粗顆粒土抗剪強度影響因數分析

陸建明

土石混合料具有壓實性能好、透水性強、填筑密度大、抗剪強度高、沉降變形小、承載力高等工程特點，且分布廣泛，儲量豐富，便于就地取材，節約工程造價，在工程建設中得到了廣泛的應用。抗剪強度是粗顆粒土主要工程特性指標之一，研究粗顆粒土的抗剪強度具有重要意義。一般的細粒土其抗剪強度主要源于顆粒之間的相互粘結與摩擦，而粗顆粒土的強度有別于一般細粒土，主要來源于粗顆粒相互交錯鑲嵌形成的一種叫咬合力［5］的新力，因而粗顆粒土的抗剪強度影響因數也有別于細粒土。影響粗顆粒土抗剪強度的因數主要有顆粒的破碎［1，4，6，9-11］、含水率［2］、最大粒徑［2，14］以及粗粒含量［3，8，10-12］等，下文將從粗顆粒土的抗剪強度定義出發，逐一介紹各影響因數對粗顆粒土抗剪強度的影響。

1 抗剪強度的定義

低應力下，粗顆粒土的抗剪強度通常采用庫侖定律，如式(1)所示。

其中，τf為破壞面上的剪應力;c為土的粘聚力(粘性土)或咬合力(無粘性土);σ為破壞面上的法向應力;φ為土的內摩擦角。

試驗資料表明，破壞面上的剪應力τ隨著法向應力σ的增加增幅逐漸減小，并非線性增加［14］，即在高應力條件下如果仍采用庫侖定理，就會產生較大的誤差。為較準確的確定高應力下，粗顆粒土的抗剪強度指標，一種做法是分應力段整理強度參數，另外一種做法就是采用式(2)來表示這種非線性。

其中，Pa為工程大氣壓，單位與σ3相同;φ0為在圍壓為標準大氣壓時的內摩擦角;Δφ為圍壓增長10倍時摩擦角的遞減量。

2 顆粒破碎對抗剪強度的影響

顆粒破碎是粗顆粒土具有的重要特性之一，顆粒破碎使得顆粒受力前后的級配發生變化，進而影響顆粒的強度特性［1］。

其中，Wki為試驗前級配曲線上某級粒組的含量;Wkf為試驗后級配曲線上相同粒組的含量。

粗顆粒土母巖性質、級配、圍壓及應力狀態等都對顆粒的破碎有較大的影響［1，4，6，9-11］。粗顆粒土的母巖強度越高，顆粒破碎率越小，磨圓度較好的粗顆粒混合料的顆粒破碎率明顯低于棱角狀的粗顆粒混合料［1，6］;細顆粒含量高的混合料顆粒破碎率明顯低于細顆粒含量低的混合料［1］;破碎率隨圍壓的增大呈明顯增大趨勢［1，6，9］，文獻［6］中的研究還表明顆粒破碎率隨圍壓的變化規律還可以用雙曲線表示;顆粒破碎率隨著法向應力的增大而增大，在低法向應力下，顆粒的破碎主要受剪應力大小的影響，在高法向應力下，顆粒破碎受法向應力影響的程度更大［4］。

3 含水率對抗剪強度的影響

研究含水量對抗剪強度指標的影響程度，對于指導現場施工有重要的現實意義。文獻［2］的研究表明無粘性粗顆粒土的含水量，對抗剪強度指標的影響較小，如圖1所示。在進行砂卵石無粘性粗顆粒土的工程設計和施工時，可不考慮雨季對工程的影響。

4 粒徑對抗剪強度的影響

粗顆粒土的粒徑大小是決定其抗剪強度的重要因素［2，14］，這是由于粗顆粒土的咬合力主要由三部分組成:1)粗骨料的強度;2)細骨料的強度;3)顆粒之間的相互咬合力和摩擦力。當粒徑較大時，粗骨料起到骨架的作用，此時咬合力由粗骨料的強度決定，所以隨著粒徑的增大，咬合力明顯增大;對于砂卵石土的摩擦作用，主要由顆粒間脫離咬合狀態而移動所發生的咬合摩擦和顆粒間滑動時所產生的滑動摩擦組成。所以，在級配良好的情況下，咬合摩擦起決定性作用，所以隨著粒徑的增大，摩擦角也增大。

