趙明志 ，鄧龍翔 ，劉鋼 ，羅強(qiáng)，李彥罡

(1.西華大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610039；2.西華大學(xué) 巖土工程研究所，四川 成都 610039；3.西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

路基基床是承受列車動(dòng)荷載和自然應(yīng)力的重要部分。目前我國(guó)鐵路工程建設(shè)中，多采用級(jí)配碎石類具有優(yōu)良工程特性的粗粒土作為基床填料。級(jí)配碎石是一種具有良好變形、強(qiáng)度和滲透特性的粗粒土混合料，它的力學(xué)特性也成為鐵路路基基床設(shè)計(jì)的重要參考依據(jù)。研究表明，壓實(shí)系數(shù)、圍壓和含水狀態(tài)會(huì)影響級(jí)配碎石的力學(xué)特性。冷伍明等[1]在圍壓為50，100和150 kPa條件下對(duì)級(jí)配碎石進(jìn)行三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)壓實(shí)系數(shù)從0.95 增加到0.97 時(shí)，其峰值強(qiáng)度增加12.9%～21.1%。陳堅(jiān)等[2]對(duì)級(jí)配碎石進(jìn)行了大直剪試驗(yàn)，認(rèn)為壓實(shí)系數(shù)0.93 是土體結(jié)構(gòu)骨架密實(shí)或疏松的分界點(diǎn)。郭慶國(guó)[3]認(rèn)為密實(shí)粗粒土在剪切時(shí)會(huì)有顯著的剪脹性，且剪脹變形會(huì)影響其孔壓變化。因此，密實(shí)度對(duì)級(jí)配碎石剪切特性有顯著影響。IN‐DRARATNA 等[4]在1～240 kPa 之間的低圍壓條件下對(duì)道砟進(jìn)行三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)土體表現(xiàn)為應(yīng)變軟化和剪脹。秦紅玉等[5]在300～1 200 kPa 的中高圍壓條件下對(duì)相近壓實(shí)系數(shù)粗粒土進(jìn)行三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系則表現(xiàn)為應(yīng)變硬化和剪縮。褚福永等[6]基于三軸試驗(yàn)，認(rèn)為密度相同條件下，圍壓越小，土的剪脹性越強(qiáng)，說(shuō)明圍壓對(duì)土體的應(yīng)力應(yīng)變特性會(huì)產(chǎn)生一定影響。此外，DUONG等[7]通過(guò)對(duì)不同細(xì)粒含量路基填料進(jìn)行三軸試驗(yàn)，指出當(dāng)細(xì)粒含量增加時(shí)，非飽和土強(qiáng)度會(huì)稍微增加，而飽和土強(qiáng)度則會(huì)明顯下降。ISHIKAWA 等[8]基于不同含水狀態(tài)下道砟強(qiáng)度的變化規(guī)律，得出對(duì)于同一種土，含水率越高，強(qiáng)度越低。除壓實(shí)系數(shù)、圍壓和含水狀態(tài)因素外，級(jí)配碎石的力學(xué)特性還與細(xì)粒含量有關(guān)。HOLTZ等[9]通過(guò)大型三軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，增加土體中細(xì)顆粒含量會(huì)提高其強(qiáng)度，但細(xì)顆粒超過(guò)35%后，強(qiáng)度反而降低。凌華等[10]通過(guò)三軸排水剪切試驗(yàn)得出，對(duì)于巖性一致、密度相同的粗粒土，隨著細(xì)粒含量提高，其黏聚力降低，內(nèi)摩擦角提高。李小梅等[11]采用三軸剪切試驗(yàn)研究不同級(jí)配和密度對(duì)碎石強(qiáng)度和變形的影響，指出試樣越密實(shí)，細(xì)粒含量越多，圍壓越低，應(yīng)變軟化及剪脹現(xiàn)象越明顯。TAHA 等[12]借助離散元對(duì)不同細(xì)粒含量級(jí)配碎石力學(xué)特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)細(xì)粒含量低于20%時(shí)，土體力學(xué)特性由粗顆粒形成的骨架控制。葉陽(yáng)升等[13]對(duì)路基填料分類資料進(jìn)行分析，指出細(xì)粒含量會(huì)改變土的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，當(dāng)細(xì)粒含量在5%～15%時(shí)，粗顆?？刂乒羌埽?xì)?？商顫M孔隙，此時(shí)土體結(jié)構(gòu)最為緊密。綜上所述，學(xué)者以壓實(shí)系數(shù)、圍壓、含水狀態(tài)和細(xì)粒含量等為主要影響因素，針對(duì)級(jí)配碎石的變形和強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究，并取得了豐富成果。然而，高速鐵路基床級(jí)配碎石填料長(zhǎng)期處于高壓密狀態(tài)，其細(xì)粒含量和含水狀態(tài)受地域、環(huán)境、氣候等因素影響較大，因此探討不同細(xì)粒含量高壓密級(jí)配碎石在不同含水狀態(tài)下的力學(xué)特性具有現(xiàn)實(shí)意義。以不同細(xì)粒含量、壓實(shí)系數(shù)為0.97 的級(jí)配碎石作為研究對(duì)象，通過(guò)在不同含水狀態(tài)下進(jìn)行三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，探討不同細(xì)粒含量高壓密級(jí)配碎石力學(xué)特性變化規(guī)律，為高速鐵路基床表層中級(jí)配碎石填料的選取提供理論參考。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣采用天然的漂石和卵石經(jīng)機(jī)械破碎后形成大小各異的碎石顆粒，顆粒所屬巖石類型以花崗巖為主，夾雜部分石英石和石英砂巖等。制備試樣前，先將粗粒土混合料進(jìn)行篩分，過(guò)篩的粗粒土按粒徑大小分為0～0.075 mm，0.075～0.5 mm，0.5～2 mm，2～5 mm，5～10 mm，10～20 mm 和20～40 mm 等7個(gè)粒徑組，其中細(xì)粒指粒徑小于或等于0.075 mm 的土。試驗(yàn)設(shè)置了細(xì)粒含量分別為0%，5%，10%和20%的級(jí)配碎石試樣，其級(jí)配曲線如圖1所示。經(jīng)計(jì)算，細(xì)粒含量為0%，5%，10%和20%的級(jí)配碎石試樣不均勻系數(shù)Cu分別為46.12，66.67，120.00 和948.00，曲率系數(shù)Cc分別為2.15，2.67，2.90 和2.12。根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10621—2014)規(guī)定，各細(xì)粒含量試驗(yàn)土樣級(jí)配良好。

