碎石含量对堆积岩土体抗剪强度的影响

李培焰

(福建省建专岩土工程有限公司 福建福州 350001)

碎石含量对堆积岩土体抗剪强度的影响

李培焰

(福建省建专岩土工程有限公司 福建福州 350001)

通过对现场取得的堆积岩土及人工制作的不同碎石含量的岩土体分别进行大型直剪试验，结合试验数据及土体抗剪强度计算公式，得出了不同碎石含量下岩土体的抗剪强度变化规律。研究表明:碎石土的粘聚力随着碎石含量的增加呈现先递增后递减的趋势，内摩擦角随着碎石土含量的增加而不断地增大，但呈现增速减缓的趋势。

碎石含量;堆积岩土体;抗剪强度;大型剪切试验

1 研究背景

近年来，出现越来越多的高边坡工程。在高边坡工程建设过程中，开挖土石方量较大，因外运成本较高，或场地限制外运不及时，需要暂时保留岩土体作为回填土，通常会选择在场地周边设置排土场，进行临时性或永久性人工堆填。当人工堆填土达一定高度时，可能产生坡体滑塌、破坏等工程事故，影响人身及财产安全。因此，对岩土堆积体的稳定性进行分析就显得格外重要。

福建山地地区高边坡工程，在开挖高度范围内，所揭示的岩土层，至上而下分别为填土层、粘质粘性土层、全风化岩层、强风化岩层及中风化岩层，故开挖过程中会产生大量的土方、石方。在堆填的过程中，难免会产生各种配合比的碎石、粘性土混合体，以及各种坡率、坡高的堆积。由于岩土体碎石含量不一，用常规的小试件很难进行试验，需做现场大剪切试验或室内大剪切试验，如此则花费大量的精力和资金，堆积体坡体稳定性验算也变得繁琐、复杂。因此，本文拟通过现场试验、成果分析等一系列研究，总结出岩土混合体抗剪强度的一些规律，为堆积体坡高及坡率设计提供参考。

众所周知，边坡产生滑坡的原因主要有以下两个因素:

(1)自身因素

当土体在重力作用下的下滑力大于土体自身的摩擦抗滑力时，边坡处于不稳定状态，产生整体剪切破坏或整体滑动破坏。土体的下滑力在土体中产生剪应力，土体的抗滑能力实质上就是土体的抗剪能力，而土体抗剪能力的大小主要取决于土的内摩擦系数与内聚力的大小。因而，此项参数对边坡的坡率及堆填高度具有决定性的作用。

(2)外界因素

坡体在雨水、地表水的渗透作用下，土体的抗剪强度指标急剧下降，且自重增大，导致稳定性降低，产生整体破坏或坡面局部剪切破坏。地震作用、坡顶行车、堆物等因素，也会增加土体的下滑应力，导致滑坡。

本文主要从岩土体自身的抗剪强度入手，分析碎石含量对岩土体的力学参数，特别是抗剪强度的影响，为堆积体坡率、堆填高度的设计及边坡稳定性分析提供参考。

2 试验概况

试验主要是测试原位碎石土及自制碎石土的容重、颗粒组成、碎石含量、内摩擦角、粘聚力等参数，为坡体稳定性计算提供参数。

2.1 试验地点

本试验以邵武市某边坡的土石方排土场作为试验地点。该边坡最高高度达72.5m。

图1 典型剖面

如图1所示，根据设计坡度开挖后所产生的土石方分别为:②凝灰熔岩残积砂质粘性土;③全风化凝灰熔岩;④砂土状强风化凝灰熔岩;⑤碎块状强风化凝灰熔岩;⑥中风化凝灰熔岩，岩石体与土体各占一定比例。因外运难度较大，成本较高，故将岩土体暂时堆填在边坡南侧的闲置地。

2.2 试验条件

针对排土场土石方的排放方式和运动特征，作如下假设:

