一种通过粒径替换预测碎石土抗剪强度的方法研究

彭 涛

(湖南联智科技股份有限公司, 湖南 长沙 410200)

0 引言

《公路工程地质勘察规范》(JTG C20—2011)对碎石土的定义为：粒径大于2 mm的颗粒质量超过总质量50%的土。在公路建设过程中，换填、开挖、爆破都可能产生大量的碎石土弃方，堆积成为弃渣场。对弃渣场进行稳定性评估往往需要获取弃渣的抗剪强度，如缺少可靠的经验值，则需要通过取样并开展直剪或三轴剪切试验来获取。然而任何尺寸的试验仪器都有最大粒径适用范围，弃渣场碎石土往往颗粒较大，需要制备大型试样，并使用大型直剪或三轴剪切设备对碎石土进行试验，有关报道可见文献[1-4]。尺寸较大的试样意味着制样难度、制样成本、试验周期都对应增加，在实际工程中，一般工程单位不具备相应的试验条件。目前，针对上述问题有两种粒径替换方法来减小试样的尺寸：①利用筛孔剔除一定范围以外的大粒径，并按照最大筛孔尺寸补充同等质量的材料；②配置平行替换试样，即将不适合的大粒径范围剔除，配置出在级配曲线上与原土级配曲线平行的试样。方法①争议较多，文献[5]、[6]指出这种方法会低估土的抗剪强度。本文以湖南省某公路弃渣场碎石土为研究对象，对方法②进行探讨，即进行级配平行替换，重制试样，开展直剪试验，并将结果与已有原始碎石土试样的抗剪强度参数进行对比，分析替换的可行性，为公路建设中碎石土抗剪强度参数的便捷获取提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

选择了两种原始土材料，其中一种为杂填碎石土(LA80)，粒径范围为0～80 mm，另一种为公路隧道洞渣(NG120)，最大粒径可达120 mm。根据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)[8]，定义d≤0.075 mm的颗粒为细粒。LA80的细粒含量很低，几乎为0%，颗粒棱角较多，制备了两种粒径范围的粒径平行替换试样，即LA30(0～30 mm)和LA5(0～5 mm)。NG细粒含量约4.8%，颗粒主要为圆形，制备了NG30(0～30 mm)、NG15(0～15 mm)和NG5(0～5 mm)3种粒径平行替换试样。上述各试样的级配曲线如图1所示。

1.2 试验过程

采用了3种尺寸的直剪盒(30 cm×30 cm×16.5 cm、15 cm×15 cm×8.8 cm、6 cm×6 cm×3.5 cm)，根据试样中间粒径d50大小选择不同尺寸的直剪盒，尽量保持所有试验的L/d50=10～13(L为直剪盒平面边长)。将上述土配置至最优含水率后，置于密封塑料袋，在直剪盒中按照一定干密度控制进行压实。LA5和LA30的干密度都控制在1.73 g/cm3左右，NG30、NG15、NG5的干密度都控制在2.00 g /cm3左右。随后将试样进行浸水饱和。饱和后，试样在指定的法向应力下固结，法向应力选择50、100、200 kPa 3组。最后打开排水阀门，以恒定的剪切速率进行剪切，其中LA剪切速率保持在0.10%/min，NG剪切速率保持在0.02%/min，获取试样的剪切应力 — 相对水平位移曲线，其中相对水平位移等于试样水平位移除以直剪盒平面边长L。

a)LA系列

b) NG系列

2 试验结果分析

2.1 LA试验结果分析

试样LA5(细粒含量4%)和LA30(细粒含量2.5%)的剪切应力 — 相对水平位移关系曲线如图2所示，由图可以看出，在50 kPa法向应力下，LA5和LA30的曲线比较接近。而在100 kPa和200 kPa的法向应力下，LA5的剪切应力在相对水平位移小于2%时，首先显著增长，然后增长速率放缓直至趋于恒定(相对水平位移达到10%～12%时)；LA30的剪切应力增长规律与上述类似，但相对水平位移到达8%左右剪切应力即趋于恒定。

