粗颗粒土抗剪强度影响因数分析

2011-06-12陆建明

山西建筑 2011年17期

陆建明

土石混合料具有压实性能好、透水性强、填筑密度大、抗剪强度高、沉降变形小、承载力高等工程特点，且分布广泛，储量丰富，便于就地取材，节约工程造价，在工程建设中得到了广泛的应用。抗剪强度是粗颗粒土主要工程特性指标之一，研究粗颗粒土的抗剪强度具有重要意义。一般的细粒土其抗剪强度主要源于颗粒之间的相互粘结与摩擦，而粗颗粒土的强度有别于一般细粒土，主要来源于粗颗粒相互交错镶嵌形成的一种叫咬合力［5］的新力，因而粗颗粒土的抗剪强度影响因数也有别于细粒土。影响粗颗粒土抗剪强度的因数主要有颗粒的破碎［1，4，6，9-11］、含水率［2］、最大粒径［2，14］以及粗粒含量［3，8，10-12］等，下文将从粗颗粒土的抗剪强度定义出发，逐一介绍各影响因数对粗颗粒土抗剪强度的影响。

1 抗剪强度的定义

低应力下，粗颗粒土的抗剪强度通常采用库仑定律，如式(1)所示。

其中，τf为破坏面上的剪应力;c为土的粘聚力(粘性土)或咬合力(无粘性土);σ为破坏面上的法向应力;φ为土的内摩擦角。

试验资料表明，破坏面上的剪应力τ随着法向应力σ的增加增幅逐渐减小，并非线性增加［14］，即在高应力条件下如果仍采用库仑定理，就会产生较大的误差。为较准确的确定高应力下，粗颗粒土的抗剪强度指标，一种做法是分应力段整理强度参数，另外一种做法就是采用式(2)来表示这种非线性。

其中，Pa为工程大气压，单位与σ3相同;φ0为在围压为标准大气压时的内摩擦角;Δφ为围压增长10倍时摩擦角的递减量。

2 颗粒破碎对抗剪强度的影响

颗粒破碎是粗颗粒土具有的重要特性之一，颗粒破碎使得颗粒受力前后的级配发生变化，进而影响颗粒的强度特性［1］。

其中，Wki为试验前级配曲线上某级粒组的含量;Wkf为试验后级配曲线上相同粒组的含量。

粗颗粒土母岩性质、级配、围压及应力状态等都对颗粒的破碎有较大的影响［1，4，6，9-11］。粗颗粒土的母岩强度越高，颗粒破碎率越小，磨圆度较好的粗颗粒混合料的颗粒破碎率明显低于棱角状的粗颗粒混合料［1，6］;细颗粒含量高的混合料颗粒破碎率明显低于细颗粒含量低的混合料［1］;破碎率随围压的增大呈明显增大趋势［1，6，9］，文献［6］中的研究还表明颗粒破碎率随围压的变化规律还可以用双曲线表示;颗粒破碎率随着法向应力的增大而增大，在低法向应力下，颗粒的破碎主要受剪应力大小的影响，在高法向应力下，颗粒破碎受法向应力影响的程度更大［4］。

3 含水率对抗剪强度的影响

研究含水量对抗剪强度指标的影响程度，对于指导现场施工有重要的现实意义。文献［2］的研究表明无粘性粗颗粒土的含水量，对抗剪强度指标的影响较小，如图1所示。在进行砂卵石无粘性粗颗粒土的工程设计和施工时，可不考虑雨季对工程的影响。

4 粒径对抗剪强度的影响

粗颗粒土的粒径大小是决定其抗剪强度的重要因素［2，14］，这是由于粗颗粒土的咬合力主要由三部分组成:1)粗骨料的强度;2)细骨料的强度;3)颗粒之间的相互咬合力和摩擦力。当粒径较大时，粗骨料起到骨架的作用，此时咬合力由粗骨料的强度决定，所以随着粒径的增大，咬合力明显增大;对于砂卵石土的摩擦作用，主要由颗粒间脱离咬合状态而移动所发生的咬合摩擦和颗粒间滑动时所产生的滑动摩擦组成。所以，在级配良好的情况下，咬合摩擦起决定性作用，所以随着粒径的增大，摩擦角也增大。

但必须指出的是，最大粒径对抗剪强度的影响是相对的，还要受到粗颗粒含量的制约，即只有当粗颗粒含量一定时，抗剪强度才随最大粒径的增大而增大。

5 粗粒含量对抗剪强度的影响

粗颗粒的含量是影响粗颗粒土抗剪强度最主要的因数之一，也是众多学者研究的热点［3，8，10-12］。

实际工程中习惯将5mm作为粗颗粒与细颗粒的分界粒径，即粒径大于5mm的颗粒为粗颗粒，其余为细颗粒，用P5表示粗颗粒的含量。粗颗粒土土体结构类型根据粗粒含量可分为悬浮密实结构、骨架密实结构和骨架孔隙结构。当粗粒含量低于30%时，由于细颗粒含量较多，粗粒之间彼此不能接触，只是悬浮于细颗粒中，土体结构就是悬浮密实结构，土的抗剪强度主要受细颗粒控制，抗剪强度随粗粒含量的增大变化不大;当粗粒含量位于30%～70%时，粗粒之间开始相互接触，粗粒之间的咬合作用开始发挥作用，抗剪强度随粗粒含量的增大而增大，这时土的抗剪强度受粗细颗粒同时控制;当粗颗粒含量在70%左右时，粗颗粒之间能相互接触形成稳定密实的骨架，细颗粒又恰好能密实的填充于粗粒之间的间隙中，土体结构就是骨架密实结构，这时抗剪强度达到最大值;随着粗粒含量的继续增加，由于细颗粒含量减少不足以填充满粗粒之间的间隙，土体结构就是骨架孔隙结构，抗剪强度随粗粒含量的增大反而有所降低。