含石量对碎石土工程特性的影响试验研究

王春得，沈秋武，吴　锐，付　敏，杨呈刚

( 1．甘肃中建市政工程勘察设计研究院，甘肃兰州　730000; 2．中国地质大学工程学院，湖北武汉　430074)



含石量对碎石土工程特性的影响试验研究

王春得1，沈秋武1，吴锐2，付敏2，杨呈刚2

( 1．甘肃中建市政工程勘察设计研究院，甘肃兰州730000; 2．中国地质大学工程学院，湖北武汉430074)

摘要:以田师府—桓仁客运专线大前石岭隧道边坡碎石土为研究对象，在通过室内常规物理力学试验获得该碎石土的基本物理性质的基础上，采用大型直剪仪对三组不同含石量的碎石土重塑样进行了剪切试验。试验结果表明:随着含石量的增加，抗剪强度增大;内摩擦角随着含石量的增加而增大，含石量为30%～50%时增幅较快，含石量超过50%后，增幅较慢且呈现逐渐稳定的趋势;黏聚力随着含石量的增大先略微下降后急剧上升，在含石量为50%时最低，而后又急剧升高。碎石土的抗剪特性不同于一般岩土体，含石量对碎石土的抗剪强度影响很大。

关键词:碎石土含石量大型直剪试验抗剪特性抗剪强度

随着现代工程的大规模建设及当代岩土力学的发展，土石混合体作为一种特殊的岩土体介质越来越受到国内外学者的关注［1-2］。土石混合体是复杂自然环境条件下的综合产物，成因及结构比较复杂，具有明显的不规则性、不确定性并处于动态的不可逆演化之中，是由强度较高且具有一定尺寸规模的岩块、相对软弱的土体及内部孔隙等所构成的多相体系［3］。这种特殊的工程地质体在我国大规模的岩土工程建设中普遍存在［4］，如边坡工程、深基坑工程及铁路和公路的路基、桥基等工程中，其物质组成主要以角砾、碎石、块石形成骨架，砂土、黏土等作为填充物［5］。对于这种由于自然环境变化而形成的多相地质体，在实际工程中通常视为一种特殊的土体，如《岩土工程勘察规范》［6］、《建筑地基基础设计规范》［7］以及其他规范中均将其称之为碎石土。

国内外学者研究表明［8-15］:含石量对碎石土的工程力学特性具有重要的影响，碎石土的变形破坏发展特征受其内部含石量控制，进而影响着碎石土宏观的物理力学性质。当碎石土中的含石量超过某一临界值时，其抗剪强度往往会随着含石量的增加而增大，而其中块石与细粒土体之间的接触部位往往构成碎石土中的软弱带。

近期动工兴建的田师府—桓仁客运专线大前石岭隧道进口段开挖形成人工边坡，自然坡度约22. 5°，地势起伏，大部分为植被覆盖，少部分为裸露岩堆，岩堆中石块主要为石英砂岩，石块直径为0. 3～1. 2 m，呈块石土、角砾土及碎石土状，缝隙多充填黏性土。根据现场调查、钻探及物探结果，厚度为26. 3～48. 4 m，岩堆结构松散，空隙度大，植被发育地区岩块间充填细颗粒，局部具有软弱的黏结，岩堆下部基岩为弱风化石英砂岩。边坡一旦失稳将严重威胁铁路运营及人民的生命财产安全。

由于大前石岭隧道边坡碎石土中粗颗粒含量较多，当粗颗粒含量组成不同时，其性质差别甚大，进行常规的直剪试验已不能满足对其力学性质的完整研究。为此，本文以大前石岭边坡碎石土为研究对象，通过室内常规物理力学试验及室内大型直剪试验对该碎石土的基本物理性质、剪切特性及其抗剪强度参数与含石量间的变化规律等进行研究，从而为该边坡后期的稳定性分析和防治提供可靠的岩土参数。

1　试验仪器

本试验采用微机控制电液伺服1 000 kN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500 mm× 500 mm×400 mm，上、下剪切盒之间通过轴承及滚珠连接，以减小剪切盒之间的摩擦，见图1。

2　大型直剪试验

2. 1试验方案

配制含石量分别为30%，50%，68. 53%的3组重塑土样，每组土样天然含水率均配置为9. 05%，然后在4个不同法向应力作用下采用室内大型直剪仪进行剪切，一共进行12个土样的剪切试验。

