不同细粒含量高压密级配碎石力学特性研究

赵明志 ，邓龙翔 ，刘钢 ，罗强，李彦罡

(1.西华大学 土木建筑与环境学院，四川 成都 610039；2.西华大学 岩土工程研究所，四川 成都 610039；3.西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

路基基床是承受列车动荷载和自然应力的重要部分。目前我国铁路工程建设中，多采用级配碎石类具有优良工程特性的粗粒土作为基床填料。级配碎石是一种具有良好变形、强度和渗透特性的粗粒土混合料，它的力学特性也成为铁路路基基床设计的重要参考依据。研究表明，压实系数、围压和含水状态会影响级配碎石的力学特性。冷伍明等[1]在围压为50，100和150 kPa条件下对级配碎石进行三轴固结不排水试验，发现压实系数从0.95 增加到0.97 时，其峰值强度增加12.9%～21.1%。陈坚等[2]对级配碎石进行了大直剪试验，认为压实系数0.93 是土体结构骨架密实或疏松的分界点。郭庆国[3]认为密实粗粒土在剪切时会有显著的剪胀性，且剪胀变形会影响其孔压变化。因此，密实度对级配碎石剪切特性有显著影响。IN‐DRARATNA 等[4]在1～240 kPa 之间的低围压条件下对道砟进行三轴试验，发现土体表现为应变软化和剪胀。秦红玉等[5]在300～1 200 kPa 的中高围压条件下对相近压实系数粗粒土进行三轴试验，发现土体应力应变关系则表现为应变硬化和剪缩。褚福永等[6]基于三轴试验，认为密度相同条件下，围压越小，土的剪胀性越强，说明围压对土体的应力应变特性会产生一定影响。此外，DUONG等[7]通过对不同细粒含量路基填料进行三轴试验，指出当细粒含量增加时，非饱和土强度会稍微增加，而饱和土强度则会明显下降。ISHIKAWA 等[8]基于不同含水状态下道砟强度的变化规律，得出对于同一种土，含水率越高，强度越低。除压实系数、围压和含水状态因素外，级配碎石的力学特性还与细粒含量有关。HOLTZ等[9]通过大型三轴试验发现，增加土体中细颗粒含量会提高其强度，但细颗粒超过35%后，强度反而降低。凌华等[10]通过三轴排水剪切试验得出，对于岩性一致、密度相同的粗粒土，随着细粒含量提高，其黏聚力降低，内摩擦角提高。李小梅等[11]采用三轴剪切试验研究不同级配和密度对碎石强度和变形的影响，指出试样越密实，细粒含量越多，围压越低，应变软化及剪胀现象越明显。TAHA 等[12]借助离散元对不同细粒含量级配碎石力学特性进行分析，发现当细粒含量低于20%时，土体力学特性由粗颗粒形成的骨架控制。叶阳升等[13]对路基填料分类资料进行分析，指出细粒含量会改变土的结构和性质，当细粒含量在5%～15%时，粗颗粒控制骨架，细粒可填满孔隙，此时土体结构最为紧密。综上所述，学者以压实系数、围压、含水状态和细粒含量等为主要影响因素，针对级配碎石的变形和强度特性进行了研究，并取得了丰富成果。然而，高速铁路基床级配碎石填料长期处于高压密状态，其细粒含量和含水状态受地域、环境、气候等因素影响较大，因此探讨不同细粒含量高压密级配碎石在不同含水状态下的力学特性具有现实意义。以不同细粒含量、压实系数为0.97 的级配碎石作为研究对象，通过在不同含水状态下进行三轴固结不排水剪切试验，探讨不同细粒含量高压密级配碎石力学特性变化规律，为高速铁路基床表层中级配碎石填料的选取提供理论参考。

