水對庫區路基不同密實度碎石土的弱化試驗分析

摘要：準確測定不同含水率不同密實度下的碎石土抗剪強度參數是碎石土路基穩定分析的重要前提，選取受庫水影響的公路路基碎石土土樣，進行了不同試驗條件下的碎石土室內直剪試驗。結果表明：碎石土粘聚力隨碎石土中細粒土含水量的增加呈先增加后減小的現象，而內摩擦角則隨細粒土含水量的增大呈現初始緩慢降低，而后急劇減小的趨勢。若制備土樣時的預壓力值不同，特別是該預壓力值小于直剪試驗時對土樣施加的正應力值時，試驗擬合所得的抗剪強度參數值會受到其影響，表現有所差異。

關鍵詞：碎石土；抗剪強度參數；含水率；密實度

中圖分類號：TU411

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764（2013）04-0094-07

土石混合物是一種常見的地質體，也是第四系堆積物的重要組成成分。現有的《工程地質手冊》、巖土工程勘察規范以及其它規范中，該類地質體被稱為碎石土^{[1-2 ]}。碎石土在中國也分布廣泛，但區域性較為明顯。重慶、四川、云南等省市所處的西南地區，由于其特殊的地形（山地）、地物（根系發達的植被較為發育）以及氣候特征（雨水豐富），碎石土的分布就更為廣泛一些。由于這些地質體具有量大、來源極其方便，工程實踐又證明其經壓實后具有高強度、低壓縮性和良好滲透性等特點，故歷來是路基施工的首選原材料。

劉東燕，等：水對庫區路基不同密實度碎石土的弱化試驗分析

通常情況下，碎石土是一種物理力學性質介于土體和巖體之間的一種特殊地質體，其性質與單純的土體或者巖體有著顯著地不同，其本身由于碎石與土之間的分布比例、膠結形式、碎石的粒徑大小、排列方式、密實程度等因素對其抗剪強度參數的影響較土體和巖體更為復雜^[3-4]，水庫庫區內的路基碎石土還會受到水位變動的影響。當含石量較少時，其性質類似于土體，但隨著含石量的逐漸增長，碎石土又會逐漸顯現出巖體的一些性質。如何深入探究碎石土的性質特點，進而將研究結果用到工程實踐之中，業已成為相關領域研究人員所關注的熱點。如文獻[5]從大量的原位直剪試驗結果統計說明，進行碎石土直剪試驗時應充分考慮諸多影響因素；劉文平等^[6]通過對三峽庫區不同含水量和不同含石量碎石土的剪切強度及參數的研究，確定了不同條件下（含石量、含水量）水對三峽庫區碎石土強度的弱化作用；同樣的，李維樹等人也從不同含水量和不同含石量碎石土的剪切強度方面展開研究，提出了不同碎石含量下抗剪強度參數值隨著含水率變化的經驗型弱化公式^[3-7]。這些研究成果帶來的積極效應，也逐漸在各個方面得到了印證^[8-9]。但對于工程施工人員來講，大家更為關注的是碎石土在不同含水量條件下的密實程度以及相應的抗剪性能，因為該指標直接與路基土體的穩定性能相聯系。為此，筆者將從不同土體密實度條件下，水對碎石土強度產生的弱化影響方面展開研究，以期所得結果能對已有成果進行有益的補充。

1試驗背景及設計

1.1試驗背景

對位于三峽庫區內的公路而言，其碎石土路基將受到庫區水位周期性變動（145～175 m）的影響，路基邊坡的穩定性能也會隨著碎石土內進（出）水量的不同而產生變動，水庫蓄水后，很多路段還會產生碎石土濕化沉降的現象。因而，含水量、密實度不同時碎石土的強度性能將是路基夯筑時的重要依據。基于此，依據本文的研究目的，在受庫水影響的G318巫同某路段隨機取6組土樣進行前期試驗，原狀碎石土見圖1，前期篩分試驗所得結果及土樣相應的級配曲線如圖2所示。