但必須指出的是，最大粒徑對抗剪強度的影響是相對的，還要受到粗顆粒含量的制約，即只有當粗顆粒含量一定時，抗剪強度才隨最大粒徑的增大而增大。

5 粗粒含量對抗剪強度的影響

粗顆粒的含量是影響粗顆粒土抗剪強度最主要的因數之一，也是眾多學者研究的熱點［3，8，10-12］。

實際工程中習慣將5mm作為粗顆粒與細顆粒的分界粒徑，即粒徑大于5mm的顆粒為粗顆粒，其余為細顆粒，用P5表示粗顆粒的含量。粗顆粒土土體結構類型根據粗粒含量可分為懸浮密實結構、骨架密實結構和骨架孔隙結構。當粗粒含量低于30%時，由于細顆粒含量較多，粗粒之間彼此不能接觸，只是懸浮于細顆粒中，土體結構就是懸浮密實結構，土的抗剪強度主要受細顆粒控制，抗剪強度隨粗粒含量的增大變化不大;當粗粒含量位于30%～70%時，粗粒之間開始相互接觸，粗粒之間的咬合作用開始發揮作用，抗剪強度隨粗粒含量的增大而增大，這時土的抗剪強度受粗細顆粒同時控制;當粗顆粒含量在70%左右時，粗顆粒之間能相互接觸形成穩定密實的骨架，細顆粒又恰好能密實的填充于粗粒之間的間隙中，土體結構就是骨架密實結構，這時抗剪強度達到最大值;隨著粗粒含量的繼續增加，由于細顆粒含量減少不足以填充滿粗粒之間的間隙，土體結構就是骨架孔隙結構，抗剪強度隨粗粒含量的增大反而有所降低。

6 結語

抗剪強度是粗顆粒土主要工程特性指標之一，是各類土石類工程穩定分析的依據。本文從粗顆粒土抗剪強度的定義出發，簡要介紹了粗顆粒土顆粒破碎、含水率、最大粒徑以及粗粒含量等對粗顆粒土抗剪強度的影響，并討論了粗顆粒土顆粒破碎的影響因數。

［1］ 傅 華，凌 華，蔡正銀.粗顆粒土顆粒破碎影響因素試驗研究［J］.河海大學學報，2009，37(1):75-79.

［2］ 張玲玲，姚 勇.四川西北地區砂卵石的直剪切試驗研究［J］.路基工程，2008(3):162-163.

［3］ 劉萌成，高玉峰，劉漢龍.粗粒料大三軸試驗研究進展［J］.巖土力學，2009，23(2):217-221.

［4］ 劉 堯，盧廷浩.粗顆粒大型單剪顆粒破碎試驗研究［J］海大學學報，2009，37(2):175-178.

［5］ 陳希哲.粗粒土的強度與咬合力的試驗研究［J］.工程力2007，11(4):56-63.

［6］ 劉漢龍，秦紅玉，高玉峰.堆石粗粒料顆粒破碎試驗研［J］.巖土力學，2006，26(4):562-566.

［7］ 田堪良，張慧莉，駱亞生.堆石料的剪切強度與應力—應特性［J］.巖石力學與工程學報，2008，24(4):657-661.

［8］ 李 振，邢義川.干密度和細粒含量對砂卵石及碎石抗剪度的影響［J］.巖土力學，2008，27(12):2255-2260.

［9］ 郭慶國.關于粗粒土抗剪強度特性的試驗研究［J］.水利報，2009(5):59-65.

［10］ 凌 華，傅 華，韓華強.顆粒破碎對堆石料靜動力特性響的試驗研究［J］.水利與建筑工程學報，2009，8(4)47.

［11］ 劉松玉，邱 鈺，童立元.煤矸石的強度特征試驗研究［巖石力學與工程學報，2005，25(1):199-205.

［12］ 趙 川，石晉旭，唐紅梅.三峽庫區土石比對土體強度參影響規律的試驗研究［J］.公路，2007(11):32-35.

［13］ 傅志安，鳳家驥.混凝土面板堆石壩［M］.武漢:華中理大學出版社，1993.

［14］ 董 云，柴賀軍.土石混合料剪切面分形特征的試驗研［J］.巖土力學，2007，28(5):1015-1020.