1 试验材料及方案

1.1 试验材料

试验土样采用天然的漂石和卵石经机械破碎后形成大小各异的碎石颗粒，颗粒所属岩石类型以花岗岩为主，夹杂部分石英石和石英砂岩等。制备试样前，先将粗粒土混合料进行筛分，过筛的粗粒土按粒径大小分为0～0.075 mm，0.075～0.5 mm，0.5～2 mm，2～5 mm，5～10 mm，10～20 mm 和20～40 mm 等7个粒径组，其中细粒指粒径小于或等于0.075 mm 的土。试验设置了细粒含量分别为0%，5%，10%和20%的级配碎石试样，其级配曲线如图1所示。经计算，细粒含量为0%，5%，10%和20%的级配碎石试样不均匀系数Cu分别为46.12，66.67，120.00 和948.00，曲率系数Cc分别为2.15，2.67，2.90 和2.12。根据《高速铁路设计规范》(TB 10621—2014)规定，各细粒含量试验土样级配良好。

图1 级配碎石试样的级配曲线Fig.1 Grading curves of graded gravel samples

根据《铁路工程土工试验规程》(TB10102—2010)中相关规定，进行室内击实试验，得到细粒含量不同的级配碎石试样含水率与干密度之间的关系，进而得到不同细粒含量试样的最优含水率wopt和最大干密度(ρd)max，如表1 所示。由表1 可知，其他条件相同时，试样最大干密度(ρd)max先随细粒含量增加而增加，然后随细粒含量增加而减小，细粒含量10%的试样最大干密度达到峰值，为2.37 g/cm3。

表1 各级配碎石试样的最优含水率和最大干密度Table 1 Optimum water content and maximum dry density of graded gravels

1.2 试验仪器与设备

试验采用英国GDS 公司研发设计的三轴试验系统。该三轴试验系统可开展砂土、黏土等小尺寸(直径为50 mm，高度为100 mm)试样的三轴试验。然而，试验所用级配碎石试样直径为150 mm，高度300 mm，原三轴系统已不能满足本次试验的要求。对原三轴系统的的底座进行了改装，并增设了法兰盘，用来支持更大尺寸的压力室。此外，为了实现固结过程中对大压力室围压水的持续供给，采用无限围压体积切换装置，利用2个围压体积控制器交替供给围压水，实现大尺寸压力室围压的恒定控制。改装后的三轴试验系统如图2所示。

图2 改装后GDS三轴试验系统Fig.2 Modified GDS triaxial test system

1.3 试样制备

为保证试样制备的均匀性，采用分层压实法制备试样。试样直径为150 mm，高度为300 mm，压实系数为0.97。制备试样前，按最优含水率配制土样，并平均分为5 份；制样时将5 份土样分5 层进行填筑，每层土样的厚度控制在60 mm，且每层土样压实后需对土样表面进行刨毛才可进行下一层土样的填筑和压实；试样制备完毕后将其顶面整平。

对于需要进行饱和的试样，先将其按最优含水率制备，再置于真空饱和缸中，对真空饱和缸抽气至一个负大气压，然后在持续抽气的过程中对饱和缸缓慢注水，待试样被淹没后停止抽气和注水，利用大气压使试样饱和。静置一晚后，测定其孔压系数B，若B大于0.95，则认为试样达到饱和，若B小于0.95，则还需进行反压饱和。在反压饱和时，反压应分级施加，并同时分级施加围压，始终保持有效围压为30 kPa，直到B大于0.95为止。

1.4 试验方案

在最优含水率状态和饱和状态的条件下，分别对细粒含量为0%，5%，10%和20%的级配碎石试样进行固结不排水三轴试验(CU)。由于级配碎石一般用于高速铁路路基基床表层填筑，上覆压力通常较低，故将围压σ3设置为20，40和60 kPa。

在剪切开始前，先对试样进行等压排水固结，当孔隙水压力接近于0且排水量不再增加时，则认为固结完成。待试样固结完成后关闭排水阀门，采用应变控制方式施加偏应力进行不排水剪切试验，剪切速率为1.5 mm/min，当轴向应变达到15%时停止剪切，试验结束。