圖1 級(jí)配碎石試樣的級(jí)配曲線Fig.1 Grading curves of graded gravel samples

根據(jù)《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》(TB10102—2010)中相關(guān)規(guī)定，進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，得到細(xì)粒含量不同的級(jí)配碎石試樣含水率與干密度之間的關(guān)系，進(jìn)而得到不同細(xì)粒含量試樣的最優(yōu)含水率wopt和最大干密度(ρd)max，如表1 所示。由表1 可知，其他條件相同時(shí)，試樣最大干密度(ρd)max先隨細(xì)粒含量增加而增加，然后隨細(xì)粒含量增加而減小，細(xì)粒含量10%的試樣最大干密度達(dá)到峰值，為2.37 g/cm3。

表1 各級(jí)配碎石試樣的最優(yōu)含水率和最大干密度Table 1 Optimum water content and maximum dry density of graded gravels

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

試驗(yàn)采用英國(guó)GDS 公司研發(fā)設(shè)計(jì)的三軸試驗(yàn)系統(tǒng)。該三軸試驗(yàn)系統(tǒng)可開(kāi)展砂土、黏土等小尺寸(直徑為50 mm，高度為100 mm)試樣的三軸試驗(yàn)。然而，試驗(yàn)所用級(jí)配碎石試樣直徑為150 mm，高度300 mm，原三軸系統(tǒng)已不能滿足本次試驗(yàn)的要求。對(duì)原三軸系統(tǒng)的的底座進(jìn)行了改裝，并增設(shè)了法蘭盤(pán)，用來(lái)支持更大尺寸的壓力室。此外，為了實(shí)現(xiàn)固結(jié)過(guò)程中對(duì)大壓力室圍壓水的持續(xù)供給，采用無(wú)限圍壓體積切換裝置，利用2個(gè)圍壓體積控制器交替供給圍壓水，實(shí)現(xiàn)大尺寸壓力室圍壓的恒定控制。改裝后的三軸試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 改裝后GDS三軸試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Modified GDS triaxial test system

