粗颗粒含量对粗颗粒土抗剪强度指标的影响研究

马捷， 韩文喜,2，李宝成，梁春晓

(1. 成都理工大学环境与土木工程学院，四川成都610059； 2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点试验室，四川成都610059)

1 颗粒级配设计

本次试验的粗颗粒土取自贵州龙洞堡机场栖霞、茅口组灰岩。这种灰岩的平均天然单轴抗压强度41.23 MPa，平均饱和单轴抗压强度40.00 MPa。由于本次试验的土料为爆破所得，风化程度与磨圆度低，最大粒径为60.00 mm。

通过对龙洞堡机场、承德机场、攀枝花机场、三明机场、九寨机场、稻城亚丁机场、康定机场的填料综合分析，结合GB 50021—2001《岩土工程勘察规范》确定粗粒混合土上下限。本文级配设计以落在粗粒混合土上限以外的级配曲线为参考。由于着重研究P5含量变化对灰岩类填料的力学特性影响，所以保证每组试样P5含量不同。因而通过经筛分后按不同P5值将土样用干法配制成9种不同级配，具体各组级配见表1。

表1 颗粒级配 单位：%

按下式计算每组试样的不均匀系数Cu与曲率系数Cc：

(1)

(2)

式中d60——限制粒径，土的粒径分布曲线上的某粒径，小于该粒径的土粒质量为总土粒质量的60%；d30——中值粒径，土的粒径分布曲线上的某粒径，小于该粒径的土粒质量为总土粒质量的30%；d10——有效粒径，土的粒径分布曲线上的某粒径，小于该粒径的土粒质量为总土粒质量的10%。

将计算结果总结至表2。

表2 dmax≤60 mm的级配特征

2 击实试验

从制备好的一份试样中称取1/3土量，分3层倒入击实筒内并将土面整平，分层击实，击实高度763 mm，每层击实次数为84次。每层击实时，保证击实锤在距填料面同一高度处自由铅直下落。三层击实完成后称试样总质量，之后含水率测定试样含水率[8-10]。按式(1)计算击实后各试样的含水率：

(1)

按式(1)计算击实后各试样的干密度：

(2)

式中ω——含水率，%；m——湿土质量，g；md——干土质量，g；ρd——干密度，g/cm3；ρ——湿密度，g/cm3。

合成樟脑丸中的对二氯苯对眼睛和上呼吸道有刺激性，对中枢神经有抑制作用，会损害肝和肾。人在接触高浓度对二氯苯时，可出现虚弱、眩晕、呕吐等症状。世界卫生组织和国际癌症研究机构已确认，对二氯苯对动物致癌，对人类可疑致癌。

对所有组别的试样都在5种不同含水率下进行击实。得到最大干密度与最优含水率与P5含量的关系曲线见图1。

由图1可以看出当P5在35%～65%范围内时，最大干密度与最优含水率随着P5含量的增加整体趋势均为先增后减。最大干密度的峰值为2.36 g/cm3,对应P5为75%，而最优含水率的峰值为5.3%，对应P5为55%。根据分析可以推断，当P5小于75%时，随着粗颗粒含量增加，土粒体积占总体积比例逐步增大，土体的最大干密度随之增加，直至到P5为75%时，较细颗粒几乎刚好可以将较粗颗粒间的空隙填满，此时土体最密实，干密度也最大，而当P5大于75%时，随着细颗粒比例减小，较细颗粒无法将空隙填满而导致孔隙率上升，最大干密度骤降。

P5含量在一定范围内，最优含水率整体随着P5含量增大而减小。当P5含量未达到75%临界值时，随着粗颗粒含量增加，较之单位体积细颗粒表面积减小，对水颗粒吸附力小而含水率降小。但此细颗粒仍能完全填满粗颗粒间的空隙，为粗细颗粒混合作用，故而最优含水率减小较为缓慢；当P5含量超过75%临界值时，此时细料含量过少而不能完全填充粗料间的空隙，粗颗粒起控制性作用，对水分子吸附力大大降低，并且P5含量的增加的同时单位体积内颗粒表面积减小不大，故而最优含水率减小幅度很小；当P5含量约为75%，为上述2种情况的临界点。其中P5含量为55%时，最优含水率为最大值，这是因为此时细颗粒含量达到较值为45%，并且小于0.25 mm的颗粒含量最大为20%，其他级配基本低于10%，其对水分子吸附力更强，最优含水率最大。

通过击实试验的结果总结与分析可以得到，当P5含量在35%～85%范围内，当P5为55%时，土体对水分的吸附能力最强，最优含水率达到峰值；当P5含量为75%时，土体最大干密度达到峰值，土体密实度最大，并在此时拥有较小的最优含水率，由此可见P5为75%时级配良好。

3 大型三轴试验

本次试验采用不固结不排水试验(UU)，使测得试样总抗剪强度参数适用于土体受力而孔隙压力不消散的情况，所取得的试验成果，常用于对土石坝、填方施工期的稳定性分析(总应力法)[9]。依据重型击实试验得到的每个填料级配设计下最大干密度和最优含水率，将压实度控制为0.95，试样含水率控制为最优含水率，以此来研究A—I共9组填料级配特征的不同对粗颗粒土强度特性的影响。

