楊光偉，趙軍霖，黃 建，齊吉琳

（北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，北京 102600）

1 研究背景

砂卵石多因沖洪積和冰水沉積作用形成，廣泛分布于古河床、沖洪積平原，比如藏東南地區(qū)、成都平原、華北平原北部等都富含較厚砂卵石地層［1-3］。砂卵石的母巖主要為花崗巖、石英巖和玄武巖等硬質(zhì)巖。其作為填料時(shí)，填方體具有強(qiáng)度高、模量大、透水性強(qiáng)、抗風(fēng)化等特點(diǎn)。因此，砂卵石大量應(yīng)用于土石壩和高填方工程［4-5］。以基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)快速發(fā)展的藏東南地區(qū)為例，川藏公路、川藏鐵路的高陡路堤和處理軟弱地基的砂石墊層都采用了大量的砂卵石［3］。因此，砂卵石土的力學(xué)特性研究具有重要意義。

目前關(guān)于砂卵石的文獻(xiàn)相對(duì)集中于隧道穿越砂卵石地層的技術(shù)研究［6-7］，以及土石壩下伏砂卵石地層的防滲［8］，而砂卵石作為填筑材料的強(qiáng)度及變形問(wèn)題同樣需要重點(diǎn)關(guān)注［9-11］。在粗粒土的試驗(yàn)研究方面，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者就含石量和圍壓對(duì)強(qiáng)度和變形的影響進(jìn)行了研究，并分析了相應(yīng)因素影響下的顆粒破碎現(xiàn)象。涂義亮等［12］采用大型直剪試驗(yàn)，研究了法向壓力條件下顆粒破碎特征和宏觀抗剪強(qiáng)度的聯(lián)系；Alikaramic等［13］利用X射線斷層攝影技術(shù)，捕捉到石英砂的顆粒破碎和剪切帶形成過(guò)程；Jin等［14］和Mcdowell等［15］通過(guò)三軸試驗(yàn)分析了不同含石量和不同基質(zhì)填充對(duì)粗粒土峰值強(qiáng)度與顆粒破碎的影響；Frossard等［16］考慮了尺寸效應(yīng)對(duì)顆粒破碎及抗剪強(qiáng)度的影響；劉順青等［17］根據(jù)粗粒土邊坡中塊石含量，提出了一種邊坡穩(wěn)定性分析方法；唐建一等［18］利用大型單剪試驗(yàn)儀，進(jìn)行了不同含石量的單軸剪切試驗(yàn)，分析了不同含石量條件下粗粒土抗剪強(qiáng)度和剪脹、剪縮之間的聯(lián)系；金磊等［19］通過(guò)室內(nèi)大型三軸試驗(yàn)，研究了不同含石量和圍壓對(duì)粗粒土力學(xué)特性的影響；姜景山等［20］利用大型三軸試驗(yàn)，針對(duì)不同圍壓，對(duì)粗粒土強(qiáng)度與變形的關(guān)系進(jìn)行了研究；Sonmez等［21］采用水泥土作為基質(zhì)填充，用塊石作為骨料按不同含石量進(jìn)行了三軸剪切試驗(yàn)研究。已有研究成果表明含石量顯著影響粗粒土的強(qiáng)度和變形，但含石量對(duì)不同圍壓下砂卵石土的顆粒破碎還需進(jìn)一步研究。

本文采用花崗巖卵石作為石料骨架，標(biāo)準(zhǔn)砂作為填充基質(zhì)，利用大型室內(nèi)三軸試驗(yàn)，進(jìn)行含石量0～100%的多組試驗(yàn)，在以含石量和圍壓作為變量的基礎(chǔ)上，關(guān)注顆粒破碎受變量影響的變化規(guī)律，分析砂卵石土顆粒破碎與抗剪強(qiáng)度和變形特性的內(nèi)在聯(lián)系，為工程建設(shè)和后續(xù)研究提供參考。

2 大型三軸試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)儀器介紹 試驗(yàn)儀器采用中機(jī)試驗(yàn)設(shè)備公司生產(chǎn)的YSSZ 1000土體三軸試驗(yàn)機(jī)。該儀器包括圍壓室及加載架、壓力系統(tǒng)、主控顯示臺(tái)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，可進(jìn)行粗粒土試樣靜三軸試驗(yàn)。圍壓室以液壓油為介質(zhì)施加壓力，可施加最大圍壓6 MPa，變形測(cè)量精度不超過(guò)示值的±0.5%，最大軸向荷載為1000 kN，軸向力測(cè)量精度不超過(guò)示值的±1%，試樣尺寸為300 mm×750 mm。