2 试验结果与分析

2.1 应力应变曲线

图3 是围压分别为20，40 和60 kPa 下，不同细粒含量级配碎石试样在不同含水状态时的偏应力(σ1～σ3)和轴向应变(ε)关系曲线，图中以FC(fine content)表示级配碎石试样的细粒含量，以SMC(saturation moisture content) 和OMC(optimal moisture content)分别表示饱和状态和最优含水率状态。

由图3(a)可知，在围压为20 kPa 的条件下，细粒含量分别为0，5%，10%和20%的级配碎石试样在不同含水状态时，偏应力随着轴向应变的增大而增大，当偏应力达到峰值后，随着轴向应变的继续增大，偏应力缓慢减小，最后趋于稳定，应力应变曲线均表现为应变软化。但是饱和试样的应变软化程度较最优含水率试样小，这是因为在剪切过程中，饱和试样产生的负孔压比最优含水率试样大(见图4)，因此饱和试样的有效围压也比较大。已有研究表明，较大的有效围压有利于增强试样强度，从而削弱试样的软化程度，故饱和试样的应变软化程度较最优含水率试样小，饱和后曲线软化现象也有所减弱。除此之外，无论是最优含水率状态还是饱和状态，在各细粒含量级配碎石试样中，细粒含量为10%的级配碎石具有最大峰值强度。与此同时，细粒含量10%的试样在饱和后峰值强度有所下降，相反，其他细粒含量级配碎石在饱和后峰值强度有所提高。图中，细粒含量为10%的级配碎石在最优含水率状态时的峰值强度为630 kPa 左右，其他细粒含量级配碎石的峰值强度在280～320 kPa 之间浮动，而饱和后，细粒含量为10%的级配碎石峰值强度在520 kPa 左右，较最优含水率试样减少了17.5%，其他细粒含量级配碎石的峰值强度则在340～380 kPa之间浮动，增加了18.8%～21.4%。

图3 不同细粒含量级配碎石试样偏应力与轴向应变关系Fig.3 Relationship between deviatoric stress and axial strain of graded gravels with different fine contents

图4 不同细粒含量级配碎石试样孔压与轴向应变关系Fig.4 Relationship between pore pressure and axial strain of graded gravels with different fine contents

图3(b)和3(c)中，围压为40 kPa 和60 kPa 时，不同含水状态下各细粒含量级配碎石试样的应力应变曲线形态与图3(a)相同，仍属于应变软化型；同一围压下级配碎石试样饱和后，其应力应变曲线软化现象有所减弱；试样峰值强度随细粒含量和含水状态变化的规律也和图3(a)一致。对比图3(a),3(b)和3(c)可知，2 种含水状态下，随着围压的增大，各细粒含量级配碎石的峰值强度也随之增大。如细粒含量为20%的最优含水率级配碎石试样，围压为20 kPa 时的峰值强度为324 kPa，在围压分别为40 kPa 和60 kPa 时，峰值强度增加到430 kPa和588 kPa。

此外，在最优含水率状态时，尽管不同细粒含量级配碎石试样的峰值偏应力各不相同，但其达到峰值强度时的轴向应变都在2%附近。在饱和状态时，3 种围压下不同细粒含量级配碎石试样峰值点处的应变值各有不同，其中细粒含量为10%的级配碎石试样达到峰值强度时的轴向应变均大于2%，其平均应变为3.1%，而细粒含量为0%，5%和20%的级配碎石试样达到峰值强度时，其平均应变分别为1.7%，2.0%和1.1%。说明细粒含量为10%的级配碎石在饱和后达到最大强度时，其变形量较最优含水率状态下有所增大，而其他细粒含量级配碎石饱和后达到最大强度时的变形量较最优含水率状态下有一定程度减小。因此，10%细粒含量级配碎石饱和后抵抗变形的能力较其他细粒含量试样更强。

