库区岸坡碎石土填料直剪试验研究

刘康强

（上饶市科信水利水电建设工程有限公司，江西 上饶 344000）

粗粒土通常指颗粒粒径范围在0.075～60mm之间，且颗粒质量比大于50%的土石混合料。由于它具有取材方便、价格低廉和较好的压实性等优良特点，粗粒土在工程建设中被广泛应用于软土地基处理、大坝建设等工程中[1，2]。如今，越来越多的学者开始对碎石土的工程性质进行研究。张和军[3]等通过对碎石土垫层在软土地基上的应用进行研究，对其施工工艺及其压实机理进行了阐述。黄宇轩[4]等研究碎石土密实度对地基承载力的影响，得出密实度对提高地基承载力具有显著效果。张建明[5]等通过库区安排岸坡的碎石土的抗剪强度进行测试，对不同状态下强度参数模型及特征进行了研究，并根据试验结果提出了适用于碎石土路基抗剪强度参数的模型公式。佘孟飞[6]等通过对石灰岩碎石土进行室内直剪试验，探讨了在不同压实密度、不同工况条件下对石灰岩碎石土的抗剪强度参数的影响规律。

综上可知，了解碎石土的特性对工程建设具有重要意义。鉴于此，本文对江西某库区岸坡碎石土填料进行室内大型直剪试验，旨在研究含水率及含石量（粒径大于5mm的颗粒含量）对碎石土的剪切强度及强度参数的影响。

1 试验研究

1.1 试验仪器

试验所用直剪仪器为微机控制电液伺服1 000kN大型直剪仪。该仪器主要由承载机架、剪切盒、垂直液压加载装置、水平剪切液压加载装置、电脑控制系统和数据采集系统6部分组成。剪切盒的长×宽×高为50cm×50cm×40cm，上、下剪切盒之间通过轴承及滚珠连接，其目的是为了减小剪切盒之间的摩擦。

1.2 试验材料

本文试验所用碎石土样取自江西某库区岸坡碎石土填料，其中碎石主要是灰岩，细粒土为粉质黏土，经测试，碎石吸水饱和时的吸水量为5%，黏土的最优含水率为14%，最大干密度为1.72g/cm3。大型直剪仪所允许的颗粒最大粒径为60mm，对于超粒径颗粒（大于60mm）需要进行处理。由于等量替代法处理后的级配仍保持碎石土原有的粗粒土、细粒土含量和性质等优点。因此，本文对于超粒径颗粒采用等量替代法进行处理，经过等量替代后的级配不均匀系数Cu＝40.60，曲率系数Cc＝1.85，由此表明采用等量替代法后碎石土级配良好。

等量替代法[7～9]计算公式如下：

式中：Pi为等量替代后某粒径组含量；P5为大于5mm的粗粒土含量；Pdmax为大于60mm的超粒径颗粒含量；Poi为初始级配某粒径组含量；所有含量均用%表示。

1.3 试样制备

根据剪切盒尺寸、含水率、含石量等指标对土料进行配置，其中需要注意的是碎石吸水量比黏土要少，所以配置相同含水率的土样且细粒土含量较多时，会导致土体较干。因此，为了使得配样更加准确，本文以细粒土的含量来确定含水率，碎石的含水率统一按5%配置。首先将土样烘干，按表1中各组试验级配进行配样（细粒土按设计含水率配置，碎石按5%配置），然后将土样用塑料薄膜密封以防止水分蒸发，并静置8h以上使土体与水分充分接触。将配备好的土样分4次装入剪切盒中，填入一定重量的土，通过锤击承压板来夯实土样，使每层压实后高度为10cm。最后在承压板上放置垂直千斤顶，施加一定的法向压力，开始固结土样，固结时间不少于30min。试样粒径组成如表1所示。

表1 试样粒径组成

1.4 试验方案

为了探讨在不同含水率及含石量条件下碎石土的抗剪强度及其指标的的变化规律和制样方便，不同含水率条件下保持含石量为0%（含石量越高，击实越困难）；不同含石量条件下保持含水率为14%（在最优含水率条件下击实更容易），试样共计36个。然后在200kPa、300kPa、400kPa、600kPa 的法向应力作用下进行大型直剪试验。其中，剪切速度为1mm/min，数据是自动采集。具体试验方案如表2所示。