根据SL 237—1999《土工试验规程》规定，本次6组试验，每组3个试样，分别在不同恒定周围压力100、200、300 kPa(即最小主应力σ3)下施加轴向压力(即主应力差σ1-σ3)，进行剪切至破坏，之后按摩尔-库仑强度理论求得抗剪强度参数。试验过程按以下步骤实施：首先根据试验要求，通过前面击实试验得到的最大干密度和最优含水率，以压实度0.95为标准，按试样尺寸依据计算得到每个试样所需质量和配置最优含水率所需水量，并用喷水壶洒水至最优含水率，搅拌均匀留置备用在底座上用橡皮管扎好乳胶膜，安装成型筒，将橡皮膜外翻在成型筒上，并使其顺直和紧贴成型筒内壁，之后将黑色2 mm厚橡皮膜分2块相互交叉紧贴乳胶膜放入。为防止粗颗粒离析，试样分6层装填，每层击实至相应高度后，对表面刨毛，再装填下一层，如此继续，直至最后一层装填完成，其表面应整平，无突出颗粒，加上土工布和试样帽，扎紧乳胶膜，再去掉成型筒安装压力室，旋紧连接螺栓，向压力室注水。注水完成后，在压力室上方固定位移传感器，以测轴向位移。开启供油开关，将围压进水开关打开，使压力值达到预定数值后拧紧。试验具体过程见图2—5。

试验开始时，手动调速阀控制速度为1.5 mm/min，试验过程中，不断控制围压进排水开关，保持围压在一定数值，同时做好轴向荷载和轴向变形记录；分别在不同恒定围压下施加轴向压力(即主应力差σ1-σ3)，进行剪切至破坏，之后按摩尔-库仑强度理论求得抗剪强度参数。增加围压使压力值达到预定数值并在试验过程中保持围压稳定，选取轴向应变15%对应的主应力差作为破坏强度值。得到各试样的应力峰值σ1、σ3总结至表3。

以法向应力σ为横坐标，剪应力τ为纵坐标，在横坐标上以(σ1+σ3)/2为圆心，(σ1-σ3)/2为半径绘制摩尔圆，作不同围压下莫尔圆包线进行线性拟合并得到线性方程

σ=τtanφ+c

(3)

式中τ——剪应力；σ——轴向应力；c——内聚力；φ——内摩擦角。

总结得出9组试样莫尔圆包络线方程见表4。

分别绘制c、φ值随P5含量变化曲线见图6,由图6可以看出当P5在35%～85%范围内时，内摩擦角随着P5含量的增加整体趋势均为先增后减。φ的峰值为43°,对应P5为75%；而黏聚力随着P5含量的增加整体趋势为先减后增，c的最低值为16.8 kPa，对应P5为55%。通过对以上结果的分析及对图1、2进行对比可以推断：当P5小于75%时，随着粗颗粒含量增加，粗颗粒土逐渐形成“土骨架”，土粒之间的嵌固作用逐渐增强，从而使土体的内摩擦角增加。而由击实试验结果可知当P5达到75%时，土体达到最密实状态，可以推测此时粗细颗粒共同抵抗外部剪切荷载，土粒间的嵌固最紧实，内摩擦角达到最大，而当P5含量大于75%时，随着P5含量的增加，细颗粒含量减少致使孔隙增多，土体密实度降低，从而导致土颗粒间的嵌固作用下降，从而φ值有所降低；当P5小于55%时，粗颗粒土试样中的黏聚力主要为细颗粒之间的胶结力提供，会随着粗颗粒含量的增多，细颗粒间的胶结作用不断减小，当P5为55%时，由击实试验结果推测此时土体内部具有最大的内表面积，则此时细颗粒间的接触最不充分，颗粒间的吸引、连接作用最弱。当P5大于55%时，粗颗粒增加以至相互接触，土体中黏聚力开始由粗颗粒间的咬合作用和细颗粒间的黏聚力共同提供，且随着粗料含量的增加，粗颗粒之间相互接触产生咬合作用，因此粗颗粒土试样的黏聚力不断增大。由此可以看出，由于内摩擦角受颗粒间尤其是粗粒间嵌固作用影响较大，因而粗颗粒含量对内摩擦角起关键作用；而粗颗粒土的内聚力在细颗粒含量较高时由细颗粒含量主导，而在粗颗粒较多时，受粗细颗粒共同影响。当P5为75%左右可保证在较高的黏聚力下有最大的内摩擦角，从而有较高的抗剪强度。

表4 9组试样莫尔圆包络线方程

4 结语

本文通过对一定级配范围内的粗颗粒土进行不同设计级配的配置，以得到9种具有不同P5含量的粗颗粒土试样。并通过击实试验得到9种试样最优含水率与最大干密度，通过大型三轴试验得到9种试样的抗剪强度指标。通过对试验结果的分析，得到以下结论。

a) 通过击实试验可得，当P5含量在35%～85%之间时，灰岩质粗颗粒土的最大干密度与最优含水率随P5含量的增加呈先增后减的非线性趋势。其中最大干密度的临界值对应P5为75%，表明在此种级配下土体达到最密实程度；最优含水率的峰值对应P5为55%，由此推断此种级配下土体对水分的吸附能力最强。

b) 通过大型三轴试验可得，当P5含量在35%～85%之间时，灰岩质粗颗粒土的内摩擦角随P5含量的增加呈先增后减的趋势，临界值对应P5为75%；内聚力则呈先减后增的趋势，临界值P5为55%。通过以上变化趋势与击实试验结果对比分析可以看出：粗颗粒土在最密实的情况下，内部颗粒间嵌固作用最强，内摩擦角最大；粗颗粒土在单位体积内颗粒表面积最大，内部细颗粒接触程度最低，胶结作用最小，黏聚力最小。

c) 通过对2种试验结果的综合分析，当粗颗粒土的P5为75%时，土体在保持吸附水分能力在较低水平的情况下拥有最大的密实程度、最大内摩擦角与较高的黏聚力。由此可以做出评价：当P5在35%～85%范围内，P5为75%时级配最为良好，并表现出较好的抗剪性能，对于土石坝等应力水平较高的大型填方工程，此种级配有利于工程稳定性。