图1大型直剪仪

根据天然级配配制试样时，若试样中含有超过允许最大粒径的颗粒，通常对超粒径颗粒采取剔除法、等量替代法、相似级配法、综合法等方法进行处理。郭庆国研究认为决定碎石土工程特性的主要因素是颗粒组成，并将5 mm定义为粗细粒分界线。本次试验中将5 mm界定为土体与块石之间的粒径界限。试验所采用的大型直剪仪所允许的最大粒径为60 mm。颗粒分析试验显示，试样中60 mm以上颗粒占全部土颗粒质量的19. 98%，为了尽量减小粗粒土的尺寸效应，文中采用等量替代法对粒径＞60 mm的超粒径颗粒按比例进行替换处理，等量替代后级配曲线见图2。

等量替代后级配计算公式为

式中: Pi为替代后某粒径组含量，% ; P5为＞5 mm粗粒含量，% ; Pdmax为超粒径颗粒含量，% ; Poi为原始级配某粒径组含量，%。

图2原始级配及等量替代后级配曲线

2. 2土样的制备

首先对所取土样进行颗分处理，然后按照含石量从低至高的顺序，进行3组不同含石量重塑样的配置;含石量30%土样根据各粒径组含量分别称量配置，命名为土样1;含石量50%土样可以在土样1的基础上增加相应粒径组直至达到所需要的质量比，命名为土样2;含石量68. 53%土样可以在土样2的基础上增加相应粒径组直至达到所需要的质量比，命名为土样3。3组土样级配见表1。

表1 3组土样级配

2. 3抗剪强度的判断标准

采用控制重塑样干密度的方法来制样，以保证剪切前各试样的密度一致。试验过程中，当剪切应力出现峰值时，取峰值作为其抗剪强度;若没有出现峰值，当剪切应力的读数不再增加或者缓慢增加趋近于水平，而剪切位移急剧增大，可认为此刻扰动土试样已剪损，取稳定值作为其抗剪强度。若没有出现上述情况，则可采取应变位移破坏判断标准，一般取试样直径的1 /15～1 /10处的剪切应力作为抗剪强度。本试验上下剪切盒相向运动，故当单向水平剪切位移在16. 6～25. 0 mm时，可取相对稳定的剪切应力值作为其抗剪强度。

3　试验结果与分析

3组试样分别在法向应力200，300，400，600 kPa下进行快剪试验，试验过程中计算机数据采集系统自动进行数据采集，将试验数据导入Origin进行处理后绘制出其应力—位移曲线图，见图3。土样1在法向应力600 kPa时，仪器出现故障导致试验数据不理想，故图3( a)中缺失。

主坝桩号0+106.3～0+265.5坝段1 941.77 m高程以下心墙采用混凝土防渗墙防渗处理。防渗墙轴线位于坝轴线上游0.5 m处，顶部高程1 941.77 m，底部插入基岩内2 m；防渗墙厚0.4m，采用低弹性模量混凝土,设计抗压强度R28=7～12MPa，设计抗渗标号S6，渗透系数K≤4×10-9cm/s，设计弹性模量Ei=12 000～20 000 MPa。共分为24个槽段，槽段长6 m。

从图3可以看出，3组重塑土样在各级法向应力作用下剪切时均没有出现明显的峰值强度，随着水平剪切位移的增大，剪切应力增大，应力—位移曲线呈现为应变硬化型。这是由于在剪切过程中，碎石土体内部块石之间产生了咬合和摩擦作用，块石不仅仅发生水平方向的运动，也会发生垂直与剪切带方向的运动，使得碎石土体在试验过程中随着剪切应力的升高由剪缩状态转变为剪胀状态。在应力—位移曲线上表现为由初始屈服阶段(即缓和曲线段)向峰值强度发展。

3组重塑土样剪切应力—位移曲线均大体可分为3个阶段:①弹性变形阶段;②屈服阶段，随着含石量及法向应力的增加，剪切应力达到峰值强度前的屈服阶段变得愈为明显;③应变硬化阶段，在同一法向应力下，含石量高( 50%与68. 53% )的碎石土应变硬化程度明显比含石量低( 30% )的碎石土高。同种含石量下，在应变硬化阶段，低法向应力时剪切应力增长缓慢;随着法向应力的增加，剪切应力迅速增长，应变硬化阶段曲线较陡，其变形破坏机制在很大程度上受到内部含石量的影响，应力—应变曲线与常规的土体及岩石有很大差别。

采用Origin数据处理软件做出不同含石量下剪切应力—法向应力关系曲线(图4)，并对4种不同法向应力下的剪切应力进行线性回归拟合分析。

由图4可见:当含石量从30%升为50%时，碎石土的抗剪强度增幅较大;当含石量从50%升为68. 53%时，碎石土的抗剪强度增幅略减小;含石量为68. 53%时，随着法向应力的增大，抗剪强度增大的幅度比含石量为30%时抗剪强度增大的幅度大。

