含水率和顆粒級配對稍密碎石土抗剪性能及地基承載力的影響

盧黎+王華飛+胡岱文

摘要：碎石土因特殊的工程特性而被科研人員關注，但對大粒徑、粉質粘土填充、稍密狀態下碎石土的力學性能涉足較少。根據該類型碎石土特點及大量勘察結果配置出兩種比較典型級配的稍密碎石土，通過大型直剪試驗儀測定了不同含水率狀態下碎石土試樣的抗剪強度，繪制剪應力與水平位移的關系圖，通過一元回歸得出稍密碎石的抗剪強度指標c、φ值，分析了不同含水率、不同級配對稍密碎石土抗剪性能的影響。結果表明：隨著含水率的增大，碎石土粘聚力總體呈減小趨勢，但變化趨勢具有顯著的階段性且和粉質粘土的含量有關，含水率變化對碎石土內摩擦角的影響較小。用規范推薦方法計算了該類型碎石土地基承載力，并與地方規范經驗取值和勘察工程實踐取值進行了對比，結果表明：含水率對地基承載力影響較大，且與碎石土填充物的粉質粘土含量有關，粉質粘土含量越高，承載力影響越大。

關鍵詞：粉質粘土碎石；含水率；抗剪強度；地基承載力

中圖分類號：TU472.1文獻標志碼：A文章編號：16744764（2017）03013807

Abstract：Because of the special engineering characteristics of the gravel soil， it causes more and more attention. However， there are less research about the mechanical properties of the crushed stone soil with large particle size， silty clay and slightly dense state. According to the characteristics of this type of gravel soil and the results of statistical survey， two typical gradation of slightly dense gravel soil are determined. The shear strength of gravel soil specimen under different moisture content is measured by large direct shear apparatus， and the relationship diagram of the shear force and the horizontal displacement under different water cut rate is drawn. The shear strength indexes c，φ value are determined by univariate regression and the impact of moisture content and gradation on the shear strength is analyzed. The results show that with the increase of water content， the cohesive strength of the gravel soil is decreasing， but the change trend is significant and related to the content of cohesive soil. The change of water content has little influence on the friction angle of the gravel soil. Using the specification method to calculate the bearing capacity of foundation， and comparing with the experience value ， the results show that the influence on the moisture content of foundation bearing capacity， and is associated with the silty clay content of gravel soil filling.

Keywords：silty clay gravel； water content； shear strength； foundation bearing capacity

碎石土是指粒徑大于2 mm 的顆粒含量超過總質量50%的土，在自然界分布十分廣泛[12]。碎石土的地基承載力與碎石土體抗剪強度的力學參數有關。碎石土邊坡的剪切破壞，與滑坡巖土體的抗剪強度直接相關[3]。因此，科學地開展土力學試驗，準確地獲取碎石土的抗剪強度指標，客觀、全面地認識碎石土的抗剪性能，是解決工程中碎石土強度問題的基礎，對碎石土地基承載力分析和碎石土邊坡穩定性整治具有十分重要的作用[45]。

碎石土的抗剪強度受多種因素共同控制，其大小與碎石土的粒度成分、填充物、含水率、密實程度等因素有關[6]。Simoni等[7]、Mirghasemi等[8]的研究表明：含石量對碎石土的工程力學特性具有重要影響，碎石土的變形破壞發展特征受其內部含石量控制，進而影響著碎石土宏觀的物理力學性質。劉文平等[9]的研究表明：碎石土含水量不同，碎石引起強度變化的臨界含石量也不同。碎石含量不變時，粘結力c值隨含水量變化幅度不大，但內摩擦角φ值隨含水量變化會有較大變化。Medley[10]、Sonmez等[1112]分別采用水泥土等作為填充材料、用塊石作為骨料按照一定的含石量及定向性制作試件進行三軸剪切試驗研究。時為民等[13]對三峽庫區不同碎石含量、不同含水量的碎石土剪切強度進行了試驗研究。彭東黎等[14]的研究表明：碎石土粘聚力的大小隨著含石量的增加，表現出先逐漸增大后減小的趨勢，內摩擦角隨著含石量的增大表現出逐漸增大的趨勢；粘聚力隨含水量的增大有一定程度的增大，超過碎石土中細粒土塑限含水量后逐漸減小。另一方面，唐曉松等[15]的研究表明：碎石土地基在水長期浸泡下其承載力大大降低，可達30%左右。聶如松等[16]的研究表明：浸水后碎石土粘聚力幅度下降較大，離散性大；內摩擦角變化相對比較穩定，且降幅不大。上述研究對大粒徑、粉質粘土填充、稍密狀態下碎石土的力學性能涉及較少，筆者主要研究該類型碎石土。此類型碎石土主要分布在重慶東北地區，對該地區勘察發現：該地區分布的碎石土中有90%以上為稍密狀態，碎石土中填充物為粉質粘土的比例在95%左右，其碎石含量在50%～70%，且碎石粒徑一般在10 mm以上。該地區碎石土可歸納為稍密狀態、大粒徑、粉質粘土填充。

