砂土中部分級配的直剪強度指標變化規律

楊 旭 郭任萍 蓋雯怡 金光日

(延邊大學工學院，吉林 延吉 133002)

1 概述

實際工程勘察階段需要了解地表、地基土及巖石等材料的抗剪強度及抗剪強度參數等詳細的物理力學性質。其中抗剪強度對于工程的安全性意義重大，工程上土體的破壞通常都是剪切破壞，例如邊坡工程的滑坡、地基承受過大荷載部分土體沿某一滑動面擠出等都是發生了剪切破壞，土體中滑動面的產生就是由于滑動面上的剪應力達到了土體的抗剪強度引起的[1]。在實際的工程環境中，巖石及土粒徑都比較大，室外直接進行試驗不方便，而一般室內可以進行的剪切強度相關小型試驗的粒徑一般不宜大于10 mm，很難直接通過室內試驗直接測得原材料的剪切強度。

為了用實驗室現有儀器，使用盡可能簡單的方法得出實際的土及巖石等的抗剪強度十分有必要，同時具體方法又有待研究。王譽霖[2]為了研究實際的土的抗剪強度參數，使用了相似級配的方法來研究，并采用BP神經網絡的方法對實際級配土抗剪強度參數進行估計。現使用另一種的研究方法，取一條完整級配不同最大粒徑的部分級配分別進行試驗，得出并分析不同段部分級配的抗剪強度參數指標及抗剪強度變化規律，以推測出原狀土的剪切強度指標。本文即研究從河邊所取的完整級配砂土，取不同最大粒徑的部分級配段，進行試驗研究，分析不同段抗剪強度參數的變化規律。為今后得到施工現場砂土的性質提供新的方法與依據。

2 材料及試驗方法

本試驗對原級配土分別截取最大粒徑為2 mm,5 mm,10 mm的部分級配土樣，為分析部分級配對剪切強度的影響，本研究進行了一系列基本物理性質和力學性質的實驗。

2.1 原材料

用于實驗的砂土是從布爾哈通河中游采集，所采集的砂土在烘干(110 ℃烘干24 h)處理后，進行比重，級配分析(規范標準)，擊實試驗(規范標準)等物理性質實驗[3]。

原級配砂土和三個新級配砂土的級配曲線如圖1所示。原級配砂土比重為2.736，原級配Cc,Cu分別為0.39,26.1，最大粒徑分別為2 mm,5 mm和10 mm的三個新級配砂土的比重為2.631，2.685和2.721；級配參數Cc,Cu分別為最大粒徑2 mm組0.89,4.5，5 mm組1.09,5.1，10 mm時0.86,8.4，根據GBJ 145—90土的分類標準可以分成原級配砂土為SP,三個不同最大粒徑砂土為SF。

擊實試驗結果如表1所示，最大粒徑2 mm時最大干密度為1.81、最優含水量為10.4%，5 mm時最大干密度為1.84、最優含水量為9.3%，10 mm時最大干密度為1.862、最優含水量為8.5%。最大干密度變化趨勢如圖2所示，砂土的最大干密度隨著最大粒徑的增大而增大。經分析,當整體粒徑較小時，隨著部分級配砂土最大粒徑的增大，同體積的大粒徑砂所代替的小顆粒越多，所擁有的最密實狀態的最大干密度也就越大。隨著最大粒徑的增大，逐漸形成大粒徑充當骨料，小粒徑填充空隙的模式，當到達一定范圍，粒徑再增大，小粒徑不能再充分填充空隙，最大干密度雖然依舊在繼續增大，但增長會放緩慢，而不是勻速一直增大[4]。

表1 三種新級配土經過擊實試驗所得到的詳細物理特性

2.2 試驗方法

直接剪切試驗按SL 237—1999土工試驗規程直接剪切試驗規范進行。直接剪切試驗試件是根據擊實試驗結果制作最大粒徑為2 mm,5 mm,10 mm三種試件，剪切方法選為固結慢剪法，取剪切速率為0.4 mm/min，豎向應力為50 kPa，100 kPa及200 kPa。

3 試驗結果及分析

3.1 直剪試驗結果分析

剪切試驗結果如圖3～圖5所示，最大粒徑為2 mm，5 mm和10 mm時，內摩擦角分別為31.0°，31.7°，32.8°。粘聚力分別為28.8 kPa，27.1 kPa和25.2 kPa。從實驗結果可以看出，應力應變曲線達到峰值以后，隨著粒徑的增加剪切強度的下降斜率變小趨勢，這是因剪切過程中材料的剪脹導致試件內部結構的重組引起的。

3.2 最大粒徑變化對抗剪強度參數的影響

圖6是圖示剪切強度設計參數內摩擦角與粘聚力和最大粒徑之間的相關性。最大粒徑分別為2 mm，5 mm和10 mm時砂土內摩擦角分別為31°，31.7°和32.8°，粘聚力分別為28.8 kPa，27.1 kPa，25.2 kPa，各部分級配的內摩擦角基本隨著最大粒徑的增大而增加，粘聚力隨著最大粒徑的增大而減小，這是因隨著粒徑的增加細粒粉相對減少而引起的。