2.2 孔压曲线

图4 是围压分别为20，40 和60 kPa 下，不同含水状态时各细粒含量级配碎石试样的孔压(u)和轴向应变(ε)关系曲线。值得说明的是，由于最优含水率试样处于非饱和状态，实测孔压既包括孔隙水压力，还受到孔隙气压影响。因此，饱和土样的孔压一般为孔隙水压力，最优含水率土样的孔压则为孔隙水、气总压力。通过监测剪切过程中整体孔压的演变规律，来反映试样的应力状态变化情况。同时，试样剪切过程的初始孔压也较小，仅在0～3 kPa之间变化。

由图4(a)可知，在围压为20 kPa时，在剪切初期，随着轴向应变的增大，不同含水状态下各细粒含量级配碎石试样孔压有小幅上升，并很快降到零点，随着轴向应变的继续增大，负孔压(最优含水率土样为负孔隙水、气总压力)持续发展，最后趋于稳定。这是因为在不排水剪切过程初期由于轻微压密作用，使试样的体积减小，造成孔压正增长，但由于试样压实系数较高，孔压上升并不显著；随着剪切不断进行，试样结构由强化向破坏发展，从而引起试样体积胀大，孔压开始减小并向负值发展；试样破坏后，颗粒运动基本完成，体积变化趋于稳定，孔压也逐渐趋于某一定值。此外，各细粒含量级配碎石试样在达到临界破坏时，饱和状态时的负孔压均比最优含水率状态时大。这是因为土体中水比气体更难压缩，致使在剪切作用下饱和试样产生更大的负孔压。图4(b)和4(c)中，围压为40 kPa和60 kPa时，各细粒含量级配碎石在不同含水状态下的孔压和轴向应变关系曲线形态与图4(a)一致，且临界破坏时负孔压在饱和状态时均比同一细粒含量下最优含水率状态时大。

由图4可知，在不同围压下，无论是最优含水率试样还是饱和试样，细粒含量为10%的级配碎石负孔压最大。这与级配碎石在高压密状态时的剪胀变形有关，受剪胀变形影响，其孔压会发生变化。细粒含量10%时负孔压最大，则反映出此时级配碎石剪胀效应最强。同时，对于高压密级配碎石而言，在剪切过程中，其强度受负孔压的影响较大。细粒含量为10%的级配碎石由剪胀效应产生的负孔压最大，因此，在相同含水状态下，其相应有效应力也最大，故负孔压对细粒含量为10%的级配碎石峰值强度促进作用较其他细粒含量级配碎石更为明显。

2.3 强度指标

研究表明，土的抗剪强度取决于土粒间的有效应力[14]。通过围压分别为20，40 和60 kPa 时试样的峰值偏应力确定3个破坏莫尔圆，绘制莫尔圆的公切线得到抗剪强度包线，进而得到土的有效强度参数。最优含水率状态(OMC)和饱和状态(SMC)下各细粒含量级配碎石试样的有效内摩擦角(φ)和初始咬合力(c)如图5所示，图中FC(fines con‐tent)表示级配碎石试样的细粒含量。

由图5(a)可知，不论是最优含水率还是饱和状态，级配碎石内摩擦角均随细粒含量的增加呈现出先增大后减小的趋势，且在细粒含量10%附近取得最大值。这是因为随着细粒含量的增加，细颗粒逐渐填充粗颗粒形成的孔隙，土体结构由疏松逐渐变紧密，从而使其内摩擦角增大，当细粒含量增加到一定程度后，部分细粒开始起到骨架作用，颗粒间摩擦力减小，增加细粒含量反而使内摩擦角减小。

图5 不同含水状态时级配碎石试样的强度参数Fig.5 Intensity parameters of graded gravels with different moisture contents