稍密碎石土地基承載力在地方規范中的取值范圍較大，對取值相關因素的研究不多。同時，中小工程沒有進行平板載荷試驗的條件，工程實踐中取值根據地方規范指導并結合當地經驗，造成地基承載力取值不安全或過于保守，導致取值可靠性不高。為解決這一問題，筆者針對粉質粘土填充碎石土的工程特性和地基承載力進行研究，通過測定不同含水率下的c、φ值，根據建筑地基基礎設計規范指導公式計算出地基承載力，并與地方規范關于稍密碎石土承載力取值對比。

1試驗方案

根據該類碎石土特點，現場配置兩種不同級配的粉質粘土填充稍密碎石土，通過大型直剪試驗儀測定了不同含水率狀態下碎石土試樣的抗剪強度。以往碎石土的研究一般是做三軸圍壓顆粒破碎性試驗，試驗尺寸效應很明顯，且很少考慮不同粒徑級配下顆粒破碎對抗剪強度的影響。大型直剪儀試樣尺寸較大，可以在最大程度上保留土樣的原始級配，弱化尺寸效應，且直剪試驗操作簡便、適用范圍廣、應用最為普遍[17]。

1.1試驗儀器

采用ZY502G大型直接剪切試驗機（見圖1），試樣尺寸：Ф504.6 mm×400 mm （面積2 000 cm2），最大水平推力：700 kN（水平應力0～3.5 MPa），最大垂直油缸行程：120 mm。軸向配備行程為75 mm 的位移計。

1.2試件制備

1.2.1填充物的塑液限實驗根據現場碎石土特點，采用粉質粘土作為碎石土填充物，填充物塑液限用光電式液塑限聯合測定儀進行。在雙對數坐標紙上繪制關系曲線如圖2所示。

由圖2可知，錐入深度為2 mm時的含水率為17.6%，錐入深度為17 mm時的含水率為335%。實驗所用的細粒土的塑限為17.6，液限為33.5。故其塑性指數為15.9，土樣為粉質粘土。

1.2.2碎石土級配設計按勘察數據配置兩種典型級配的碎石土。碎石土的級配指標見表1，兩種碎石土的顆粒曲線見圖3、圖4。

1.2.3含水率制定根據設計含水率以及風干含水率計算出加水量。稱取風干土樣160 kg，加水量按式（1）計算。mω=m11+0.01ω00.01（ω′-ω0）（1）式中：m為風干土樣總質量，kg；mω為土樣所需加水量，kg；ω0為風干土樣總含水率，%；ω′為制樣含水率，%。

分別配置出含水率為6%、9%、12%的碎石土。

1.2.4密實度設計由于試驗為室內試驗，通過相對密度對碎石土的密實性進行判別。當0

2試驗結果及分析

2.1碎石土剪切試驗結果

對土樣進行大型剪切試驗，以獲取原狀土樣的力學參數，試驗垂直壓力分別為100、200、300 kPa，按照土工試驗規程，在剪切實驗中，剪切位移取剪切盒直徑的1/15～1/10。試驗用剪切盒直徑為500 mm，剪切位移最大值應是50 mm，但為進一步反映土樣剪切破壞后的殘余強度，試驗剪切位移在60 mm以上，試驗結果如圖5所示。

在剪應力和水平位移關系圖中找出不同壓力下對應的最大剪應力，繪出正應力與剪應力的一次函數表達式（見圖6）并求出函數解析式，計算出c、φ值（見表2）。

2.2剪切試驗結果分析

2.2.1抗剪強度變化快慢與剪切位移關系由圖5的剪應力與水平位移關系曲線圖可知，在剪切開始到土樣破壞過程中，開始階段剪應力隨位移增大而迅速增大，在剪切位移為5 mm左右時剪切強度已經達到了90%以上，而后緩慢增加到最高點，土體破壞。隨位移的不斷加大，剪應力緩慢減小，且沒有明顯的下降趨勢。

2.2.2含水率對粘聚力的影響從表2可以看出，當含水率從6%增加到12%時，級配一含粉質粘性土碎石的粘聚力由43.3 kPa下降到13.8 kPa，下降值達到29.5 kPa。級配二含粉質粘性土碎石的粘聚力由34.3 kPa下降到5.7 kPa，下降值達到28.7 kPa。總體來講，碎石土隨著含水率的增大，粘聚力減小，且下降顯著。粘聚力隨含水率升高而下降的原因，一方面由于碎石土含水率增加，導致土體中自由水增多，結合水對土顆粒連接力下降；另一方面，土的粘聚力是土顆粒間引力和斥力綜合作用的結果，粘聚力主要由碎石土中的粉質粘性土決定。土顆粒間的水膜聯結和膠結作用對粘聚力的產生具有重要的作用，含水率越大，顆粒間的水膜聯結力越小。隨著含水率的增大，水膜聯結力逐漸減小。

