砾石量对砾质黏土抗剪强度参数影响规律的试验研究

2013-07-26李黎，颜琳，黄晶

四川建筑 2013年2期

李黎，颜琳，黄晶

(1.四川大学水利水电学院，四川成都610065;2.国电云南阿墨江发电有限公司，云南普洱665000;3.贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州贵阳550000)

黏土和砾石混合制备的砾质黏土广泛应用于工程中，如心墙堆石坝的心墙防渗料、路基填料等[1]。而自然界中砾质黏土也分布广泛，各类工程建设中边坡、地基、隧道围岩稳定性与工程区分布的砾质黏土力学性质关联密切[2]。因此砾质黏土强度特性的研究成为国内外众多研究者关注的热门课题。

油新华[3]对三峡库区广泛分布的砾质土抗剪强度特征进行了研究;赵川[4]对三峡库区奉节、万州地区土样与砾石的混合体进行直剪试验，探讨不同砾石含量对土体抗剪强度参数的影响规律;Lindquist[5]对含有碎石的混杂岩土体抗剪强度与碎石含量关系进行了三轴试验研究;王光进[6]通过直剪试验研究了粗粒含量与强度包线、内摩擦角的关系。

本文在前人研究的基础上，对五种砾石量的砾质黏土进行了不同围压下的三轴试验，探讨砾石量对砾质黏土抗剪强度参数的影响规律。

1 试验

试验土料为板岩砾石和黏土混合料。黏土土粒比重为2.72，最大粒径5 mm，砾粒占8%、砂粒占47.6%、粉粒占21%、粘粒占23.4%;液限26.2%、塑限14.2%，塑性指数12.0，分类定名为低液限黏土CL。板岩砾颗粒比重2.75，最大粒径20 mm，砾粒占97%，砂粒占3%。

对砾石量为0%、30%、40%、50%和70%的砾质黏土，分别进行不同围压下的三轴固结排水剪切试验，其中σ3分别为50 kPa、100 kPa、200 kPa和 300 kPa。圆柱形试样直径101 mm、高200 mm，为保证试样均匀性分5层击实成样。试样采用真空与水头联合法饱和，固结24 h后进行试验。试验水温25℃ ～27℃。

2 试验结果

试验获得了五组不同砾石量砾质黏土试样在不同围压下的三轴压缩结果，绘制了偏差应力(σ1－σ3)与轴向应变ε1的关系曲线。这里给出了50%砾石量试样的应力应变关系，如图1所示。砾质黏土呈现出硬化型应力应变关系，符合双曲线关系。

图1 砾石量50%应力～应变关系

图2 砾石量50%强度包线图

国内外研究结果表:Mohr-Coulomb准则能较准确描述土的力学性质，而且摩尔－库伦准则表达形式简单，因而在学术界和工程界获得广泛认可。按照该准则，图2给出了砾石量50%试样的强度包络线图。包络线为与各莫尔圆近似相切的直线，斜率为该组砾石量下砾质黏土内摩擦角的正切值tan ，直线与τ轴相交的截距为黏聚力c。按此规则，可求得各组砾质黏土的抗剪强度指标黏聚力c、内摩擦角。不同砾石量试样的c、值见表1。

表1 砾质黏土抗剪强度参数

3 砾石量对强度参数的影响规律

试验结果表明，砾石含量对抗剪强度指标黏聚力、内摩擦角有很大影响，并有一定规律可循。图3、图4显示了黏聚力、内摩擦角随砾石含量变化的关系曲线。

图3 砾石量～黏聚力关系

图4 砾石量～内摩擦角关系

由图3可知，随砾石量增加，黏聚力呈现先增后减的趋势。按土力学基本理论，密实度越大，黏聚力越大，黏性土量越小，黏聚力越小。对于本次试验砾质黏土，压实度随着砾石量的增加而增加，黏性土量随着砾石量增加而减少。砾石量小于40%时，黏性土含量较多，密度增加带来的黏聚力增加效应高于黏性土减少导致的黏聚力减小效应，因而黏聚力随砾石量增加有略微增加的趋势。砾石量大于40%后，黏聚力急剧减小，砾石逐渐占主体，黏性土减少引起的黏聚力降低远大于密度增加带来的黏聚力上升。砾石量大于50%之后，黏聚力下降趋势减缓。

由图4可知，随砾石量增加，内摩擦角呈现逐渐增大的趋势。内摩擦角受试样中砾石量的控制，砾石越多，颗粒之间咬合作用越强，因而内摩擦角增大。砾石量小于30%时，较多的黏性土在砾石间的润滑效应很明显，内摩擦角增长缓慢。砾石量在30%～50%之间时，砾石间黏性土减少，砾石突破黏性土“封锁”而相互直接接触、咬合，内摩擦角迅速增长。砾石量大于50%后，逐渐开始形成砾石骨架，砾石占据主体地位，砾石量增加引起的内摩擦角增长效应减小。