由图5(b)可知，在不同含水状态下各细粒含量级配碎石的初始咬合力各有不同，数值较分散。这与级配碎石中颗粒排列与堆积的随机性相关，并且颗粒间接触方式和咬合角度的不确定性也会强化咬合力数据的分散特征。这与蔡国军等[15]通过对不同细粒含量的砾类土开展室内大型直剪试验与数值模拟研究，得到咬合力的变化特性不能简单用颗粒含量来描述的结论一致。

3 数据分析

3.1 细粒含量不同的级配碎石强度特征分析

根据不同细粒含量级配碎石试样应力应变关系曲线，绘制最优含水率状态、饱和状态时级配碎石试样的峰值强度((σ1～σ3)f)与细粒含量(FC)的关系曲线如图6所示。由图6(a)和6(b)可知，2种含水率状态下，当围压相同时，存在一个细粒含量为10%的特征值。细粒含量小于10%时，随着细粒含量增加，级配碎石峰值强度增加；细粒含量大于10% 时，随着细粒含量增加，峰值强度减小。

图6 不同含水状态级配碎石试样峰值强度与细粒含量关系Fig.6 Relationship between peak strength and fine content for graded gravels with different moisture content

级配碎石峰值强度之所以表现出这种现象，与其结构特征有紧密关系。最大干密度可以较为直观地反映出土体结构的密实程度。图7为试样最大干密度((ρd)max)和细粒含量(FC)的关系曲线。由图7 可知，级配碎石的最大干密度随细粒含量增加表现出先增大后减小现象，且在细粒含量为10%时具有最大干密度，这与级配碎石峰值强度和细粒含量关系曲线的变化规律一致。因此，级配碎石结构特征、最大干密度和峰值强度之间存在一定联系。

图7 级配碎石试样最大干密度与细粒含量的关系曲线Fig.7 Relationship between maximum dry density and fine content of graded gravels

3.2 不同细粒含量级配碎石的结构特征分析

叶阳升[13]、陈坚等[2]通过对粗粒土结构类型进行分析，发现土体结构中细粒扮演着不同的角色。随着细颗粒含量由少至多变化，其结构由骨架孔隙型向骨架密实型、再向悬浮密实型转变。CAI等[16]对不同级配参数(Cu，Cc)的粗粒土进行结构类型划分，发现不同结构类型土体的性质差异明显。当细粒含量小于10%时，试样孔隙率较大、最大干密度较小，此时粗颗粒单独组成土体骨架，细粒含量较少且不足以填满骨架孔隙，土体结构对应骨架孔隙型。当细粒含量在10%左右时，试样孔隙率较小、最大干密度达到最大，此时土体骨架依然由粗颗粒控制，但随着细粒的增加，粗颗粒间孔隙逐渐被细粒完全充填，粗细颗粒相互紧密接触，土体骨架结构更加稳定，对应骨架密实型。当细粒含量大于10%时，试样最大干密度开始减小，这时细粒也参与骨架作用，随着细粒的继续增加，细粒包裹粗颗粒，影响了土体骨架，土体结构对应悬浮密实型。3 种粗粒土结构类型如图8所示。

图8 粗粒土结构类型Fig.8 Structure type of coarse soil mass

级配碎石的强度主要由粗颗粒间的强度、粗颗粒与细颗粒之间的强度和细颗粒本身的强度3部分组成[15]。当细粒含量较少时，粗颗粒承担骨架作用，这时级配碎石强度主要源于粗颗粒之间的摩擦力和咬合力，细颗粒难以起到实质作用，因此细粒含量为0%和5%的级配碎石峰值强度较低，且内摩擦角较小。随着细粒含量逐渐增加，粗颗粒之间的孔隙逐渐被填充密实，粗细颗粒之间嵌挤作用增强，这时级配碎石强度由粗颗粒与细颗粒共同提供，土体强度得到提升，故细粒含量为10%时土体的峰值强度最高、内摩擦角最大。当细粒含量大于10%时，粗粒逐渐被细粒包裹，增加细粒含量反而降低了土体的强度，同时也减小了内摩擦角，故细粒含量为20%的级配碎石峰值强度降低、内摩擦角减小。