1.3 試樣制備

為保證試樣制備的均勻性，采用分層壓實(shí)法制備試樣。試樣直徑為150 mm，高度為300 mm，壓實(shí)系數(shù)為0.97。制備試樣前，按最優(yōu)含水率配制土樣，并平均分為5 份；制樣時(shí)將5 份土樣分5 層進(jìn)行填筑，每層土樣的厚度控制在60 mm，且每層土樣壓實(shí)后需對(duì)土樣表面進(jìn)行刨毛才可進(jìn)行下一層土樣的填筑和壓實(shí)；試樣制備完畢后將其頂面整平。

對(duì)于需要進(jìn)行飽和的試樣，先將其按最優(yōu)含水率制備，再置于真空飽和缸中，對(duì)真空飽和缸抽氣至一個(gè)負(fù)大氣壓，然后在持續(xù)抽氣的過(guò)程中對(duì)飽和缸緩慢注水，待試樣被淹沒(méi)后停止抽氣和注水，利用大氣壓使試樣飽和。靜置一晚后，測(cè)定其孔壓系數(shù)B，若B大于0.95，則認(rèn)為試樣達(dá)到飽和，若B小于0.95，則還需進(jìn)行反壓飽和。在反壓飽和時(shí)，反壓應(yīng)分級(jí)施加，并同時(shí)分級(jí)施加圍壓，始終保持有效圍壓為30 kPa，直到B大于0.95為止。

1.4 試驗(yàn)方案

在最優(yōu)含水率狀態(tài)和飽和狀態(tài)的條件下，分別對(duì)細(xì)粒含量為0%，5%，10%和20%的級(jí)配碎石試樣進(jìn)行固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)(CU)。由于級(jí)配碎石一般用于高速鐵路路基基床表層填筑，上覆壓力通常較低，故將圍壓σ3設(shè)置為20，40和60 kPa。

在剪切開(kāi)始前，先對(duì)試樣進(jìn)行等壓排水固結(jié)，當(dāng)孔隙水壓力接近于0且排水量不再增加時(shí)，則認(rèn)為固結(jié)完成。待試樣固結(jié)完成后關(guān)閉排水閥門(mén)，采用應(yīng)變控制方式施加偏應(yīng)力進(jìn)行不排水剪切試驗(yàn)，剪切速率為1.5 mm/min，當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)停止剪切，試驗(yàn)結(jié)束。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖3 是圍壓分別為20，40 和60 kPa 下，不同細(xì)粒含量級(jí)配碎石試樣在不同含水狀態(tài)時(shí)的偏應(yīng)力(σ1～σ3)和軸向應(yīng)變(ε)關(guān)系曲線，圖中以FC(fine content)表示級(jí)配碎石試樣的細(xì)粒含量，以SMC(saturation moisture content) 和OMC(optimal moisture content)分別表示飽和狀態(tài)和最優(yōu)含水率狀態(tài)。

由圖3(a)可知，在圍壓為20 kPa 的條件下，細(xì)粒含量分別為0，5%，10%和20%的級(jí)配碎石試樣在不同含水狀態(tài)時(shí)，偏應(yīng)力隨著軸向應(yīng)變的增大而增大，當(dāng)偏應(yīng)力達(dá)到峰值后，隨著軸向應(yīng)變的繼續(xù)增大，偏應(yīng)力緩慢減小，最后趨于穩(wěn)定，應(yīng)力應(yīng)變曲線均表現(xiàn)為應(yīng)變軟化。但是飽和試樣的應(yīng)變軟化程度較最優(yōu)含水率試樣小，這是因?yàn)樵诩羟羞^(guò)程中，飽和試樣產(chǎn)生的負(fù)孔壓比最優(yōu)含水率試樣大(見(jiàn)圖4)，因此飽和試樣的有效圍壓也比較大。已有研究表明，較大的有效圍壓有利于增強(qiáng)試樣強(qiáng)度，從而削弱試樣的軟化程度，故飽和試樣的應(yīng)變軟化程度較最優(yōu)含水率試樣小，飽和后曲線軟化現(xiàn)象也有所減弱。除此之外，無(wú)論是最優(yōu)含水率狀態(tài)還是飽和狀態(tài)，在各細(xì)粒含量級(jí)配碎石試樣中，細(xì)粒含量為10%的級(jí)配碎石具有最大峰值強(qiáng)度。與此同時(shí)，細(xì)粒含量10%的試樣在飽和后峰值強(qiáng)度有所下降，相反，其他細(xì)粒含量級(jí)配碎石在飽和后峰值強(qiáng)度有所提高。圖中，細(xì)粒含量為10%的級(jí)配碎石在最優(yōu)含水率狀態(tài)時(shí)的峰值強(qiáng)度為630 kPa 左右，其他細(xì)粒含量級(jí)配碎石的峰值強(qiáng)度在280～320 kPa 之間浮動(dòng)，而飽和后，細(xì)粒含量為10%的級(jí)配碎石峰值強(qiáng)度在520 kPa 左右，較最優(yōu)含水率試樣減少了17.5%，其他細(xì)粒含量級(jí)配碎石的峰值強(qiáng)度則在340～380 kPa之間浮動(dòng)，增加了18.8%～21.4%。

