粗顆粒含量對粗顆粒土抗剪強度指標的影響研究

馬捷， 韓文喜,2，李寶成，梁春曉

(1. 成都理工大學環境與土木工程學院，四川成都610059； 2.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點試驗室，四川成都610059)

1 顆粒級配設計

本次試驗的粗顆粒土取自貴州龍洞堡機場棲霞、茅口組灰巖。這種灰巖的平均天然單軸抗壓強度41.23 MPa，平均飽和單軸抗壓強度40.00 MPa。由于本次試驗的土料為爆破所得，風化程度與磨圓度低，最大粒徑為60.00 mm。

通過對龍洞堡機場、承德機場、攀枝花機場、三明機場、九寨機場、稻城亞丁機場、康定機場的填料綜合分析，結合GB 50021—2001《巖土工程勘察規范》確定粗粒混合土上下限。本文級配設計以落在粗?；旌贤辽舷抟酝獾募壟淝€為參考。由于著重研究P5含量變化對灰巖類填料的力學特性影響，所以保證每組試樣P5含量不同。因而通過經篩分后按不同P5值將土樣用干法配制成9種不同級配，具體各組級配見表1。

表1 顆粒級配 單位：%

按下式計算每組試樣的不均勻系數Cu與曲率系數Cc：

(1)

(2)

式中d60——限制粒徑，土的粒徑分布曲線上的某粒徑，小于該粒徑的土粒質量為總土粒質量的60%；d30——中值粒徑，土的粒徑分布曲線上的某粒徑，小于該粒徑的土粒質量為總土粒質量的30%；d10——有效粒徑，土的粒徑分布曲線上的某粒徑，小于該粒徑的土粒質量為總土粒質量的10%。

將計算結果總結至表2。

表2 dmax≤60 mm的級配特征

2 擊實試驗

從制備好的一份試樣中稱取1/3土量，分3層倒入擊實筒內并將土面整平，分層擊實，擊實高度763 mm，每層擊實次數為84次。每層擊實時，保證擊實錘在距填料面同一高度處自由鉛直下落。三層擊實完成后稱試樣總質量，之后含水率測定試樣含水率[8-10]。按式(1)計算擊實后各試樣的含水率：

(1)

按式(1)計算擊實后各試樣的干密度：

(2)

式中ω——含水率，%；m——濕土質量，g；md——干土質量，g；ρd——干密度，g/cm3；ρ——濕密度，g/cm3。

合成樟腦丸中的對二氯苯對眼睛和上呼吸道有刺激性，對中樞神經有抑制作用，會損害肝和腎。人在接觸高濃度對二氯苯時，可出現虛弱、眩暈、嘔吐等癥狀。世界衛生組織和國際癌癥研究機構已確認，對二氯苯對動物致癌，對人類可疑致癌。

對所有組別的試樣都在5種不同含水率下進行擊實。得到最大干密度與最優含水率與P5含量的關系曲線見圖1。

由圖1可以看出當P5在35%～65%范圍內時，最大干密度與最優含水率隨著P5含量的增加整體趨勢均為先增后減。最大干密度的峰值為2.36 g/cm3,對應P5為75%，而最優含水率的峰值為5.3%，對應P5為55%。根據分析可以推斷，當P5小于75%時，隨著粗顆粒含量增加，土粒體積占總體積比例逐步增大，土體的最大干密度隨之增加，直至到P5為75%時，較細顆粒幾乎剛好可以將較粗顆粒間的空隙填滿，此時土體最密實，干密度也最大，而當P5大于75%時，隨著細顆粒比例減小，較細顆粒無法將空隙填滿而導致孔隙率上升，最大干密度驟降。