2 实验结果分析

2.1 含石量对剪应力-位移曲线的影响

根据直剪数据绘制碎石土的剪应力-位移曲线图，其基本特征大致可以分为3类，即含石量为0%，不同含水率的碎石土为一类；含水率为14%，含石量为10%～50%的碎石土为一类；含水率为14%，含石量为70%为一类。综上可知，不同含石量条件下碎石土的剪应力-位移关系曲线完全可以代表这3类曲线。因此，选取含水率为14%，含石量分别为0%、50%和70%的曲线图（图1）作为本文的分析对象。

表2 试验方案

由图 1（a）可知，在试验初期（位移为 0～7mm），剪应力和剪位移直剪呈正比的线性关系，随后（位移为7～40mm），随着剪应力的增加，这一正比线性关系被打破，逐渐向非线性转换，但在这个过程中剪切应力和剪位移均是逐渐增大的，一段时间后（位移大于40mm），剪切位移仍然在逐渐增加，而剪应力基本保持相对稳定的状态。由此表明，当剪位移在0～35mm之间时，碎石土自身抵抗变形的能力较大；而当剪位移大于40mm时，碎石土在剪应力基本稳定的情况下变形还能继续，表现出较强的变形适应能力。

由图1（b）可知，当含石量为50%时，碎石土的剪应力-位移曲线非线性应变硬化特征较为明显，由此也表明了含石量较大时，碎石土自身抵抗变形能力得到一定加强；由于碎石土内部块石之间产生了咬合摩擦作用，使得其剪应力较含石量为0%时显著增加；此外，由于在剪切过程中部分碎石会被压碎，导致其剪应力-位移曲线出现跌幅现象。

由图1（c）可知，与前两类曲线不同，当含石量为70%时，碎石土的剪应力-位移曲线呈现出轻微的应变软化现象，这是由于作为胶结碎石的土体结构（本文的土体结构为粉质黏土）即使在达到屈服状态发生破坏，但很快又和碎石块重新组合形成交错结构，使得碎石土的整体结构性仍未完全丧失，碎石土仍具有一定的强度，因此，会出现轻微的应变软化现象。此外，同含石量为50%的曲线图一样，当含石量为70%时，其剪应力-位移曲线也出现了跌幅现象。

2.2 抗剪强度分析

图2为碎石土在不同法向应力条件下其抗剪强度与含水率的关系曲线，由图2可知，碎石土的抗剪强度与含水率成反比关系。当含水率在10%～14%时，碎石土的抗剪强度下降速率较慢，但在14%～18%时，下降速率明显加快。图3为碎石土在不同法向应力条件下其抗剪强度与含石量的关系曲线，由图3可知，碎石土的抗剪强度与含石量成正比关系。其抗剪强度总体趋势为快速-缓慢-快速-缓慢增加。此外，图2、图3的共同特点是相对于低法向应力而言，高法向应力作用下碎石土的抗剪强度会更大。综上可知，含水率的增加对碎石土的抗剪强度产生削弱作用，而含石量和法向应力的增加对碎石土的抗剪强度产生强化作用。

图1 碎石土的应力-位移曲线

图2 含水率与抗剪强度的关系

2.3 抗剪强度指标分析

2.3.1 含水率与碎石土粘聚力和内摩擦角的关系

图4为碎石土的内摩擦角、粘聚力与含水率之间的关系曲线。由图4可知，碎石土的粘聚力在含水率为10%～14%时下降速率较慢，而在14%过后下降速率显著加快。其原因是由于碎石土的粘聚力主要是由土粒之间的相互吸引、颗粒间的胶结及水膜连结等共同发挥作用的，其中，颗粒间水膜连结作用是发挥土体粘聚力的主要作用之一[10]。当碎石土含水率增幅不大时，结合水水膜在土粒表面的厚度、水的粘滞性、自由水比例的变化不明显，而当含水率增加到一定程度时，此时结合水膜在土粒表面的厚度增值较大、水的粘滞性削弱较多、自由水比例大幅度增加，使得碎石土中细粒土软化粘在粗粒土表面，润滑了颗粒表面，从而降低了颗粒之间的摩阻力。因此，碎石土的粘聚力会出现先缓慢降低后迅速降低的现象。