圖3 不同細(xì)粒含量級(jí)配碎石試樣偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系Fig.3 Relationship between deviatoric stress and axial strain of graded gravels with different fine contents

圖4 不同細(xì)粒含量級(jí)配碎石試樣孔壓與軸向應(yīng)變關(guān)系Fig.4 Relationship between pore pressure and axial strain of graded gravels with different fine contents

圖3(b)和3(c)中，圍壓為40 kPa 和60 kPa 時(shí)，不同含水狀態(tài)下各細(xì)粒含量級(jí)配碎石試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)與圖3(a)相同，仍屬于應(yīng)變軟化型；同一圍壓下級(jí)配碎石試樣飽和后，其應(yīng)力應(yīng)變曲線軟化現(xiàn)象有所減弱；試樣峰值強(qiáng)度隨細(xì)粒含量和含水狀態(tài)變化的規(guī)律也和圖3(a)一致。對(duì)比圖3(a),3(b)和3(c)可知，2 種含水狀態(tài)下，隨著圍壓的增大，各細(xì)粒含量級(jí)配碎石的峰值強(qiáng)度也隨之增大。如細(xì)粒含量為20%的最優(yōu)含水率級(jí)配碎石試樣，圍壓為20 kPa 時(shí)的峰值強(qiáng)度為324 kPa，在圍壓分別為40 kPa 和60 kPa 時(shí)，峰值強(qiáng)度增加到430 kPa和588 kPa。

此外，在最優(yōu)含水率狀態(tài)時(shí)，盡管不同細(xì)粒含量級(jí)配碎石試樣的峰值偏應(yīng)力各不相同，但其達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)的軸向應(yīng)變都在2%附近。在飽和狀態(tài)時(shí)，3 種圍壓下不同細(xì)粒含量級(jí)配碎石試樣峰值點(diǎn)處的應(yīng)變值各有不同，其中細(xì)粒含量為10%的級(jí)配碎石試樣達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)的軸向應(yīng)變均大于2%，其平均應(yīng)變?yōu)?.1%，而細(xì)粒含量為0%，5%和20%的級(jí)配碎石試樣達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)，其平均應(yīng)變分別為1.7%，2.0%和1.1%。說(shuō)明細(xì)粒含量為10%的級(jí)配碎石在飽和后達(dá)到最大強(qiáng)度時(shí)，其變形量較最優(yōu)含水率狀態(tài)下有所增大，而其他細(xì)粒含量級(jí)配碎石飽和后達(dá)到最大強(qiáng)度時(shí)的變形量較最優(yōu)含水率狀態(tài)下有一定程度減小。因此，10%細(xì)粒含量級(jí)配碎石飽和后抵抗變形的能力較其他細(xì)粒含量試樣更強(qiáng)。

2.2 孔壓曲線

圖4 是圍壓分別為20，40 和60 kPa 下，不同含水狀態(tài)時(shí)各細(xì)粒含量級(jí)配碎石試樣的孔壓(u)和軸向應(yīng)變(ε)關(guān)系曲線。值得說(shuō)明的是，由于最優(yōu)含水率試樣處于非飽和狀態(tài)，實(shí)測(cè)孔壓既包括孔隙水壓力，還受到孔隙氣壓影響。因此，飽和土樣的孔壓一般為孔隙水壓力，最優(yōu)含水率土樣的孔壓則為孔隙水、氣總壓力。通過(guò)監(jiān)測(cè)剪切過(guò)程中整體孔壓的演變規(guī)律，來(lái)反映試樣的應(yīng)力狀態(tài)變化情況。同時(shí)，試樣剪切過(guò)程的初始孔壓也較小，僅在0～3 kPa之間變化。