P5含量在一定范圍內，最優含水率整體隨著P5含量增大而減小。當P5含量未達到75%臨界值時，隨著粗顆粒含量增加，較之單位體積細顆粒表面積減小，對水顆粒吸附力小而含水率降小。但此細顆粒仍能完全填滿粗顆粒間的空隙，為粗細顆?；旌献饔?，故而最優含水率減小較為緩慢；當P5含量超過75%臨界值時，此時細料含量過少而不能完全填充粗料間的空隙，粗顆粒起控制性作用，對水分子吸附力大大降低，并且P5含量的增加的同時單位體積內顆粒表面積減小不大，故而最優含水率減小幅度很小；當P5含量約為75%，為上述2種情況的臨界點。其中P5含量為55%時，最優含水率為最大值，這是因為此時細顆粒含量達到較值為45%，并且小于0.25 mm的顆粒含量最大為20%，其他級配基本低于10%，其對水分子吸附力更強，最優含水率最大。

通過擊實試驗的結果總結與分析可以得到，當P5含量在35%～85%范圍內，當P5為55%時，土體對水分的吸附能力最強，最優含水率達到峰值；當P5含量為75%時，土體最大干密度達到峰值，土體密實度最大，并在此時擁有較小的最優含水率，由此可見P5為75%時級配良好。

3 大型三軸試驗

本次試驗采用不固結不排水試驗(UU)，使測得試樣總抗剪強度參數適用于土體受力而孔隙壓力不消散的情況，所取得的試驗成果，常用于對土石壩、填方施工期的穩定性分析(總應力法)[9]。依據重型擊實試驗得到的每個填料級配設計下最大干密度和最優含水率，將壓實度控制為0.95，試樣含水率控制為最優含水率，以此來研究A—I共9組填料級配特征的不同對粗顆粒土強度特性的影響。

根據SL 237—1999《土工試驗規程》規定，本次6組試驗，每組3個試樣，分別在不同恒定周圍壓力100、200、300 kPa(即最小主應力σ3)下施加軸向壓力(即主應力差σ1-σ3)，進行剪切至破壞，之后按摩爾-庫侖強度理論求得抗剪強度參數。試驗過程按以下步驟實施：首先根據試驗要求，通過前面擊實試驗得到的最大干密度和最優含水率，以壓實度0.95為標準，按試樣尺寸依據計算得到每個試樣所需質量和配置最優含水率所需水量，并用噴水壺灑水至最優含水率，攪拌均勻留置備用在底座上用橡皮管扎好乳膠膜，安裝成型筒，將橡皮膜外翻在成型筒上，并使其順直和緊貼成型筒內壁，之后將黑色2 mm厚橡皮膜分2塊相互交叉緊貼乳膠膜放入。為防止粗顆粒離析，試樣分6層裝填，每層擊實至相應高度后，對表面刨毛，再裝填下一層，如此繼續，直至最后一層裝填完成，其表面應整平，無突出顆粒，加上土工布和試樣帽，扎緊乳膠膜，再去掉成型筒安裝壓力室，旋緊連接螺栓，向壓力室注水。注水完成后，在壓力室上方固定位移傳感器，以測軸向位移。開啟供油開關，將圍壓進水開關打開，使壓力值達到預定數值后擰緊。試驗具體過程見圖2—5。

試驗開始時，手動調速閥控制速度為1.5 mm/min，試驗過程中，不斷控制圍壓進排水開關，保持圍壓在一定數值，同時做好軸向荷載和軸向變形記錄；分別在不同恒定圍壓下施加軸向壓力(即主應力差σ1-σ3)，進行剪切至破壞，之后按摩爾-庫侖強度理論求得抗剪強度參數。增加圍壓使壓力值達到預定數值并在試驗過程中保持圍壓穩定，選取軸向應變15%對應的主應力差作為破壞強度值。得到各試樣的應力峰值σ1、σ3總結至表3。

以法向應力σ為橫坐標，剪應力τ為縱坐標，在橫坐標上以(σ1+σ3)/2為圓心，(σ1-σ3)/2為半徑繪制摩爾圓，作不同圍壓下莫爾圓包線進行線性擬合并得到線性方程

σ=τtanφ+c

(3)