2.2.3含水率對內摩擦角的影響由表2可知，相對于粘聚力，內摩擦角的變化不大。當碎石土的含水率從6%增加到12%，級配一的內摩擦角僅在3631°～29.68°之間變化，級配二的內摩擦角在4215°～39.42°之間變化，內摩擦角的幅度較小。土的內摩擦角與土的顆粒結構、大小及密實度密切相關。由于所研究的碎石土為稍密狀態下含粉質粘土碎石，粗粒含量較高，相對于細粒含量高的粘性土以及粒徑小的碎石土，含水率變化不會引起其顆粒結構、大小及密實度的顯著變化，故含水率變化對碎石土內摩擦角的影響較小。

2.2.4含石量及填充物對抗剪性能的影響級配一中粉質粘土填充物含量比級配二高，其含石量比級配二低。由表2可知，同種含水率下，級配一比級配二的粘聚力要大，內摩擦角要小。碎石土的粘聚力主要由粒徑小的粘性土提供，內摩擦角主要由粒徑較大的碎石提供，致使在碎石土中粉質粘土填充含量越高，粘聚力越大。碎石土中的碎石含量越高，內摩擦角越大。隨著含水率升高，級配一碎石的粘聚力下降幅度大，內摩擦角變化幅度也比較大，表明級配一的抗剪性能受含水率影響明顯。含水率對碎石土的抗剪性能影響與其物質組成有關，碎石土中含粉質粘土越多，碎石含量越少，含水率升高對其抗剪強度削弱越明顯。

3稍密碎石土地基承載力分析

建筑地基承載力是勘察設計的首要任務，也是基礎選型和基礎設計的重要依據。碎石土地基承載力一般需要由勘察單位根據原位試驗和土工試驗的結果給出指導的地承載力。在工程實踐中，中小工程一般只是通過地方規范經驗取值。已知該地基碎石土體的c、φ值，可由式（2）計算地基承載力fa=Mbγb+Mdγmd+Mcck（2）利用式（2）計算出該地區不同含水率下碎石土地基的承載力，并與勘察報告根據該地方規范經驗在稍密下的碎石土承載力取值取進行比較，分析勘察取值的安全性。統計該地區勘察結果，部分地基承載力見表3。根據試驗得出該地區土體c、φ值，并取多組基礎寬度b值、基礎埋深d值計算承載力，計算結果見表4。

從數據分析可知，級配一碎石土含水量由6%上升到9%時，土體承載力特征值下降了約255 kPa；碎石土含水量由9%上升到12%時，土體承載力特征值下降了約195 kPa。級配二碎石土含水量由6%上升到9%時，土體承載力特征值下降了約165 kPa；碎石土含水量由9%上升到12%時，土體承載力特征值下降了約165 kPa。級配一與級配二承載力分析可知：含水率對碎石土地基承載力影響很大，同種含水率下級配二的承載力比級配一高，隨含水率升高時，級配一土體承載力特征值下降幅度比級配二大。由于φ值對承載力的影響作用明顯，級配二的含石量比級配一高，同種含水率下對應的φ值比級配一高。級配一碎石土中粉質粘土填充含量高，含水率升高時c、φ值下降幅度大，導致碎石土地基承載力下降幅度較大。當碎石土中粉質粘土填充含量高，含水率對承載力的影響程度越明顯。

該地區承載力是根據重慶地方規范關于稍密碎石土地基承載力特征值的取值，取值范圍在200～320 kPa之間，勘察結果給出的承載力取值（見表3）在范圍內，通過c、φ值計算得到的承載力（見表4）與重慶地方規范的經驗取值比較，勘察報告關于地基承載力特征值的取值偏安全。但在表4中，當基層寬1 m、埋深在0.5 m時，基層承載力特征值只有210.3 kPa，已經接近重慶地方規范的經驗取值的下限，所以，在地基寬度較小，埋深淺且所處位置的地基含水率比較高時，根據重慶地方規范及勘察報告中關于地基承載力特征值的經驗取值時，承載力可能被高估。

4結論

1）含水率對該地區含粉質粘性土碎石的粘聚力影響較大，隨著含水率的增大，粘聚力下降明顯。含水率對碎石土的內摩擦角的影響較小。

2）對比兩種級配含水率變化對其抗剪強度的影響及承載力進行了分析，碎石土中含石量高，內摩擦角較大；含粉質粘土填充量高，粘聚力較大；碎石土的碎石含量越少，填充物的粉質粘土含量越高，含水率對抗剪強度削弱程度越明顯。

3）通過地基規范公式計算地基承載力與勘察報告給出的碎石土承載力，以及與重慶地方規范經驗取值對比可知，勘察報告給出的地基承載力特征值一般是偏安全的。但是，如果該地區含水率較高，地基寬度及埋深較小時，在根據重慶地方規范的經驗取值時，承載力可能被高估，勘察報告中關于地基承載力特征值取值的可靠度較低。

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（編輯胡英奎）