礫石量對礫質黏土抗剪強度參數影響規(guī)律的試驗研究

李 黎，顏 琳，黃 晶

(1.四川大學水利水電學院，四川成都610065;2.國電云南阿墨江發(fā)電有限公司，云南普洱665000;3.貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州貴陽550000)

黏土和礫石混合制備的礫質黏土廣泛應用于工程中，如心墻堆石壩的心墻防滲料、路基填料等[1]。而自然界中礫質黏土也分布廣泛，各類工程建設中邊坡、地基、隧道圍巖穩(wěn)定性與工程區(qū)分布的礫質黏土力學性質關聯密切[2]。因此礫質黏土強度特性的研究成為國內外眾多研究者關注的熱門課題。

油新華[3]對三峽庫區(qū)廣泛分布的礫質土抗剪強度特征進行了研究;趙川[4]對三峽庫區(qū)奉節(jié)、萬州地區(qū)土樣與礫石的混合體進行直剪試驗，探討不同礫石含量對土體抗剪強度參數的影響規(guī)律;Lindquist[5]對含有碎石的混雜巖土體抗剪強度與碎石含量關系進行了三軸試驗研究;王光進[6]通過直剪試驗研究了粗粒含量與強度包線、內摩擦角的關系。

本文在前人研究的基礎上，對五種礫石量的礫質黏土進行了不同圍壓下的三軸試驗，探討礫石量對礫質黏土抗剪強度參數的影響規(guī)律。

1 試驗

試驗土料為板巖礫石和黏土混合料。黏土土粒比重為2.72，最大粒徑5 mm，礫粒占8%、砂粒占47.6%、粉粒占21%、粘粒占23.4%;液限26.2%、塑限14.2%，塑性指數12.0，分類定名為低液限黏土CL。板巖礫顆粒比重2.75，最大粒徑20 mm，礫粒占97%，砂粒占3%。

對礫石量為0%、30%、40%、50%和70%的礫質黏土，分別進行不同圍壓下的三軸固結排水剪切試驗，其中σ3分別為50 kPa、100 kPa、200 kPa和 300 kPa。圓柱形試樣直徑101 mm、高200 mm，為保證試樣均勻性分5層擊實成樣。試樣采用真空與水頭聯合法飽和，固結24 h后進行試驗。試驗水溫25℃ ～27℃。

2 試驗結果

試驗獲得了五組不同礫石量礫質黏土試樣在不同圍壓下的三軸壓縮結果，繪制了偏差應力(σ1－σ3)與軸向應變ε1的關系曲線。這里給出了50%礫石量試樣的應力應變關系，如圖1所示。礫質黏土呈現出硬化型應力應變關系，符合雙曲線關系。

圖1 礫石量50%應力～應變關系

圖2 礫石量50%強度包線圖

國內外研究結果表:Mohr-Coulomb準則能較準確描述土的力學性質，而且摩爾－庫倫準則表達形式簡單，因而在學術界和工程界獲得廣泛認可。按照該準則，圖2給出了礫石量50%試樣的強度包絡線圖。包絡線為與各莫爾圓近似相切的直線，斜率為該組礫石量下礫質黏土內摩擦角的正切值tan ，直線與τ軸相交的截距為黏聚力c。按此規(guī)則，可求得各組礫質黏土的抗剪強度指標黏聚力c、內摩擦角 。不同礫石量試樣的c、 值見表1。

表1 礫質黏土抗剪強度參數

3 礫石量對強度參數的影響規(guī)律

試驗結果表明，礫石含量對抗剪強度指標黏聚力、內摩擦角有很大影響，并有一定規(guī)律可循。圖3、圖4顯示了黏聚力、內摩擦角隨礫石含量變化的關系曲線。

圖3 礫石量～黏聚力關系

圖4 礫石量～內摩擦角關系

由圖3可知，隨礫石量增加，黏聚力呈現先增后減的趨勢。按土力學基本理論，密實度越大，黏聚力越大，黏性土量越小，黏聚力越小。對于本次試驗礫質黏土，壓實度隨著礫石量的增加而增加，黏性土量隨著礫石量增加而減少。礫石量小于40%時，黏性土含量較多，密度增加帶來的黏聚力增加效應高于黏性土減少導致的黏聚力減小效應，因而黏聚力隨礫石量增加有略微增加的趨勢。礫石量大于40%后，黏聚力急劇減小，礫石逐漸占主體，黏性土減少引起的黏聚力降低遠大于密度增加帶來的黏聚力上升。礫石量大于50%之后，黏聚力下降趨勢減緩。

由圖4可知，隨礫石量增加，內摩擦角呈現逐漸增大的趨勢。內摩擦角受試樣中礫石量的控制，礫石越多，顆粒之間咬合作用越強，因而內摩擦角增大。礫石量小于30%時，較多的黏性土在礫石間的潤滑效應很明顯，內摩擦角增長緩慢。礫石量在30%～50%之間時，礫石間黏性土減少，礫石突破黏性土“封鎖”而相互直接接觸、咬合，內摩擦角迅速增長。礫石量大于50%后，逐漸開始形成礫石骨架，礫石占據主體地位，礫石量增加引起的內摩擦角增長效應減小。

4 結論

(1)礫質黏土黏聚力隨礫石含量增加呈現先升高后降低的規(guī)律。礫石量小于40%時，黏聚力隨礫石量增加有略微增加的趨勢;礫石量大于40%后，黏聚力隨礫石量增加而急劇下降;礫石量大于50%之后，黏聚力下降趨勢減緩。

(2)礫質黏土內摩擦角隨礫石量增加呈現逐漸升高的規(guī)律。礫石量小于30%時，內摩擦角增長緩慢;礫石量在30%～50%之間時，內摩擦角迅速增長;礫石量大于50%后，內摩擦角增長減緩。

[1]劉華強，閻勛念，唐波.摻礫土用作心墻料的靜態(tài)特性試驗研究[J]. 紅水河，2005，24(3):36－39

[2]徐文杰，胡瑞林，岳中琦，等.基于數字圖像分析及大型直剪試驗的土石混合體塊石含量與抗剪強度關系研究[J].巖石力學與工程學報，2008，27(5):996－1005

[3]油新華，湯勁松.土石混合體野外水平推剪試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2002，21(10):1537－1540

[4]趙川.三峽庫區(qū)土石比對土體強度參數影響規(guī)律的試驗研究[J]. 公路，2006(11):32－35

[5]ESLINDQUIST.The strength and deformation properties of melange[Ph.D.Thesis][D].Berkeley，CA:University of California at Berkeley，1994

[6]王光進，楊春和，張超，等.粗粒含量對散體巖土顆粒破碎及強度特性試驗研究[J]. 巖土力學，2009，30(12):3649－3654