不同条件下土石方填筑体现场剪切试验成果分析

田 文，李向东，熊复慧，闫广双

(1. 黑龙江省引嫩工程管理处，黑龙江 大庆 163316；2. 黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

1 工程基本情况

新建黑龙江省绥芬河民用机场，飞行区等级指标为4C，主要建设内容包括：建设1条长2500 m、宽45 m跑道和1条垂直联络道；4500 m2的航站楼、6个机位的站坪；1座塔台和800 m2的航站楼；配套通信、气象、消防救援、供电、给排水、供热、供冷、供气、供油等设施[1-2]。

绥芬河机场位于丘陵地貌区，拟建场地地形总体上呈东高西低的态势，工程地质条件比较复杂，场地挖方形成的填料主要有黏土、碎石、中-全风化花岗岩、中-全风化玄武岩，属于不均匀的土岩组合。整个场区填、挖方总量约为920万m3，最大填方深度43.4 m，最大挖方深度31.0 m。填方边坡坡顶线(平整范围线)处最大填方高度28.2 m，坡顶与坡脚最大高差43.4 m[3-8]。

工程拟在现场进行土石方填筑试验，为全场大面积土石方填筑工程施工提供优化的工艺方法、施工参数及检测指标。现场对强夯、冲击碾压土石方填筑体进行大型剪切试验研究，为全场大面积土石方填筑工程施工及边坡稳定设计提供参考数据[9]。

2 材料与方法

2.1 试验目的

本实验采用应力控制的平推法，适用于粗粒类土本身、粗粒类土中的软弱接触面快剪试验。根据库伦定律得到土体在特定破坏界面上的抗剪强度参数即为内摩擦角和黏聚力。

2.2 试验设备

本次试验所使用的设备为WBJL现场直剪仪，主要包括以下几方面。

(1)试件制备系统。主要为与现场被检填料粒径匹配的剪切盒1套。

(2)加荷系统。行程大于70 mm，适应现场填料碾压体强度，满足最大荷载及剪切面积要求的液压千斤顶2台；油压泵系统。

(3)传力系统。主要由高压胶管、传力柱、钢垫板、滚轴排等组成。

(4)测量系统。压力表：精度为一级的标准压力表一套，测油压用；百分表(量程大于50 mm)、千分表(量程大于2～50 mm)，8～12只；磁性表架：8～12只；测量表架：工字钢2根；测量标点：有机玻璃或不锈钢。

(5)反力系统：试验在露天填筑碾压体表面进行，因现场工况特殊性，本试验采用的是重型机械加载的方式取得反作用力。

2.3 试验方法

(1)试坑的开挖和试件的制备。一般情况下，本试验工作面的尺寸为2.5 m×1.6 m。试样的制备在试坑中进行，用下端带有刃口的剪切盒切入到预定的试验深度，同时削去剪切盒外侧土体，形成与剪切面一致的试坑基底平面，同时平整试样的顶面，超出剪切盒顶面1 cm左右。试样制备完成后，安装应力、水平推力施加装置及相应测量仪表后，即可开始试验[9]。现场剪切试验布置图见图1。

1—剪切缝 2—试件 3—承压板 4—液压千斤顶5—传力柱 6—钢垫板 7—滚轴排图1 现场剪切试验布置图

(2)对试样分级施加法向荷载，最大法向荷载应大于设计荷载，可分4～5级逐渐达到试验所需的最终法向荷载。每级法向荷载施加后每5 min测量一次试验变形，当每1 min变形不超过0.05 mm时可施加下一级荷载。施加最后一级荷载后，按5 min、10 min、15 min的时间间隔测记垂直变形值，当1 h内竖直变形值两次读数的差值不超过0.05 mm时，即达到相对稳定状态，可施加剪切荷载[9]。

(3)施加水平剪切力，按照法向荷载的5%～10%分级等量施加。当施加剪切荷载所引起的剪切变形为前一级的1.5倍以上时，下一级剪切荷载则减半施加。每级剪切荷载施加完成后，应立即测记垂直变形量、剪切荷载和剪切变形量。当剪切变形急剧增长或变形继续增长而剪应力无法增加或剪切变形达到试样边长(直径)的1/10时可终止试验，当剪切荷载无峰值，可将剪切位移达到试样边长或直径的10%时的剪切荷载作为破坏值[9]。

(4)当需要根据剪切位移大于10 mm时的试验成果确定土的残余抗剪强度时，可能需要沿剪切面继续进行摩擦试验。

(5)试验结束后，拆除位移测表，卸去剪切荷载、垂直荷载及加荷设备，描述剪切面形状，量测剪切面的实际面积，根据需要测定试样试验前后的密度、含水率和颗粒级配。

项目组分别在强夯填筑区(D1、D2)，冲击碾压区(CH、CX1、CX2)进行了现场剪切试验，确定内摩擦角、黏聚力等参数，为土石方填筑工程施工提供依据。试验过程如图2、图3所示。

图2 加载试验过程

图3 切向变形试验过程

3 结果分析

3.1 试验资料整理

3.1.1试验记录

(1)试验前记录内容：工程名称、试体编号及位置、试验方法、剪切面面积、测表位置、法向及剪切荷载、法向位移、试验日期等。

(2)详细记录碰表、调表、换表、千斤顶、漏油补压等异常情况。

(3)试验结束后，测量实际剪切面面积，详细记录现场试验情况，并做具体描述，初步绘制试验结果σ—τ曲线，如部分试验数据偏离较大时，需补做试验。

3.1.2 成果整理

按照式(1)、式(2)计算垂直压力和剪应力：

σ=P/A

(1)

τ=Q/A

(2)

式中：σ为垂直压力，kPa；τ为剪应力，kPa；P为垂直总荷载，kN；Q为剪切总荷载，kN；A为试样剪切面面积，m2。

3.1.3 试验成果报告

(1)文字部分：相关说明，试验方法、C、φ值及确定标准等。

(2)图表部分：绘制剪应力与水平位移关系曲线和抗剪强度与垂直压力的关系曲线，求得内摩擦角和黏聚力。

3.2 试验成果分析

本试验测得的剪切试验结果如表1所示。

试验区现场剪切试验的剪应力与法向应力的关系曲线如图4～图8所示。

表1 剪切试验结果

图4 D1剪应力与法向应力的关系曲线

图5 D2剪应力与法向应力的关系曲线

图6 CH剪应力与法向应力的关系曲线

图7 CX1剪应力与法向应力的关系曲线

图8 CX2剪应力与法向应力的关系曲线

4 结 语

(1)大尺寸颗粒含量较高的强风化料铺土厚度影响强夯填筑的效果。

(2)相同冲击碾压情况下，全风化玄武岩料填筑效果较好。

(3)填料中大尺寸颗粒及细颗粒比例对黏聚力和内摩擦角有较大影响。