3.3 饱和作用对级配碎石强度的影响分析

根据图6中不同细粒含量级配碎石试样的峰值强度，计算并绘制其饱和后在不同围压水平下的峰值强度增减幅度，如图9所示。峰值强度增减幅度∆计算式如式(1)。式中，τ1为饱和状态时试样的峰值强度，τ2为最优含水率状态时试样的峰值强度。

图9 级配碎石试样饱和后峰值强度增减幅度Fig.9 Rangeability of peak strength after saturation for graded gravels

试验中，虽然饱和后细粒含量为10%的级配碎石峰值强度降低了15%～20%，但是细粒含量分别为0%，5%和20%的级配碎石峰值强度却增长了10%～35%，表现出不同的峰值强度变化规律。分析其原因，可能是饱和后土体强度的变化规律与水的软化作用和负孔压增强作用有关。饱和后由于含水率增加，水对土体的软化作用增强，使土体强度降低。但是，在不排水条件下，由于负孔压的累积，级配碎石有效应力增大，提高了土体强度。因此，饱和后土体强度的变化取决于这2种影响作用中谁处于支配地位。

由图4 可知，3 种围压条件下，细粒含量为10%的级配碎石临界破坏时均具有最大负孔压，在最优含水率状态和饱和状态时其负孔压平均值分别在−52.4 kPa 和−61.0 kPa 左右。细粒含量为0%，5%和20%的级配碎石在最优含水率状态时其负孔压平均值分别为−19.7，−25.0和−27.8 kPa，在饱和状态时负孔压平均值分别为−36.2，−42.0 和−49.9 kPa。经计算，细粒含量为10%的级配碎石负孔压平均值在饱和后仅增大了16%，而其他细粒含量的级配碎石增加幅度则为68%～84%。

试样饱和后，细粒含量为10%的级配碎石负孔压增长幅度较小，负孔压增强作用较弱，这时饱和后水对土体的软化作用大于负孔压增强作用，从而使峰值强度降低了15%～20%。而其他细粒含量的级配碎石负孔压增幅较大，此时土体强度主要由负孔压增强作用主导，导致峰值强度增加了10%～35%。值得注意的是，在实际工程中，负孔压不容易累积，所以饱和作用普遍会引起级配碎石峰值强度降低，同时通过负孔压来提高土体强度也是不安全的。

4 结论

1) 级配碎石的最大干密度、峰值抗剪强度和内摩擦角均随细粒含量增加表现出先增大后减小的变化趋势。试验表明，细粒含量10%的级配碎石最大干密度达2.37 g/cm3，无论是最优含水率状态还是饱和状态，细粒含量10%试样均处于最密实状态，其峰值强度和内摩擦角均明显大于其他试样。

2) 细粒含量不同级配碎石的强度特性是由其结构特征决定的，细粒含量10%试样结构为骨架密实型，这直接决定了其强度特性优于其他细粒含量试样。分析表明，细粒含量明显少于10%时，细粒不足以填满骨架孔隙，此时试样强度较小；细粒含量明显大于10%时，细粒开始包裹粗颗粒并参与骨架作用，土体结构逐渐疏松；细粒含量在10%附近时，土体达到最密实状态，强度特性最优。

3) 由最优含水率状态到饱和状态时，细粒含量不同的级配碎石强度变化规律不同，且受水的软化削弱作用和负孔压增强作用共同影响。对于细粒含量为10%的级配碎石，试样饱和后，负孔压增幅较小，水的软化削弱作用为主导因素，使土体强度降低；对于其他细粒含量的级配碎石，饱和后负孔压增幅较大，负孔压增强作用占主导地位，土体有效应力增加，强度提高。