1.2試驗設計

室內試驗用碎石土來自原碎石土的級配篩分，其中碎石以風化碎裂的灰巖和砂巖為主，細粒土主要是粉質粘土。碎石土室內試驗試件制作時，先將碎石及粘性土烘干，按試驗設計級配進行配料。試驗用級配采用6組土樣自然級配的平均值，用等量替代法將粒徑超大（>40 mm）的碎石用 5～40 mm的顆粒進行替代，得到試驗用的替代級配。用替代級配設計不同細粒土（粒徑<5 mm的顆粒）含量的碎石土試樣。由于碎石土中碎石具有吸水特性，替代級配碎石土中5 mm以上碎石部分按其質量的5%加水以使其充分浸潤，5 mm以下細粒土按其質量的5%、10%、15%、20%和25%加水攪拌均勻，因此以細粒土的含水量來表征碎石土的整體含水量。再施加200 kPa的垂直壓力持續至變形穩定后，量測試樣高度，確定試樣密度。將在三級法向應力條件下對試樣進行直剪試驗，依據試驗結果可擬合得到碎石土樣在不同含水量和密實度條件下的抗剪強度參數。

不同含水量、細粒土含量下的碎石土密度試驗結果見圖3、圖4。從圖3試驗結果可以看出，在含水量不變時，碎石土密度會隨著細粒土的含量增加而逐漸增加，當達到最大值時，又隨著細粒土含量的增加而逐漸減小。產生這種現象的原因在于：在垂直壓力不變時（200 kPa），含量較少的細粒土無法填滿碎石土中的碎石與碎石之間構建的碎石土骨架孔隙；隨著細粒土含量增加，碎石土骨架之間的孔隙逐漸被填充滿，此時的碎石土密度達到最大值。

當細粒土含量進一步增加時，碎石被細粒土包裹后無法形成骨架。在200 kPa壓力下制作成的碎石土樣中，大部分碎石孔隙被密度較小的細粒土取代，因而整個碎石土的密度會開始產生下降。由圖4試驗結果可知，在碎石土中細粒土含水量較小時，隨著細粒土含水率的增加，碎石土密度也隨之增加并達到最大值。在達到最大值之后，碎石土干密度則隨細粒土含水率的增加而減小。碎石土最大干密度所對應的細粒土含水率即為碎石土的最優含水率（通常在細粒土的塑限左右），不同級配試驗碎石土最大干密度對應于碎石土中細粒土的含水率有所不同，但均在15%～20%之間。

2不同含水量下的碎石土直剪試驗

根據碎石土密度試驗結果，不同級配碎石土最大干密度對應其細粒土的最優含水率在15%～20%之間，因此在設計不同含水率下碎石土直剪試驗時確定細粒土含水量為10%、15%、20%及25%。試驗采用應變控制式直剪儀^[6]，試件配料同前，尺寸為250 mm×250 mm×250 mm。制作完成后裝入剪切盒中并施加200 kPa的垂直壓力預壓至變形穩定后卸載。試驗時分別施加100、200、300 kPa的法向應力，為了使試驗進行中所產生的土樣超孔隙水壓力能夠得以充分消散，待固結變形穩定后以0.025 4 mm/min的剪切速率進行試驗。應控制剪切變形達到試樣直徑的1/10時方可停止試驗。抗剪強度取值時，當剪應力τ與水平位移ΔL關系曲線上存在峰值或穩定值時，取峰值或穩定值作為抗剪強度。如無明顯峰值，則取水平位移達到試件直徑1/15～1/10處的剪應力作為抗剪強度。

總體來看，細粒土的含水量對碎石土粘聚力的影響可分為兩個階段：在細粒土的含水量小于20%時，隨細粒土含水量的增加，碎石土粘聚力呈緩慢增加的趨勢。當細粒土的含水量大于20%時，再增加細粒土的含水量，碎石土粘聚力就呈現出較為明顯的降低趨勢。其原因在于，在同一預壓力下，在細粒土含水量較小時隨細粒土含水量的增加，碎石土體穩定時能達到的密實度也增加，當達到最優含水量時，碎石土密度達到最大值，此時粘聚力也達到峰值。當超過最優含水量時，隨細粒土含水量的增加，碎石土密實度降低，密度也隨之下降，粘聚力相應減少，從而呈現出粘聚力隨含水量的增加先增加后減小的現象。而細粒土含水量與內摩擦角之間會呈現出不同的發展趨勢：當細粒土含水量較小時，碎石土內摩擦角隨細粒土含水量的變化而降低的趨勢并不明顯。當細粒土含水量超過15%之后，隨碎石土含水量增加，內摩擦角急劇降低。這主要是由于土粒遇水軟化，本身力學性質下降，同時土體狀態發生改變，由硬塑進入可塑狀態，降低了不同粒徑土（石）體顆粒之間的摩阻力，從而進一步導致碎石土內摩擦角的降低。由此，可認為碎石土中的細粒土含量及相應的細粒土含水量是決定整個碎石土強度和宏觀變形性能的關鍵因素。