图4 粘聚力、内摩擦角与含水率的关系

图3 含石量与抗剪强度的关系

碎石土的内摩擦角在含水率为10%～16%时，下降速率较快，当含水率超过16%时，其下降速率较慢。其原因是粘附在土颗粒表面的水膜增厚，促使颗粒间的摩擦系数减小，导致内摩擦角随含水率的增加而降低。而当含水率超过16%时，由于含水率较高的土样在剪切过程中易被压缩导致干密度变大及土样中的水被压出，使得此时内摩擦角减小速率变慢。由图3可知，碎石土的粘聚力由76.34kPa下降到21.25kPa，内摩擦角由 24.56°下降到 18.02°，降幅分别为 72.16%和26.63%。由此表明，含水率对碎石土的粘聚力的弱化效果相比于内摩擦角更加显著。

2.3.2 含石量与碎石土粘聚力和内摩擦角的关系

图5为碎石土的内摩擦角、粘聚力与含石量之间的关系曲线。由图5可知，随着含石量的增加，碎石土的粘聚力呈现先减小后增加再减小的趋势。众所周知，含石量的增加会引起土体密度增大，使得土体粘聚力值会有所增加，而随着细粒土含量的减少，粘聚力值会有所减小，而碎石土包含了这两种特性[11]。因此，当含石量低于10%时，细粒土含量减少使得碎石土的粘聚力降低的值比土体密度增加使得碎石土的粘聚力增加的值大，因此在这个阶段碎石土的粘聚力会有所下降；而当含石量在10%～50%时，与前面的情况恰好相反，因此在这个阶段碎石土的粘聚力有所上升；当含石量在50%～70%时，由于此时碎石土中黏土含量太小以至于不能充分发挥胶结作用，因此这个阶段碎石土的粘聚力再次下降。

图5 粘聚力、内摩擦角与含石量的关系

碎石土的内摩擦角随着含石量的增加而增加，这是由于随着含石量的增加，土体中碎石与碎石之间的间距逐渐减小并发生相互作用，使得碎石之间的咬合摩擦效果加强。此外，根据2.2节分析可知，随着含石量的增加，碎石土的抗剪强度逐渐增加。因此，还可以根据库伦定理来解释。当含石量在10%～50%之间时，即使粘聚力有所上升，但是这个阶段碎石土的抗剪强度增值大于粘聚力增值，所以此时内摩擦角也是呈现上升趋势；当含石量在0%～10%和50%～70%之间时，由于粘聚力下降，使得内摩擦角有所增加，尤其是当含石量在0%～10%之间时，粘聚力下降速率较快，因此内摩擦角相应上升速率较快。

3 结语

以江西某库区岸坡碎石土填料为分析对象，对碎石土在不同含石量和含水率条件下的剪切强度和强度参数的变化规律进行研究，现得出以下结论：

（1）含石量是影响碎石土剪应力-位移曲线的主要因素。当含石量为0%时，其剪应力-位移曲线呈现典型的塑性破坏现象；当含石量在10%～50%时，曲线则开始出现了局部跌幅现象；当含石量为70%时，曲线不仅有局部跌幅现象，还出现了应力软化现象。

（2）随着含水率的增加，碎石土的抗剪强度逐渐减小，而随着含石量的增加，碎石土的抗剪强度呈逐渐增加的趋势，因此，存在一个最优含水率与含石量的组合关系使得该库区碎石土填料的抗剪强度最大。

（3）碎石土的粘聚力和内摩擦角总体上随着含水率的增加而降低；碎石土的粘聚力随着含石量的增加则是呈现出先减小后增加再减小的趋势，内摩擦角随着含石量的增加而增加。

（4）由于碎石含量的增加有利于土体的抗剪强度，因此，在库岸水位变化的范围内，可以适当增加碎石的含石量以保证岸坡具有足够的稳定性。