由圖4(a)可知，在圍壓為20 kPa時(shí)，在剪切初期，隨著軸向應(yīng)變的增大，不同含水狀態(tài)下各細(xì)粒含量級(jí)配碎石試樣孔壓有小幅上升，并很快降到零點(diǎn)，隨著軸向應(yīng)變的繼續(xù)增大，負(fù)孔壓(最優(yōu)含水率土樣為負(fù)孔隙水、氣總壓力)持續(xù)發(fā)展，最后趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)樵诓慌潘羟羞^(guò)程初期由于輕微壓密作用，使試樣的體積減小，造成孔壓正增長(zhǎng)，但由于試樣壓實(shí)系數(shù)較高，孔壓上升并不顯著；隨著剪切不斷進(jìn)行，試樣結(jié)構(gòu)由強(qiáng)化向破壞發(fā)展，從而引起試樣體積脹大，孔壓開(kāi)始減小并向負(fù)值發(fā)展；試樣破壞后，顆粒運(yùn)動(dòng)基本完成，體積變化趨于穩(wěn)定，孔壓也逐漸趨于某一定值。此外，各細(xì)粒含量級(jí)配碎石試樣在達(dá)到臨界破壞時(shí)，飽和狀態(tài)時(shí)的負(fù)孔壓均比最優(yōu)含水率狀態(tài)時(shí)大。這是因?yàn)橥馏w中水比氣體更難壓縮，致使在剪切作用下飽和試樣產(chǎn)生更大的負(fù)孔壓。圖4(b)和4(c)中，圍壓為40 kPa和60 kPa時(shí)，各細(xì)粒含量級(jí)配碎石在不同含水狀態(tài)下的孔壓和軸向應(yīng)變關(guān)系曲線形態(tài)與圖4(a)一致，且臨界破壞時(shí)負(fù)孔壓在飽和狀態(tài)時(shí)均比同一細(xì)粒含量下最優(yōu)含水率狀態(tài)時(shí)大。

由圖4可知，在不同圍壓下，無(wú)論是最優(yōu)含水率試樣還是飽和試樣，細(xì)粒含量為10%的級(jí)配碎石負(fù)孔壓最大。這與級(jí)配碎石在高壓密狀態(tài)時(shí)的剪脹變形有關(guān)，受剪脹變形影響，其孔壓會(huì)發(fā)生變化。細(xì)粒含量10%時(shí)負(fù)孔壓最大，則反映出此時(shí)級(jí)配碎石剪脹效應(yīng)最強(qiáng)。同時(shí)，對(duì)于高壓密級(jí)配碎石而言，在剪切過(guò)程中，其強(qiáng)度受負(fù)孔壓的影響較大。細(xì)粒含量為10%的級(jí)配碎石由剪脹效應(yīng)產(chǎn)生的負(fù)孔壓最大，因此，在相同含水狀態(tài)下，其相應(yīng)有效應(yīng)力也最大，故負(fù)孔壓對(duì)細(xì)粒含量為10%的級(jí)配碎石峰值強(qiáng)度促進(jìn)作用較其他細(xì)粒含量級(jí)配碎石更為明顯。

2.3 強(qiáng)度指標(biāo)

研究表明，土的抗剪強(qiáng)度取決于土粒間的有效應(yīng)力[14]。通過(guò)圍壓分別為20，40 和60 kPa 時(shí)試樣的峰值偏應(yīng)力確定3個(gè)破壞莫爾圓，繪制莫爾圓的公切線得到抗剪強(qiáng)度包線，進(jìn)而得到土的有效強(qiáng)度參數(shù)。最優(yōu)含水率狀態(tài)(OMC)和飽和狀態(tài)(SMC)下各細(xì)粒含量級(jí)配碎石試樣的有效內(nèi)摩擦角(φ)和初始咬合力(c)如圖5所示，圖中FC(fines con‐tent)表示級(jí)配碎石試樣的細(xì)粒含量。