碎石土這樣的性質特征得到了一些學者的試驗驗證^[10-13]，其也被認為是碎石土所特有的性質。如對處于一定含水量范圍內的粘質土體而言，隨著含水量的逐漸增加，土體粘聚力會逐漸降低，而土體內摩擦角卻變化不大，也即土體強度的變化主要是通過其粘聚力的變化來體現的^[14-16]。這說明水對碎石土和土體的強度產生弱化效應的機理是不同的。但2種地質體之間還是存在共同的力學特性的，也即在密實度保持不變的情況下，碎石土強度值與粘質土體強度值均會與含水量存在非線性的反比例關系。

3不同密實度下碎石土直剪試驗

路基碎石土密實度與其抗剪強度參數有著密切的關系，為考慮不同密實度對碎石土路基的抗剪強度的影響，分別采用300、400 kPa的預壓（應）力制備試驗試件，測定細粒土含水量為10%、15%、20%及25%時的抗剪強度指標，并與200 kPa預壓力預壓試件的抗剪強度試驗數據進行對比。考慮到工程實際中碎石土土石比多在30%～70%之間，因此選擇了細粒土含量40%和60%的上述試件試驗級配，其它試驗設計及試驗方案同上。試驗所得結果見表6～9和圖6、7。

從300、400 kPa預壓力下所制備試件在各含水率時的抗剪強度值可以看出，隨著制備試件預壓力的增加，抗剪強度值相應增加。但需要注意的是，當試驗正應力達到300 kPa時，采用300 kPa預壓試件的抗剪強度值與200 kPa預壓試件的抗剪強度值基本相等。原因在于，采用300 kPa預壓的壓力值與此時采用200 kPa預壓制備試件的試驗正應力值相等，試驗時2種試件均承受了同等正應力并且達到固結穩定，試件密實度及密度都基本相等，從而表現出剪應力試驗值差異較小。

從不同含水率及密實度下的抗剪強度參數隨預壓力值的變化趨勢看出，當制備試件時的預壓力由200 kPa增大到300 kPa時，不同含水量下的碎石土粘聚力明顯增大，但內摩擦角有所降低。當制備試件時的預壓力由300 kPa增大到400 kPa時，不同含水量下的粘聚力繼續緩慢增加，但此時內摩擦角不再降低，還稍有增加。其原因在于，采用300 kPa對試件預壓時，相對200 kPa預壓，在試驗正應力為100及200 kPa時，試件的密實度高，密度大，

在試驗中表現出剪應力增加。但當試驗正應力達到300 kPa時，采用300 kPa預壓試件的正應力值與此時200 kPa預壓試件時的試驗正應力值相等，此時對于兩試件來講，其在試驗開始時的密實度就基本相同，從而表現出剪應力試驗值基本相同。而在所得試驗結果基礎上對采用300 kPa預壓試件的粘聚力和內摩擦角進行擬合計算時，導致擬合出的粘聚力大幅增加，內摩擦角卻有所降低。當進一步提高試件的預壓力至400 kPa，試驗施加的各正應力值均小于預壓正應力值，400 kPa預壓的試件的密實度在各試驗正應力下相對300 kPa預壓的試件密實度均大，從而表現出粘聚力和內摩擦角都有所增加。

4結論

以三峽庫區路基現場的碎石土為分析對象，對碎石土在不同含水率和不同密實度的剪切強度及強度參數變化規律進行研究，得到如下結論：

1）在同一級配細粒土含量中，碎石土內細粒土的含水量在到達最優含水量之前，碎石土粘聚力會隨著含水量的增加逐漸增大，當含水量到達最優含水量之后，碎石土粘聚力隨著含水量的增加開始呈現減小的現象。當細粒土含水量超過15%之后，碎石土遇水軟化效應明顯，內摩擦角會急劇降低。

2）不同細粒土含量對碎石土路基的密實度有重要影響，當細粒土含量達50%左右時，碎石土達到最大干密度。在同一細粒土含水量中，碎石土抗剪強度隨著其密實度的增加而增強。

3）不同密實度下的碎石土室內直剪試驗結果表明，室內直剪試驗制備試件時的預壓力值不同，特別是制備試件時預壓力值小于試驗正應力值時，試驗擬合得到的抗剪強度參數會受到其影響，表現有所差異。

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（編輯王秀玲）