影響砂土內摩擦角有很多因素，其中主要的是粗細粒的含量，干密度，含水率。該試驗均在最優含水率及最大干密度下進行，因此暫不考慮干密度與含水率的影響。在國內研究中，一般將5 mm作為粗細料區分粒徑[5-7]。三種部分級配砂土級配均不良，且不均勻系數Cu與Cc相近，粗細顆粒相互填充得不好，顆粒自身的抗剪強度為主要因素，根據圖6a)，最大粒徑為2 mm和5 mm的兩組，均為細粒，兩組的區別在于整體顆粒的大小，顯然最大粒徑為5 mm組細粒土強度高于2 mm組，因此內摩擦角31.7°也大于2 mm組的31°。最大粒徑為10 mm的組，含有約20%的粗粒土，整體顆粒粒徑更大，內摩擦角32.8°自然也大于前兩組。李振、楊健等人曾研究粗細粒土抗剪相關試驗，發現當試樣中細粒含量多時，其內摩擦角主要取決于細粒土的強度，而當細粒土含量減少，粗粒土含量增多時，內摩擦角較大[8]，與本試驗所得規律相近。就增長趨勢而言，當顆粒達到一定大小時，顆粒大小對剪切強度的影響將不再那么大，內摩擦角的增長將趨于平緩。但由于室內直剪試驗最大粒徑也不過10 mm，因此試驗范圍內顆粒大小對剪切強度的影響比較明顯，近似線性關系。

一般認為砂土無粘聚力，但是一個完整的級配，在砂土整體顆粒相對較小的情況下，砂土小顆粒之間存在毛細水，會使砂土顆粒間產生真正的壓力，水在砂土中的毛細現象，形成了“似粘聚力”或“假粘聚力”[9]。從圖6b)可以看出，隨著整體顆粒粒徑越來越大，細粉砂相對含量越來越少，毛細水含量也越來越少，相互之間粘結的能力就越來越弱。在此試驗中，部分級配砂土隨著該部分最大粒徑的增大，顆粒之間的咬合力越來越小。最大粒徑2 mm～10 mm之間，粘聚力從28.8 kPa到27.1 kPa再到25.2 kPa，顆粒間咬合力減小的速率變緩，最終大顆粒間的咬合力將趨于平緩。由于試驗進行范圍較小，未驗證最終變緩趨向的咬合力數值。

3.3 相同垂直應力下剪切應力與最大的粒徑的關系

如圖7所示，同一種砂土，分別在50 kPa，100 kPa和200 kPa垂直應力作用下，比較它們的剪切應力，試驗結果如圖7所示。在同一垂直應力下，不同最大粒徑的部分級配砂土進行剪切，在50 kPa垂直應力作用下，剪切應力分別為56.71 kPa，57.85 kPa和56.05 kPa，呈現一定范圍內先隨最大粒徑的增大而增大的趨勢，而后剪切應力會下降，到了最大粒徑為10 mm的部分級配砂土時，剪切應力甚至比2 mm還要小；在100 kPa垂直應力作用下，剪切應力分別為91.91 kPa，93.28 kPa與91.47 kPa，與最大粒徑為2 mm的呈現相同的規律；但是，當在200 kPa垂直應力作用時，剪切應力的變化規律與50 kPa，100 kPa下并不相同，分別為147.75 kPa，150.74 kPa與153.43 kPa，一直在增大。

土的抗剪強度取決于砂土粒徑大小，砂土的級配，顆粒間摩擦，咬合或相互嵌合，以及土顆粒的破碎與重新排列[10]。三種部分級配砂土級配均不良，整體顆粒間摩擦、咬合與嵌合程度均不好，由材料分析可見三種部分級配砂土Cu與Cc相近，因而隨著整體粒徑的增大，孔隙率變大。當垂直應力為50 kPa與100 kPa，應力較小，隨著整體粒徑的增大，增大的粒徑自身先提高了整體的抗剪強度，但在最大粒徑5 mm～10 mm間某值，級配不良的砂土抗剪強度反而降低了；而200 kPa組，依舊是最大粒徑5 mm組抗剪強度大于2 mm組，當最大粒徑為10 mm時，此組抗剪強度繼續增大，經分析是由于在制作試件過程中或者在大于前面兩組的垂直應力下粗粒出現了破裂與重新排列，顆粒間的填充程度變好，故而出現隨著最大粒徑增大剪切應力一直增大的現象，垂直應力與破碎率影響有待具體實驗求證。

4 結語

本研究對不同最大粒徑部分級配砂土進行了直接剪切試驗，分析了最大粒徑不同部分級配對剪切強度的影響，并得出了以下結論:

1)直接剪切試驗過程中，隨著部分級配最大粒徑越來越大，顆粒之間的摩擦力越來越大，內摩擦角也越來越大，但是當顆粒達到一定大小，內摩擦角增長趨于平緩。

2)當整體顆粒大小較小時，隨著粒徑增大，顆粒間的咬合力減小得較快，整體顆粒較大時，顆粒間咬合力減小的速率越來越緩，最終大顆粒間的咬合力將趨于平緩。

3)在垂直應力較小的情況下，不同級配土隨著最大粒徑的增大出現剪切應力先增大再略有減小的趨勢；當垂直應力較大時，不同級配土隨著最大粒徑的增大可能將出現剪切應力一直增大的現象。