2.2 試樣制備 試驗(yàn)土樣采用廈門愛(ài)思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂公司生產(chǎn)的中國(guó)ISO標(biāo)準(zhǔn)砂（中砂），粒徑0.5 mm～1 mm；石料為河北保定某礦石場(chǎng)卵石，粒徑40 mm～50 mm，母巖為花崗巖。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［22］采用表面振動(dòng)法測(cè)量最大干密度，采用松填法測(cè)得最小干密度，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 5種含石量試樣干密度與孔隙比

本試驗(yàn)試樣高寬比H/D為2.5，試樣直徑為級(jí)配卵石最大顆粒粒徑6倍，可減小尺寸效應(yīng)的影響，符合《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［22］要求。將試樣控制為密實(shí)狀態(tài)，并參考人工擊實(shí)條件，根據(jù)相對(duì)密度劃分標(biāo)準(zhǔn)，取相對(duì)密度Dr為0.7。依據(jù)不同含石量最大干密度與最小干密度，采用式（1）分別計(jì)算目標(biāo)干密度，分5層進(jìn)行裝樣并擊實(shí)，保證試樣均勻性，防止粗細(xì)粒分離。制備過(guò)程如圖1所示。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)5級(jí)含石量［23-24］，分別為0、25%、50%、75%、100%，每級(jí)制作3個(gè)試樣為一組，進(jìn)行三個(gè)不同圍壓下的三軸剪切試驗(yàn)，各含石量如圖2所示。

圖2 不同含石量試樣

2.3 試驗(yàn)方案 采用固結(jié)排水試驗(yàn)條件，進(jìn)行五級(jí)含石量（0、25%、50%、75%、100%），每級(jí)含石量0.5 MPa、1.5 MPa、2.5 MPa三個(gè)圍壓下的三軸剪切試驗(yàn)。

試樣裝入圍壓室后，抬升至加載架，沿滑軌推送至加載主軸上方，主軸上升頂起圍壓室。待加載頭與圍壓室頂部微接觸后，圍壓室內(nèi)開(kāi)始注油，注油完成后施加圍壓和軸向壓力。因所模擬深度較大，為更接近實(shí)際地層應(yīng)力狀態(tài)并加快試驗(yàn)進(jìn)度，飽和過(guò)程采用軸向壓力14.1 kN，圍壓0.2 MPa，進(jìn)行常水頭飽和。飽和完成后，施加不同軸壓及圍壓進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)剪切速率1.5 mm/min，剪切過(guò)程保持圍壓不變，讀取軸向壓力、軸向變形等數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［22］要求進(jìn)行。

3 顆粒破碎

制備試樣時(shí)采用扁平小錘來(lái)減小擊實(shí)作用集中力。制樣過(guò)程中擊實(shí)作用力的量級(jí)遠(yuǎn)小于試驗(yàn)軸向荷載量級(jí)，所產(chǎn)生的顆粒破碎可以忽略。圖3為100%含石量、1.5 MPa條件下試驗(yàn)后的砂卵石骨料破碎圖。試驗(yàn)后在斷裂帶或明顯變形位置取5～6 kg土料，烘干后采用人工篩分方式分離粗細(xì)顆粒。剪切試驗(yàn)過(guò)程中伴隨明顯顆粒破碎聲音，從圖3可以看出，砂卵石的破壞形式為壓碎、表面剝落，形成的破碎顆粒一般棱角較多或呈片狀結(jié)構(gòu)。

圖3 100%含石量1.5 MPa條件下砂卵石骨料破碎圖

圖4為各級(jí)含石量試樣在不同圍壓試驗(yàn)中發(fā)生顆粒破碎前后的級(jí)配曲線對(duì)比圖。由各圖中的級(jí)配曲線變化可以看出，顆粒破碎導(dǎo)致粗粒含量減少而細(xì)粒含量增加，級(jí)配曲線在最大粒徑前逐漸抬升；圍壓越大顆粒破碎越明顯，初始曲線與試驗(yàn)后曲線間距越寬；含石量25%～50%時(shí)，顆粒破碎不僅出現(xiàn)在最大粒徑前，而且較為均勻分散于各粒徑集中區(qū)段。

圖4 各級(jí)含石量試樣在不同圍壓下發(fā)生顆粒破碎前后的級(jí)配曲線對(duì)比

采用Marsal［25］提出的顆粒破碎率Bg定量描述顆粒破碎程度：

式中：Wgi、Wgj分別為某粒組試驗(yàn)前、后的顆粒含量，反映了顆粒整體破碎情況［26］。由圖5可以看出，相同含石量情況下，顆粒破碎率隨著圍壓的增大而增加；在相同圍壓時(shí)，顆粒破碎率最大值出現(xiàn)在50%含石量時(shí)，含石量75%與25%次之。這是由于在初始固結(jié)應(yīng)力狀態(tài)下，固結(jié)圍壓越高，顆粒間咬合作用越充分，剪切滑移錯(cuò)動(dòng)過(guò)程中更容易發(fā)生破碎。此部分規(guī)律與涂義亮等［12］試驗(yàn)結(jié)果類似，與文獻(xiàn)［27］提出的顆粒破碎勢(shì)概念吻合。顆粒破碎與含石量和應(yīng)力狀態(tài)存在內(nèi)在聯(lián)系。