式中τ——剪應力；σ——軸向應力；c——內聚力；φ——內摩擦角。

總結得出9組試樣莫爾圓包絡線方程見表4。

分別繪制c、φ值隨P5含量變化曲線見圖6,由圖6可以看出當P5在35%～85%范圍內時，內摩擦角隨著P5含量的增加整體趨勢均為先增后減。φ的峰值為43°,對應P5為75%；而黏聚力隨著P5含量的增加整體趨勢為先減后增，c的最低值為16.8 kPa，對應P5為55%。通過對以上結果的分析及對圖1、2進行對比可以推斷：當P5小于75%時，隨著粗顆粒含量增加，粗顆粒土逐漸形成“土骨架”，土粒之間的嵌固作用逐漸增強，從而使土體的內摩擦角增加。而由擊實試驗結果可知當P5達到75%時，土體達到最密實狀態，可以推測此時粗細顆粒共同抵抗外部剪切荷載，土粒間的嵌固最緊實，內摩擦角達到最大，而當P5含量大于75%時，隨著P5含量的增加，細顆粒含量減少致使孔隙增多，土體密實度降低，從而導致土顆粒間的嵌固作用下降，從而φ值有所降低；當P5小于55%時，粗顆粒土試樣中的黏聚力主要為細顆粒之間的膠結力提供，會隨著粗顆粒含量的增多，細顆粒間的膠結作用不斷減小，當P5為55%時，由擊實試驗結果推測此時土體內部具有最大的內表面積，則此時細顆粒間的接觸最不充分，顆粒間的吸引、連接作用最弱。當P5大于55%時，粗顆粒增加以至相互接觸，土體中黏聚力開始由粗顆粒間的咬合作用和細顆粒間的黏聚力共同提供，且隨著粗料含量的增加，粗顆粒之間相互接觸產生咬合作用，因此粗顆粒土試樣的黏聚力不斷增大。由此可以看出，由于內摩擦角受顆粒間尤其是粗粒間嵌固作用影響較大，因而粗顆粒含量對內摩擦角起關鍵作用；而粗顆粒土的內聚力在細顆粒含量較高時由細顆粒含量主導，而在粗顆粒較多時，受粗細顆粒共同影響。當P5為75%左右可保證在較高的黏聚力下有最大的內摩擦角，從而有較高的抗剪強度。

表4 9組試樣莫爾圓包絡線方程

4 結語

本文通過對一定級配范圍內的粗顆粒土進行不同設計級配的配置，以得到9種具有不同P5含量的粗顆粒土試樣。并通過擊實試驗得到9種試樣最優含水率與最大干密度，通過大型三軸試驗得到9種試樣的抗剪強度指標。通過對試驗結果的分析，得到以下結論。

a) 通過擊實試驗可得，當P5含量在35%～85%之間時，灰巖質粗顆粒土的最大干密度與最優含水率隨P5含量的增加呈先增后減的非線性趨勢。其中最大干密度的臨界值對應P5為75%，表明在此種級配下土體達到最密實程度；最優含水率的峰值對應P5為55%，由此推斷此種級配下土體對水分的吸附能力最強。

b) 通過大型三軸試驗可得，當P5含量在35%～85%之間時，灰巖質粗顆粒土的內摩擦角隨P5含量的增加呈先增后減的趨勢，臨界值對應P5為75%；內聚力則呈先減后增的趨勢，臨界值P5為55%。通過以上變化趨勢與擊實試驗結果對比分析可以看出：粗顆粒土在最密實的情況下，內部顆粒間嵌固作用最強，內摩擦角最大；粗顆粒土在單位體積內顆粒表面積最大，內部細顆粒接觸程度最低，膠結作用最小，黏聚力最小。

c) 通過對2種試驗結果的綜合分析，當粗顆粒土的P5為75%時，土體在保持吸附水分能力在較低水平的情況下擁有最大的密實程度、最大內摩擦角與較高的黏聚力。由此可以做出評價：當P5在35%～85%范圍內，P5為75%時級配最為良好，并表現出較好的抗剪性能，對于土石壩等應力水平較高的大型填方工程，此種級配有利于工程穩定性。