力的变化规律与50 kPa，100 kPa下并不相同，分别为147.75 kPa，150.74 kPa与153.43 kPa，一直在增大。

土的抗剪强度取决于砂土粒径大小，砂土的级配，颗粒间摩擦，咬合或相互嵌合，以及土颗粒的破碎与重新排列[10]。三种部分级配砂土级配均不良，整体颗粒间摩擦、咬合与嵌合程度均不好，由材料分析可见三种部分级配砂土Cu与Cc相近，因而随着整体粒径的增大，孔隙率变大。当垂直应力为50 kPa与100 kPa，应力较小，随着整体粒径的增大，增大的粒径自身先提高了整体的抗剪强度，但在最大粒径5 mm～10 mm间某值，级配不良的砂土抗剪强度反而降低了；而200 kPa组，依旧是最大粒径5 mm组抗剪强度大于2 mm组，当最大粒径为10 mm时，此组抗剪强度继续增大，经分析是由于在制作试件过程中或者在大于前面两组的垂直应力下粗粒出现了破裂与重新排列，颗粒间的填充程度变好，故而出现随着最大粒径增大剪切应力一直增大的现象，垂直应力与破碎率影响有待具体实验求证。

4 结语

本研究对不同最大粒径部分级配砂土进行了直接剪切试验，分析了最大粒径不同部分级配对剪切强度的影响，并得出了以下结论:

1)直接剪切试验过程中，随着部分级配最大粒径越来越大，颗粒之间的摩擦力越来越大，内摩擦角也越来越大，但是当颗粒达到一定大小，内摩擦角增长趋于平缓。

2)当整体颗粒大小较小时，随着粒径增大，颗粒间的咬合力减小得较快，整体颗粒较大时，颗粒间咬合力减小的速率越来越缓，最终大颗粒间的咬合力将趋于平缓。

3)在垂直应力较小的情况下，不同级配土随着最大粒径的增大出现剪切应力先增大再略有减小的趋势；当垂直应力较大时，不同级配土随着最大粒径的增大可能将出现剪切应力一直增大的现象。