由圖5(a)可知，不論是最優(yōu)含水率還是飽和狀態(tài)，級(jí)配碎石內(nèi)摩擦角均隨細(xì)粒含量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，且在細(xì)粒含量10%附近取得最大值。這是因?yàn)殡S著細(xì)粒含量的增加，細(xì)顆粒逐漸填充粗顆粒形成的孔隙，土體結(jié)構(gòu)由疏松逐漸變緊密，從而使其內(nèi)摩擦角增大，當(dāng)細(xì)粒含量增加到一定程度后，部分細(xì)粒開(kāi)始起到骨架作用，顆粒間摩擦力減小，增加細(xì)粒含量反而使內(nèi)摩擦角減小。

圖5 不同含水狀態(tài)時(shí)級(jí)配碎石試樣的強(qiáng)度參數(shù)Fig.5 Intensity parameters of graded gravels with different moisture contents

由圖5(b)可知，在不同含水狀態(tài)下各細(xì)粒含量級(jí)配碎石的初始咬合力各有不同，數(shù)值較分散。這與級(jí)配碎石中顆粒排列與堆積的隨機(jī)性相關(guān)，并且顆粒間接觸方式和咬合角度的不確定性也會(huì)強(qiáng)化咬合力數(shù)據(jù)的分散特征。這與蔡國(guó)軍等[15]通過(guò)對(duì)不同細(xì)粒含量的礫類土開(kāi)展室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究，得到咬合力的變化特性不能簡(jiǎn)單用顆粒含量來(lái)描述的結(jié)論一致。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 細(xì)粒含量不同的級(jí)配碎石強(qiáng)度特征分析

根據(jù)不同細(xì)粒含量級(jí)配碎石試樣應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，繪制最優(yōu)含水率狀態(tài)、飽和狀態(tài)時(shí)級(jí)配碎石試樣的峰值強(qiáng)度((σ1～σ3)f)與細(xì)粒含量(FC)的關(guān)系曲線如圖6所示。由圖6(a)和6(b)可知，2種含水率狀態(tài)下，當(dāng)圍壓相同時(shí)，存在一個(gè)細(xì)粒含量為10%的特征值。細(xì)粒含量小于10%時(shí)，隨著細(xì)粒含量增加，級(jí)配碎石峰值強(qiáng)度增加；細(xì)粒含量大于10% 時(shí)，隨著細(xì)粒含量增加，峰值強(qiáng)度減小。

圖6 不同含水狀態(tài)級(jí)配碎石試樣峰值強(qiáng)度與細(xì)粒含量關(guān)系Fig.6 Relationship between peak strength and fine content for graded gravels with different moisture content

級(jí)配碎石峰值強(qiáng)度之所以表現(xiàn)出這種現(xiàn)象，與其結(jié)構(gòu)特征有緊密關(guān)系。最大干密度可以較為直觀地反映出土體結(jié)構(gòu)的密實(shí)程度。圖7為試樣最大干密度((ρd)max)和細(xì)粒含量(FC)的關(guān)系曲線。由圖7 可知，級(jí)配碎石的最大干密度隨細(xì)粒含量增加表現(xiàn)出先增大后減小現(xiàn)象，且在細(xì)粒含量為10%時(shí)具有最大干密度，這與級(jí)配碎石峰值強(qiáng)度和細(xì)粒含量關(guān)系曲線的變化規(guī)律一致。因此，級(jí)配碎石結(jié)構(gòu)特征、最大干密度和峰值強(qiáng)度之間存在一定聯(lián)系。

圖7 級(jí)配碎石試樣最大干密度與細(xì)粒含量的關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between maximum dry density and fine content of graded gravels