基于Mohr-Coulomb破坏准则的LA系列试样破坏包络线如图3所示，由图可以看出，由于LA系列试样的细粒含量很小，因此黏聚力几乎为0，采用内摩擦角即可以表征抗剪强度；原始土L80(细粒含量≈0%)的内摩擦角为47.9°，与L5(48.4°)和L30(48.9°)的内摩擦角都比较接近，当法向应力在50～200 kPa时，采用粒径平行替换后，利用LA30和L5小试样可以较好地预测原始碎石土的抗剪强度。从试验结果来看，当细含量较低时，粒径平行替换是可行的。

对于LA系列，原始土LA80的内摩擦角主要是由粗颗粒间的相互咬合、嵌固所决定的；LA30和LA5的细粒含量分别为2.5%和4.0%，尽管进行了粒径平行替换，但是细粒含量仍然较低，细粒的掺入并未导致土的内部骨架结构发生较大改变，因此粒径整体减小后，试样的内摩擦角与原始土的内摩擦角仍较为接近，预测效果较好。

图2 LA30和LA5的剪切曲线

图3 LA系列试样的破坏包络线

2.2 NG试验结果分析

图4为NG30和NG5在相同干密度(2.0 g/cm3)下的剪切应力 — 相对水平位移关系曲线，两者的细粒含量分别为15%和22.5%。由图可以看出重制土NG5在剪切过程中呈现出峰值强度(最大剪切应力)和残余强度，峰值强度出现于相对水平位移1%～2%，残余强度出现于相对水平位移6 %～ 8%。与NG5相比，NG30的剪切应力 — 相对水平位移关系曲线没有出现峰值，而NG30的最大剪切应力值位于NG5峰值强度和残余强度之间。法向应力越大，NG30的最大剪切应力越接近NG5的峰值强度，两者的差异在法向应力50 kPa时为24%，在法向应力200 kPa时仅为4%。

图4 NG30和NG5的剪切曲线

基于Mohr-Coulomb破坏准则的NG系列试样破坏包络线如图5所示，原始土NG120的内摩擦角为41.0°，黏聚力为4.6 kPa；由图可以看出，NG5、NG15、NG30 3组试样的内摩擦角都与原始碎石土接近，NG15的内摩擦角比NG30高出1.2°，NG5的内摩擦角比NG30低1.6°。由此可见，3个NG重制土试样在相同干密度(2.0 g /cm3)下进行直剪试验，彼此的内摩擦角与原始土的内摩擦角都较为接近，预测效果较好；但是，其黏聚力都与原始土的黏聚力(4.6 kPa)偏差较大，且离散性明显，其中NG5的黏聚力比NG30高出近一倍。

图5 NG系列试样的破坏包络线

由于NG系列平行替换试样的细粒含量都超过15%，相较原始土，内部骨架结构已经发生变化，粗颗粒不再完全相互接触，粒径整体减小后重制土试样的黏聚力远高于原始土的黏聚力，从而会对抗剪强度产生过高的估计。图6为NG系列重制土试样黏聚力与细粒含量的关系曲线，根据该关系曲线推算，原始土(细粒含量4.8%左右)的黏聚力预测值为3.8 kPa左右，与实际值4.6 kPa更加接近。因此，直接采用重制土的黏聚力试验结果预测原始土的黏聚力具有很大的误差，但利用关系曲线进行的间接预测效果较好。

图6 NG系列重制土试样黏聚力与细粒含量的关系

3 结论

本研究尝试利用平行替换和整体缩小粒径的方法，重制试验用土，达到仅利用较小试样预测碎石土抗剪强度目的，得到如下结论：

1) 当粒径平行替换后重制土试样细粒含量较小时，重制土与原始土的内摩擦角较为接近，由于此时黏聚力几乎为0，对重制土进行直剪试验即可较好地预测原始碎石土的抗剪强度。

2) 当粒径平行替换后重制土试样细粒含量较高(>15%)时，相对于原始土，重制土的内部骨架结构发生了变化，尽管内摩擦角预测效果较好，但是黏聚力与原始土的偏差较大，直接采用重制土的抗剪强度试验结果预测原始土的抗剪强度不可行。

3) 当出现结论(2)中所述问题时，配置多组平行替换重制土试样进行直剪试验，建立黏聚力与细粒含量的关系曲线，再利用关系曲线推算原始土的黏聚力，可以达到较好的黏聚力预测效果。

4) 平行替换方法成立的前提是颗粒自身的形状、强度不会随着粒径的改变发生强烈变化，相关研究工作还有待后续进一步开展。