碎石含量對堆積巖土體抗剪強度的影響

李培焰

(福建省建專巖土工程有限公司 福建福州 350001)

碎石含量對堆積巖土體抗剪強度的影響

李培焰

(福建省建專巖土工程有限公司 福建福州 350001)

通過對現場取得的堆積巖土及人工制作的不同碎石含量的巖土體分別進行大型直剪試驗，結合試驗數據及土體抗剪強度計算公式，得出了不同碎石含量下巖土體的抗剪強度變化規律。研究表明:碎石土的粘聚力隨著碎石含量的增加呈現先遞增后遞減的趨勢，內摩擦角隨著碎石土含量的增加而不斷地增大，但呈現增速減緩的趨勢。

碎石含量;堆積巖土體;抗剪強度;大型剪切試驗

1 研究背景

近年來，出現越來越多的高邊坡工程。在高邊坡工程建設過程中，開挖土石方量較大，因外運成本較高，或場地限制外運不及時，需要暫時保留巖土體作為回填土，通常會選擇在場地周邊設置排土場，進行臨時性或永久性人工堆填。當人工堆填土達一定高度時，可能產生坡體滑塌、破壞等工程事故，影響人身及財產安全。因此，對巖土堆積體的穩定性進行分析就顯得格外重要。

福建山地地區高邊坡工程，在開挖高度范圍內，所揭示的巖土層，至上而下分別為填土層、粘質粘性土層、全風化巖層、強風化巖層及中風化巖層，故開挖過程中會產生大量的土方、石方。在堆填的過程中，難免會產生各種配合比的碎石、粘性土混合體，以及各種坡率、坡高的堆積。由于巖土體碎石含量不一，用常規的小試件很難進行試驗，需做現場大剪切試驗或室內大剪切試驗，如此則花費大量的精力和資金，堆積體坡體穩定性驗算也變得繁瑣、復雜。因此，本文擬通過現場試驗、成果分析等一系列研究，總結出巖土混合體抗剪強度的一些規律，為堆積體坡高及坡率設計提供參考。

眾所周知，邊坡產生滑坡的原因主要有以下兩個因素:

(1)自身因素

當土體在重力作用下的下滑力大于土體自身的摩擦抗滑力時，邊坡處于不穩定狀態，產生整體剪切破壞或整體滑動破壞。土體的下滑力在土體中產生剪應力，土體的抗滑能力實質上就是土體的抗剪能力，而土體抗剪能力的大小主要取決于土的內摩擦系數與內聚力的大小。因而，此項參數對邊坡的坡率及堆填高度具有決定性的作用。

(2)外界因素

坡體在雨水、地表水的滲透作用下，土體的抗剪強度指標急劇下降，且自重增大，導致穩定性降低，產生整體破壞或坡面局部剪切破壞。地震作用、坡頂行車、堆物等因素，也會增加土體的下滑應力，導致滑坡。

本文主要從巖土體自身的抗剪強度入手，分析碎石含量對巖土體的力學參數，特別是抗剪強度的影響，為堆積體坡率、堆填高度的設計及邊坡穩定性分析提供參考。

2 試驗概況

試驗主要是測試原位碎石土及自制碎石土的容重、顆粒組成、碎石含量、內摩擦角、粘聚力等參數，為坡體穩定性計算提供參數。

2.1 試驗地點

本試驗以邵武市某邊坡的土石方排土場作為試驗地點。該邊坡最高高度達72.5m。

圖1 典型剖面

如圖1所示，根據設計坡度開挖后所產生的土石方分別為:②凝灰熔巖殘積砂質粘性土;③全風化凝灰熔巖;④砂土狀強風化凝灰熔巖;⑤碎塊狀強風化凝灰熔巖;⑥中風化凝灰熔巖，巖石體與土體各占一定比例。因外運難度較大，成本較高，故將巖土體暫時堆填在邊坡南側的閑置地。

2.2 試驗條件

針對排土場土石方的排放方式和運動特征，作如下假設:

(1)土石方的堆填過程中各種粒徑含量的土體的堆積是隨機的。

(2)認為土石方的分布規律在排土場表面和內部是一致的。因此，隨著時間的推移，沿排土場全長，散體巖土的分布不盡相同，但在一定時期內，總體分布是一致的。

(3)由于現場取樣自土石方同一區域，土體含水量基本一致，故不考慮含水量變化對試樣抗剪強度的影響。

(4)粒徑＜5mm的認定為土體顆粒，粒徑≥5mm的認定為碎石顆粒［1］。

(5)由于密實度與含水率對巖土體的抗剪強度均有一定影響［2－3］。本次試驗對象是自然狀態堆積，未經壓實、排水的巖土體。

2.3 試驗內容及方法

本次試驗共采用16組試樣做簡易直剪實驗。其中，人工制作20%、40%、60%、80%碎石含量的巖土混合體各3組，并從現場試坑取樣4組作為比對驗證。

(1)原狀巖土體密度

巖土體密度采用試坑法測試。試坑采用人工挖掘或機械挖掘等方式，在堆積體上直接開挖。挖掘前，試坑表面及周邊使用水準尺找平。為保證試樣的測試準確性，每個試坑的直徑和深度均不小于取樣部位最大巖塊尺寸的10倍。試坑體積測量采用灌水法［4］。

(2)原狀巖土體顆粒分析試驗

采用篩析法分析原狀巖土體的顆粒組成［4］。

(3)巖土體抗剪強度測試

抗剪試驗采用本公司自制的碎石土直剪剪切盒設備。剪切盒采用8mm厚Q235鋼板焊制，平面形狀為正方形，尺寸為400mm×400mm，分上下兩層，分別高150mm。試驗最大粒徑為60mm。

在剪切盒上放置一塊390mm×390mm×8mm的鋼板作為加壓板，上置鉛塊作為正壓應力;下部剪切盒固定，上部剪切盒采用兩臺千斤頂施加剪力。擬加鉛塊自重分別為3.8kN、7.6kN、11.4kN、15.2kN，按受力面積0.1 521m2換算成壓應力分別為25kPa、50kPa、75kPa、100kPa。固定壓應力后，以10%的壓力為一級，每級荷載30s的速度施加水平荷載，測量每級荷載下的水平位移。當某級水平荷載下的位移超過上一級位移的2倍時，改為5%施加。當水平位移急劇增加時，則視為該試樣已經破壞。此時的水平剪應力，即可認為是該巖土體的抗剪強度。

以抗剪強度為縱坐標，垂直壓應力為橫坐標，繪制抗剪強度與垂直壓力關系曲線，直線的傾角即為巖土體的內摩擦角，直線在縱坐標上的截距即為巖土體的粘聚力。

3 試驗成果

(1)分別對4組原狀巖土體做試坑法及篩析法試驗，測得其密度及顆粒組成，如表1所示。

表1 原狀巖土體密度及顆粒組成

(2)利用現場的碎石及土體，制備12組不同碎石含量的巖土體，如表2所示。

表2 自制巖土體密度及顆粒組成

(3)將4組原狀巖土體做直接剪切試驗，成果統計如表3所示。

表3 原狀巖土體直接剪切試驗成果 kPa

將表3的數據繪成表，如圖2所示。

圖2 試樣關系圖

圖2 (a)～(d)中，直線的傾角為該組巖土體的內摩擦角，直線在縱坐標上的截距為該組巖土體的粘聚力，得出第1組～第4組試樣的c值及φ值，統計如表4所示。

表4 原狀巖土體抗剪強度

(4)以同樣的方法測得12組自制不同碎石含量巖土體的C值及ψ值，統計如表5所示。

表5 自制巖土體抗剪強度

將相同碎石含量的巖土體c、φ值進行平均后，分別繪制碎石含量與c、φ值的關系曲線圖，如圖3～圖4所示。

圖3 碎石含量與粘聚力關系曲線

圖4 碎石含量與內摩擦角關系曲線

4 成果分析

根據試驗分組要求，在完成16個試樣后可以得到4種自制不同碎石含量的巖土體的抗剪強度指標的變化曲線。通過分析，可以看出:

(1)碎石土的粘聚力c隨碎石含量的增加呈現先遞增后遞減的趨勢。

①當碎石含量從20%逐漸增加至40%時，由于粗顆粒的存在，細顆粒與粗顆粒不斷地黏結，內部嵌合的能力越來越強，導致土體的整體性非常好，故粗顆粒含量的增加，會導致碎石土內聚力上升。處于碎石含量40%時碎石土的內聚力最大。

②當粗顆粒所占超過40%，且比例越來越大時，細粒減少引起的粘聚力下降遠大于密度變化引起的粘聚力上升，故碎石土內聚力呈下降的趨勢。

(2)碎石土的內摩擦角隨著碎石含量的增加呈現不斷增加，但增速呈減緩的趨勢。

①當碎石含量從20%逐漸增加至40%時，碎石土的內摩擦角處于增加狀態，加入的碎石能有效地改善土的各種性狀，使得整個土體呈現土石混合體的狀態。

②碎石含量從40%逐漸增加到60%時，由于土和石結合得比較好，也區分不出土和巖石，形成骨架后碎石土表現出土和巖石的雙重特性，整體移動時土將碎石包裹得比較好，剪切時整體性很強，表現為碎石土的內摩擦角依舊線性增長。

③當碎石含量處于60%～80%時，粗顆粒的增加導致土體單位密度增大，粗顆粒間的摩擦力和擠壓鑲嵌作用隨著碎石含量上升逐漸加強，土體抗剪強度得到進一步的提高，但在高于60%含量之后，巖土體已從“土”的特性轉變成“石”的特性，故在該含量范圍內，摩擦角的提高速率有所減緩。

以上結論與時衛民、鄭穎人等人所做的研究試驗成果［1］近似。經對比，原狀巖土的碎石含量對抗剪強度的影響關系，與自制配合比巖土趨勢相近。

5 結論

本研究通過對現場取得的堆積巖土體及人工制作的不同碎石含量的巖土體分別進行大型直剪試驗，結合試驗數據及土體抗剪強度計算公式，得出了不同碎石含量下巖土體的抗剪強度變化規律，即碎石土的粘聚力隨著碎石含量的增加呈現先遞增、后遞減的趨勢，內摩擦角隨著碎石土含量的增加呈現不斷增大但增速減緩的趨勢。基此，可以認為原狀自然堆積巖土體在不同碎石含量的情況下，其抗剪強度可以近似參考自制巖土體。

本結論對今后類似存在大量挖方的項目具有一定的參考意義。當需要大量堆填土方石方的時候，可以通過分析巖土體的碎石含量，用簡易而又經濟方法進行抗剪強度的估算，通過推導出來的數值來計算堆積巖土體的整體穩定安全系數，評估該坡體的穩定性;或根據現場條件所要求的堆積體坡高、坡率，來反推、控制巖土混合體的碎石含量，進行有組織的堆積排放。該研究成果對實際工程具有一定的參考借鑒指導意義。

［1］ 時衛民，鄭宏錄，劉文平，等．三峽庫區碎石土抗剪強度指標的試驗研究［J］．重慶建筑，2005(2):30－35．

［2］ 李振，邢義川．干密度和細粒含量對砂卵石及碎石抗剪強度的影響［J］．巖土力學，2006(12):2255－2260．

［3］ 李維樹，鄔愛清，丁秀麗．三峽庫區滑帶土抗剪強度參數的影響因素研究［J］．巖土力學，2006(1):50－60．

［4］ BG/T 50123－1999土工試驗方法標準［S］．北京:中國規劃出版社，1999．

Influence of Gravel Content on the Shear Strength of Cumulate Soil

LI Peiyan (Fujian Jianzhuan Geotechnical Engeering Co．Ltd，Fuzhou 350001)

Based on the large－scale direct shear tests of cumulate soil on spot and different gravel content of soil，combined with the experiment data and soil shear strength calculation formula，we obtain the shear strength variation of different gravel content of soil.The results show that cohesion of the gravel soil first increased and then decreased with the increase of gravel content.the internal friction angle increased constantly with the increase of gravel content.

Gravel content;Cumulate soil;Shear strength;Large－scale direct shear test

TU43

A

1004－6135(2017)02－0066－04

李培焰(1983．8－ )，男，工程師。

E-mail:2261165@qq．com

2016－08－28