3.2 不同細(xì)粒含量級(jí)配碎石的結(jié)構(gòu)特征分析

葉陽(yáng)升[13]、陳堅(jiān)等[2]通過(guò)對(duì)粗粒土結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)土體結(jié)構(gòu)中細(xì)粒扮演著不同的角色。隨著細(xì)顆粒含量由少至多變化，其結(jié)構(gòu)由骨架孔隙型向骨架密實(shí)型、再向懸浮密實(shí)型轉(zhuǎn)變。CAI等[16]對(duì)不同級(jí)配參數(shù)(Cu，Cc)的粗粒土進(jìn)行結(jié)構(gòu)類型劃分，發(fā)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)類型土體的性質(zhì)差異明顯。當(dāng)細(xì)粒含量小于10%時(shí)，試樣孔隙率較大、最大干密度較小，此時(shí)粗顆粒單獨(dú)組成土體骨架，細(xì)粒含量較少且不足以填滿骨架孔隙，土體結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)骨架孔隙型。當(dāng)細(xì)粒含量在10%左右時(shí)，試樣孔隙率較小、最大干密度達(dá)到最大，此時(shí)土體骨架依然由粗顆?？刂?，但隨著細(xì)粒的增加，粗顆粒間孔隙逐漸被細(xì)粒完全充填，粗細(xì)顆粒相互緊密接觸，土體骨架結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)骨架密實(shí)型。當(dāng)細(xì)粒含量大于10%時(shí)，試樣最大干密度開(kāi)始減小，這時(shí)細(xì)粒也參與骨架作用，隨著細(xì)粒的繼續(xù)增加，細(xì)粒包裹粗顆粒，影響了土體骨架，土體結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)懸浮密實(shí)型。3 種粗粒土結(jié)構(gòu)類型如圖8所示。

圖8 粗粒土結(jié)構(gòu)類型Fig.8 Structure type of coarse soil mass

級(jí)配碎石的強(qiáng)度主要由粗顆粒間的強(qiáng)度、粗顆粒與細(xì)顆粒之間的強(qiáng)度和細(xì)顆粒本身的強(qiáng)度3部分組成[15]。當(dāng)細(xì)粒含量較少時(shí)，粗顆粒承擔(dān)骨架作用，這時(shí)級(jí)配碎石強(qiáng)度主要源于粗顆粒之間的摩擦力和咬合力，細(xì)顆粒難以起到實(shí)質(zhì)作用，因此細(xì)粒含量為0%和5%的級(jí)配碎石峰值強(qiáng)度較低，且內(nèi)摩擦角較小。隨著細(xì)粒含量逐漸增加，粗顆粒之間的孔隙逐漸被填充密實(shí)，粗細(xì)顆粒之間嵌擠作用增強(qiáng)，這時(shí)級(jí)配碎石強(qiáng)度由粗顆粒與細(xì)顆粒共同提供，土體強(qiáng)度得到提升，故細(xì)粒含量為10%時(shí)土體的峰值強(qiáng)度最高、內(nèi)摩擦角最大。當(dāng)細(xì)粒含量大于10%時(shí)，粗粒逐漸被細(xì)粒包裹，增加細(xì)粒含量反而降低了土體的強(qiáng)度，同時(shí)也減小了內(nèi)摩擦角，故細(xì)粒含量為20%的級(jí)配碎石峰值強(qiáng)度降低、內(nèi)摩擦角減小。

3.3 飽和作用對(duì)級(jí)配碎石強(qiáng)度的影響分析

根據(jù)圖6中不同細(xì)粒含量級(jí)配碎石試樣的峰值強(qiáng)度，計(jì)算并繪制其飽和后在不同圍壓水平下的峰值強(qiáng)度增減幅度，如圖9所示。峰值強(qiáng)度增減幅度?計(jì)算式如式(1)。式中，τ1為飽和狀態(tài)時(shí)試樣的峰值強(qiáng)度，τ2為最優(yōu)含水率狀態(tài)時(shí)試樣的峰值強(qiáng)度。

圖9 級(jí)配碎石試樣飽和后峰值強(qiáng)度增減幅度Fig.9 Rangeability of peak strength after saturation for graded gravels

試驗(yàn)中，雖然飽和后細(xì)粒含量為10%的級(jí)配碎石峰值強(qiáng)度降低了15%～20%，但是細(xì)粒含量分別為0%，5%和20%的級(jí)配碎石峰值強(qiáng)度卻增長(zhǎng)了10%～35%，表現(xiàn)出不同的峰值強(qiáng)度變化規(guī)律。分析其原因，可能是飽和后土體強(qiáng)度的變化規(guī)律與水的軟化作用和負(fù)孔壓增強(qiáng)作用有關(guān)。飽和后由于含水率增加，水對(duì)土體的軟化作用增強(qiáng)，使土體強(qiáng)度降低。但是，在不排水條件下，由于負(fù)孔壓的累積，級(jí)配碎石有效應(yīng)力增大，提高了土體強(qiáng)度。因此，飽和后土體強(qiáng)度的變化取決于這2種影響作用中誰(shuí)處于支配地位。