图3不同含石量下剪切应力—位移关系曲线

图4不同含石量下剪切应力—法向应力关系曲线

由抗剪强度—含石量关系曲线(图5)可以看出:抗剪强度随着含石量的增加而增大，含石量一定时碎石土的抗剪强度随着法向应力的增大而增大。

从图6可见:

1)内摩擦角φ随着含石量的增加而增大，在含石量为30%～50%增幅较快，含石量超过50%以后，增幅较慢，呈逐渐稳定的趋势。这是因为:对于黏性土而言，其抗剪强度主要由黏聚力c贡献;而对于含石量较大的碎石土，其抗剪强度则主要由内摩擦角φ贡献。总体说来，随着含石量的增加，土体中细粒部分不断减少，从而引起内摩擦角增加，黏聚力减小，即碎石土由土性转化为石性。从细部来看，当含石量＜30%时，块石悬浮在主要由土体构成的介质中，块石间孔隙较大，难以发生相互咬合和摩擦，土性占优势。当含石量介于30%～50%时，细粒含量与含石量较为均衡，块石要形成骨架则必须将土压密才能形成，而土体中细粒含量又比较多，阻碍了块石形成相对完整的骨架，致使碎石土兼备土性与石性。当含石量＞50%时，细粒部分不足以填充碎石形成的骨架，石性占优势，从而表现出碎石的性质，内摩擦角φ较大。

图5不同法向应力下抗剪强度—含石量关系曲线

图6强度指标随含石量变化曲线

2)随着含石量的增大黏聚力c先略微下降而后急剧上升，在含石量达到50%时黏聚力最低，而后急剧升高。这个现象可以从土体的密实度与细粒含量的相互关系来解释。众所周知，随着含石量的升高，土体密度增大，黏聚力往往会升高，而随着细粒含量的减少，黏聚力会降低，碎石土包含了这两种特性。当含石量由30%增加到50%时，土体的密度逐渐增大，黏聚力增大值略小于由细粒土减少引起的黏聚力减小值，从而表现为c值略微地降低。随着含石量继续增加到68. 53%，土体的密度进一步增大，块石间产生的咬合力充分发挥作用，从而引起“假黏聚力”，即部分咬合力转为黏聚力，使得黏聚力c值急剧增大。

4　结论

1)碎石土的抗剪特性与一般岩土体区别很大，碎石土不均匀性很明显，兼备土性与石性。通常，在碎石土体内细颗粒主要起到填充和胶结作用，而粗颗粒主要起骨架作用，随着碎石土体内含石量的不同在土性与石性这二种性质间转变。

2)含石量在很大程度上影响着碎石土的抗剪强度。随着含石量的增加，抗剪强度增大。内摩擦角随着含石量的增加而增大，在含石量为30%～50%时增幅较快，含石量超过50%后，增幅较慢渐趋稳定;黏聚力随着含石量的增大先略微下降而后急剧上升，在含石量达到50%时最低，而后急剧升高。

3)不同含石量下碎石土重塑样应力—应变曲线均没有出现明显的峰值强度，表现为弹性变形阶段、屈服阶段和应变硬化阶段3个阶段。随着含石量的增加，屈服阶段愈为明显;在同一法向应力下，含石量高的碎石土样应变硬化程度明显比含石量低的碎石土样高。碎石土变形破坏程度在很大程度上受到其含石量的影响。

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(责任审编葛全红)

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《铁道建筑》编辑部

Experimental study on effect of stone content on engineering performance of crushed stone soil

WANG Chunde1，SHEN Qiuwu1，WU Rui2，FU Min2，YANG Chenggang2

( 1．Gansu CSCEC Municipal Engineering Investigation and Design Institute，Lanzhou Gansu 730000，China; 2．Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan Hubei 430074，China)

Abstract:T he research objective is the crushed stone soil in the slope of Daqianshiling T unnel in the T ianshifu-Huanren passenger dedicated railway．T he basic physical properties of crushed stone soil were tested in lab．T he shear test of three groups sample with different stone content was conducted by using the indoor large direct shear tests．T he test results show that shear strength increases with the stone content．T he internal friction angle increases as the stone content goes up; in particular，the increase rate is the largest when the stone content is 30% through 50%，and then the rate decreases gradually．As the stone content increases，the cohesion initially decreases slightly，then drastically increases．T he cohesion reaches its lowest and then rises up drastically．T he shear performance of the crushed stone soil is different from other soil，and the stone content has a significant effect on the shear strength．

Key words:Crushed stone soil; Stone content; Large direct shear test; Shear characteristics; Shear strength

文章编号:1003-1995( 2016) 02-0097-05

作者简介:王春得( 1975—)，男，高级工程师。

收稿日期:2015-06-10;修回日期: 2015-12-20

中图分类号:TU411．7

文献标识码:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．24