(1)土石方的堆填过程中各种粒径含量的土体的堆积是随机的。

(2)认为土石方的分布规律在排土场表面和内部是一致的。因此，随着时间的推移，沿排土场全长，散体岩土的分布不尽相同，但在一定时期内，总体分布是一致的。

(3)由于现场取样自土石方同一区域，土体含水量基本一致，故不考虑含水量变化对试样抗剪强度的影响。

(4)粒径＜5mm的认定为土体颗粒，粒径≥5mm的认定为碎石颗粒［1］。

(5)由于密实度与含水率对岩土体的抗剪强度均有一定影响［2－3］。本次试验对象是自然状态堆积，未经压实、排水的岩土体。

2.3 试验内容及方法

本次试验共采用16组试样做简易直剪实验。其中，人工制作20%、40%、60%、80%碎石含量的岩土混合体各3组，并从现场试坑取样4组作为比对验证。

(1)原状岩土体密度

岩土体密度采用试坑法测试。试坑采用人工挖掘或机械挖掘等方式，在堆积体上直接开挖。挖掘前，试坑表面及周边使用水准尺找平。为保证试样的测试准确性，每个试坑的直径和深度均不小于取样部位最大岩块尺寸的10倍。试坑体积测量采用灌水法［4］。

(2)原状岩土体颗粒分析试验

采用筛析法分析原状岩土体的颗粒组成［4］。

(3)岩土体抗剪强度测试

抗剪试验采用本公司自制的碎石土直剪剪切盒设备。剪切盒采用8mm厚Q235钢板焊制，平面形状为正方形，尺寸为400mm×400mm，分上下两层，分别高150mm。试验最大粒径为60mm。

在剪切盒上放置一块390mm×390mm×8mm的钢板作为加压板，上置铅块作为正压应力;下部剪切盒固定，上部剪切盒采用两台千斤顶施加剪力。拟加铅块自重分别为3.8kN、7.6kN、11.4kN、15.2kN，按受力面积0.1 521m2换算成压应力分别为25kPa、50kPa、75kPa、100kPa。固定压应力后，以10%的压力为一级，每级荷载30s的速度施加水平荷载，测量每级荷载下的水平位移。当某级水平荷载下的位移超过上一级位移的2倍时，改为5%施加。当水平位移急剧增加时，则视为该试样已经破坏。此时的水平剪应力，即可认为是该岩土体的抗剪强度。

以抗剪强度为纵坐标，垂直压应力为横坐标，绘制抗剪强度与垂直压力关系曲线，直线的倾角即为岩土体的内摩擦角，直线在纵坐标上的截距即为岩土体的粘聚力。

3 试验成果

(1)分别对4组原状岩土体做试坑法及筛析法试验，测得其密度及颗粒组成，如表1所示。

表1 原状岩土体密度及颗粒组成

(2)利用现场的碎石及土体，制备12组不同碎石含量的岩土体，如表2所示。

表2 自制岩土体密度及颗粒组成

(3)将4组原状岩土体做直接剪切试验，成果统计如表3所示。

表3 原状岩土体直接剪切试验成果 kPa

将表3的数据绘成表，如图2所示。

图2 试样关系图

图2 (a)～(d)中，直线的倾角为该组岩土体的内摩擦角，直线在纵坐标上的截距为该组岩土体的粘聚力，得出第1组～第4组试样的c值及φ值，统计如表4所示。

表4 原状岩土体抗剪强度

(4)以同样的方法测得12组自制不同碎石含量岩土体的C值及ψ值，统计如表5所示。

表5 自制岩土体抗剪强度

将相同碎石含量的岩土体c、φ值进行平均后，分别绘制碎石含量与c、φ值的关系曲线图，如图3～图4所示。

图3 碎石含量与粘聚力关系曲线

图4 碎石含量与内摩擦角关系曲线

4 成果分析

根据试验分组要求，在完成16个试样后可以得到4种自制不同碎石含量的岩土体的抗剪强度指标的变化曲线。通过分析，可以看出:

(1)碎石土的粘聚力c随碎石含量的增加呈现先递增后递减的趋势。

①当碎石含量从20%逐渐增加至40%时，由于粗颗粒的存在，细颗粒与粗颗粒不断地黏结，内部嵌合的能力越来越强，导致土体的整体性非常好，故粗颗粒含量的增加，会导致碎石土内聚力上升。处于碎石含量40%时碎石土的内聚力最大。

②当粗颗粒所占超过40%，且比例越来越大时，细粒减少引起的粘聚力下降远大于密度变化引起的粘聚力上升，故碎石土内聚力呈下降的趋势。

(2)碎石土的内摩擦角随着碎石含量的增加呈现不断增加，但增速呈减缓的趋势。

①当碎石含量从20%逐渐增加至40%时，碎石土的内摩擦角处于增加状态，加入的碎石能有效地改善土的各种性状，使得整个土体呈现土石混合体的状态。

②碎石含量从40%逐渐增加到60%时，由于土和石结合得比较好，也区分不出土和岩石，形成骨架后碎石土表现出土和岩石的双重特性，整体移动时土将碎石包裹得比较好，剪切时整体性很强，表现为碎石土的内摩擦角依旧线性增长。

③当碎石含量处于60%～80%时，粗颗粒的增加导致土体单位密度增大，粗颗粒间的摩擦力和挤压镶嵌作用随着碎石含量上升逐渐加强，土体抗剪强度得到进一步的提高，但在高于60%含量之后，岩土体已从“土”的特性转变成“石”的特性，故在该含量范围内，摩擦角的提高速率有所减缓。

以上结论与时卫民、郑颖人等人所做的研究试验成果［1］近似。经对比，原状岩土的碎石含量对抗剪强度的影响关系，与自制配合比岩土趋势相近。

5 结论

本研究通过对现场取得的堆积岩土体及人工制作的不同碎石含量的岩土体分别进行大型直剪试验，结合试验数据及土体抗剪强度计算公式，得出了不同碎石含量下岩土体的抗剪强度变化规律，即碎石土的粘聚力随着碎石含量的增加呈现先递增、后递减的趋势，内摩擦角随着碎石土含量的增加呈现不断增大但增速减缓的趋势。基此，可以认为原状自然堆积岩土体在不同碎石含量的情况下，其抗剪强度可以近似参考自制岩土体。

本结论对今后类似存在大量挖方的项目具有一定的参考意义。当需要大量堆填土方石方的时候，可以通过分析岩土体的碎石含量，用简易而又经济方法进行抗剪强度的估算，通过推导出来的数值来计算堆积岩土体的整体稳定安全系数，评估该坡体的稳定性;或根据现场条件所要求的堆积体坡高、坡率，来反推、控制岩土混合体的碎石含量，进行有组织的堆积排放。该研究成果对实际工程具有一定的参考借鉴指导意义。

［1］ 时卫民，郑宏录，刘文平，等．三峡库区碎石土抗剪强度指标的试验研究［J］．重庆建筑，2005(2):30－35．

［2］ 李振，邢义川．干密度和细粒含量对砂卵石及碎石抗剪强度的影响［J］．岩土力学，2006(12):2255－2260．

［3］ 李维树，邬爱清，丁秀丽．三峡库区滑带土抗剪强度参数的影响因素研究［J］．岩土力学，2006(1):50－60．

［4］ BG/T 50123－1999土工试验方法标准［S］．北京:中国规划出版社，1999．

Influence of Gravel Content on the Shear Strength of Cumulate Soil

LI Peiyan (Fujian Jianzhuan Geotechnical Engeering Co．Ltd，Fuzhou 350001)

Based on the large－scale direct shear tests of cumulate soil on spot and different gravel content of soil，combined with the experiment data and soil shear strength calculation formula，we obtain the shear strength variation of different gravel content of soil.The results show that cohesion of the gravel soil first increased and then decreased with the increase of gravel content.the internal friction angle increased constantly with the increase of gravel content.

Gravel content;Cumulate soil;Shear strength;Large－scale direct shear test

TU43

A

1004－6135(2017)02－0066－04

李培焰(1983．8－ )，男，工程师。

E-mail:2261165@qq．com

2016－08－28