由圖4 可知，3 種圍壓條件下，細(xì)粒含量為10%的級(jí)配碎石臨界破壞時(shí)均具有最大負(fù)孔壓，在最優(yōu)含水率狀態(tài)和飽和狀態(tài)時(shí)其負(fù)孔壓平均值分別在?52.4 kPa 和?61.0 kPa 左右。細(xì)粒含量為0%，5%和20%的級(jí)配碎石在最優(yōu)含水率狀態(tài)時(shí)其負(fù)孔壓平均值分別為?19.7，?25.0和?27.8 kPa，在飽和狀態(tài)時(shí)負(fù)孔壓平均值分別為?36.2，?42.0 和?49.9 kPa。經(jīng)計(jì)算，細(xì)粒含量為10%的級(jí)配碎石負(fù)孔壓平均值在飽和后僅增大了16%，而其他細(xì)粒含量的級(jí)配碎石增加幅度則為68%～84%。

試樣飽和后，細(xì)粒含量為10%的級(jí)配碎石負(fù)孔壓增長(zhǎng)幅度較小，負(fù)孔壓增強(qiáng)作用較弱，這時(shí)飽和后水對(duì)土體的軟化作用大于負(fù)孔壓增強(qiáng)作用，從而使峰值強(qiáng)度降低了15%～20%。而其他細(xì)粒含量的級(jí)配碎石負(fù)孔壓增幅較大，此時(shí)土體強(qiáng)度主要由負(fù)孔壓增強(qiáng)作用主導(dǎo)，導(dǎo)致峰值強(qiáng)度增加了10%～35%。值得注意的是，在實(shí)際工程中，負(fù)孔壓不容易累積，所以飽和作用普遍會(huì)引起級(jí)配碎石峰值強(qiáng)度降低，同時(shí)通過(guò)負(fù)孔壓來(lái)提高土體強(qiáng)度也是不安全的。

4 結(jié)論

1) 級(jí)配碎石的最大干密度、峰值抗剪強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角均隨細(xì)粒含量增加表現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)。試驗(yàn)表明，細(xì)粒含量10%的級(jí)配碎石最大干密度達(dá)2.37 g/cm3，無(wú)論是最優(yōu)含水率狀態(tài)還是飽和狀態(tài)，細(xì)粒含量10%試樣均處于最密實(shí)狀態(tài)，其峰值強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角均明顯大于其他試樣。

2) 細(xì)粒含量不同級(jí)配碎石的強(qiáng)度特性是由其結(jié)構(gòu)特征決定的，細(xì)粒含量10%試樣結(jié)構(gòu)為骨架密實(shí)型，這直接決定了其強(qiáng)度特性優(yōu)于其他細(xì)粒含量試樣。分析表明，細(xì)粒含量明顯少于10%時(shí)，細(xì)粒不足以填滿骨架孔隙，此時(shí)試樣強(qiáng)度較小；細(xì)粒含量明顯大于10%時(shí)，細(xì)粒開(kāi)始包裹粗顆粒并參與骨架作用，土體結(jié)構(gòu)逐漸疏松；細(xì)粒含量在10%附近時(shí)，土體達(dá)到最密實(shí)狀態(tài)，強(qiáng)度特性最優(yōu)。

3) 由最優(yōu)含水率狀態(tài)到飽和狀態(tài)時(shí)，細(xì)粒含量不同的級(jí)配碎石強(qiáng)度變化規(guī)律不同，且受水的軟化削弱作用和負(fù)孔壓增強(qiáng)作用共同影響。對(duì)于細(xì)粒含量為10%的級(jí)配碎石，試樣飽和后，負(fù)孔壓增幅較小，水的軟化削弱作用為主導(dǎo)因素，使土體強(qiáng)度降低；對(duì)于其他細(xì)粒含量的級(jí)配碎石，飽和后負(fù)孔壓增幅較大，負(fù)孔壓增強(qiáng)作用占主導(dǎo)地位，土體有效應(yīng)力增加，強(qiáng)度提高。