粗粒土直接剪切試驗影響因素的分析

賀中潤，王曉初

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱150080)

粗粒土直接剪切直剪試驗是粗粒土強度指標測試最常用的方法，其試驗的準確性受多種因素影響，本文由雞西市青龍山水庫粗粒土直接剪切試驗，對以下幾點重要影響因素作相應分析。

1 試樣級配及超粒徑顆粒的處理

級配是影響粗顆粒土工程特性的重要因素，就同一地區的同一類土料而言，盡管成因相同，級配組成也會有所變化，因此在進行試驗進，應按料場或天然地基的自然級配，或模擬工程實際情況合理地選擇試樣級配，以使試驗成果具有代表性。

雞西市青龍山水庫試驗樣的最大粒徑不超過60 mm，其試驗用土的顆粒級配(見表1)與料場自然級配基本相同。

表1 粗粒土直接剪切直剪試驗用土的顆粒級配 mm

有原級配土料進行試驗是最理想的，但由于儀器尺寸的限制，有時不得不對土料中超過儀器允許粒徑的顆粒 (即超粒徑顆粒)進行處理。由于粗粒土直接剪切試驗儀器適用于最大粒徑dmax=60 mm，因此粒徑＞60 mm的顆粒必須舍棄，目前有以下4種處理方法供選擇。

1)剔除法:將超粒徑顆粒剔除。此法將使＜5 mm顆粒含量相對增加，改變了＜5 mm顆粒土的性質.因此，除超粒徑顆粒含量極小，一般不采用此法。

2)等量替代法:根據儀器允許的最大粒徑以下和粒徑＞5 mm的土粒，按比例等質量替換超粒徑顆粒。此法雖保持大于和小于5 mm顆粒含量不變，但改變了粗粒土級配、不均勻系數Cu及曲率系數Cc，等量替代法適用于超粒徑顆粒含量＜40%的土石混合料。

3)相似級配法:根據原級配曲線的粒徑，分別按照幾何相似條件等比例地將原樣粒徑縮小至儀器允許的粒徑。此法使顆分曲線平移后，仍保持與原級配曲線相似，故Cu、Cc可保持不變，但＜5 mm顆粒含量有所增加。

4)混合法:同時采用2、3兩種方法，即先用適當的比例尺縮小，使＞5 mm粒徑土的質量≤總質量的30%，若仍有超粒徑顆粒再用等量替代法制樣。

上述4種處理超粒徑顆粒的方法，有一定局限性，在使用時，要根據土料性質和試驗項目來決定。

2 試樣干密度控制

粗粒土直接剪切試驗控制干密度一般由相對密度試驗或擊實試驗換算可得。

粗顆粒土相對密度試驗適用于最大粒徑為60 mm能自由排水的粗顆粒土，其中細粒土(＜0.075 mm)含量不得 ＞12%，其目的是要求土樣能自由排水，顆粒之間不因細粒土含量過多而產生黏聚力。凡是擊實試驗不能得出明確的含水量與干容重關系曲線(試驗曲線是多峰或無顯著峰值)的粗顆粒土，均可采用相對密度試驗。相對密度是表示粗顆粒土的緊密狀態，即控制密度介于最密實與最松散之間的某種狀態，常用以作為對地基和壩體設計和施工控制的標準。

擊實試驗適用于最大料粒徑為60 mm，且不能自由排水的粗顆粒土。擊實試驗是用錘擊實土樣以了解土的壓實特性的一種方法。這個方法是用不同的擊實功(錘重×落距×錘擊次數)分別錘擊不同含水量的試樣，并測定相應的干容重，從而求得最大干容重、最優含水量，為填土工程的設計、施工提供依據。

水利行業采用相對密度控制，公路行業采用壓實度控制，兩種控制方式均可以滿足實際需要，一般而言，顆粒較粗的土料采用相對密度(Dr)指標控制，控制干密度由相對密度獲得;顆粒較細的土料采用壓實度(D)指標控制，控制干密度由擊實試驗獲得。

雞西市青龍山水庫粗粒土中的細粒土(＜0.075 mm)含量較少，故其直接試驗中的控制密度是通過室內相對密度試驗所得的指標換算所得(見表2)，其控制相對密度由設計部門提供:土樣編號為06LS1D1、06LS1D3、06LS2D3試樣的控制相對密度為0.75;土樣編號為06LS1D2、06LS2D2試樣的控制相對密度為0.70。

3 試樣制備

根據儀器的具體情況，分3層裝填，同時要確保剪切時剪切面發生在試樣中部，對試樣壓實方法有擊實法、振搗法及靜壓法3種。雞西市青龍山水庫試樣為無黏性粗粒土可采用機械振搗到控制密度。

表2 粗粒土直接剪切試驗用土的控制干密度g·cm3

4 開縫高度

在剪切過程中為了盡可能減少剪切盒對大顆粒側限影響，需對剪力盒進行“開縫”處理，開縫高度與土樣中最大粒徑dmax有關，根據國內資料綜合分析，粗顆粒土直剪試驗的開縫尺寸宜采用最大粒徑dmax的1/3～1/4。根據試樣顆粒情況，雞西市青龍山水庫試樣采用了1.5 cm規格的開縫環，滿足開縫高度要求。

對雞西市青龍山水庫試樣試驗成果匯總如表3。

表3 粗粒土直接剪切直剪試驗成果表

總之，在粗粒土直接剪切試驗中，對以上幾點影響因素應按實際情況加以分析，要根據土料性質選擇相適應的方法。

［1］ 中華人民共和國水利部.SL237－1999土工試驗規范［S］.北京:中國水利水電出版社，1999.

［2］ 唐大雄.工程巖土學［M］.北京:地質出版社，2005.