圖5 顆粒破碎率Bg與圍壓和含石量的關(guān)系

4 強(qiáng)度結(jié)果與分析

4.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系 圖6為相同含石量條件下，各組試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。由圖6可知，相同含石量的試樣在不同圍壓下強(qiáng)度特性不同。試驗(yàn)初期在軸向應(yīng)變小于1.5%范圍內(nèi)，為應(yīng)力穩(wěn)定增長(zhǎng)的彈性階段，該直線段的斜率受圍壓影響較大，圍壓越大，斜率越大，表明試樣的初始變形模量隨圍壓的增大而增加。并且同一含石量時(shí)，在0.5 MPa圍壓下，0～75%含石量試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型，在1.5 MPa及2.5 MPa圍壓下，各級(jí)含石量試樣均表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型，且隨圍壓升高，硬化表現(xiàn)更加明顯。

圖6 相同含石量條件下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［22］，對(duì)于應(yīng)變軟化型曲線，取峰值強(qiáng)度作為破壞強(qiáng)度，對(duì)于無(wú)明顯峰值的應(yīng)變硬化型曲線，取軸向應(yīng)變15%時(shí)的偏應(yīng)力值作為破壞強(qiáng)度。由此計(jì)算不同含石量及圍壓下試樣的抗剪強(qiáng)度，得到試樣抗剪強(qiáng)度與顆粒破碎率的關(guān)系，如圖7所示。

由圖7可知，不僅含石量和圍壓是抗剪強(qiáng)度的重要影響因素，而且三軸壓縮過(guò)程中的顆粒破碎也會(huì)影響砂卵石土強(qiáng)度的發(fā)揮。圍壓為0.5 MPa時(shí)，50%含石量試樣的顆粒破碎率與抗剪強(qiáng)度值最大；圍壓為1.5 MPa及2.5 MPa時(shí)，仍為50%含石量試樣的顆粒破碎率最大，而抗剪強(qiáng)度值在試樣含石量為75%時(shí)最大。試驗(yàn)結(jié)果表明，含石量50%～75%范圍內(nèi)，試樣抗剪強(qiáng)度對(duì)顆粒破碎率與圍壓變化最敏感：低圍壓情況下，砂卵石土的強(qiáng)度隨著顆粒破碎的發(fā)生而降低，且降低幅度大于含石量對(duì)強(qiáng)度的影響；而在中-高圍壓條件下，砂卵石土強(qiáng)度隨含石量增加而提高，且提高幅度大于顆粒破碎對(duì)強(qiáng)度的影響［28］。當(dāng)含石量低于50%或高于75%時(shí)，圍壓為影響抗剪強(qiáng)度的主要因素。

圖7 抗剪強(qiáng)度與顆粒破碎率關(guān)系

4.2 強(qiáng)度參數(shù)隨含石量的變化 根據(jù)莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度理論，對(duì)不同含石量及圍壓下試樣的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行線性回歸分析，各組試樣黏聚力及內(nèi)摩擦角如圖8所示。由圖8可知，試樣內(nèi)摩擦角隨含石量提高而增大，當(dāng)含石量超過(guò)75%時(shí)，內(nèi)摩擦角隨含石量的提高而減小，黏聚力在含石量25%時(shí)達(dá)到最大值，在含石量75%時(shí)出現(xiàn)最小值?？梢猿醪秸J(rèn)為，含石量在25%～75%范圍內(nèi)的提高與顆粒破碎率的增加，都會(huì)導(dǎo)致內(nèi)摩擦角增大。根據(jù)試驗(yàn)材料性質(zhì)，認(rèn)為結(jié)果中的黏聚力是一種“假黏聚力”，即此黏聚力由顆粒之間咬合產(chǎn)生，并非顆粒間的黏結(jié)力。低含石量時(shí)，由于細(xì)粒為土體主要結(jié)構(gòu)，細(xì)顆粒間咬合較為充分，表現(xiàn)出黏聚力較大；較高含石量時(shí)，為卵石骨架結(jié)構(gòu)，細(xì)粒在骨架接觸面間厚度較薄，促進(jìn)了骨架滑動(dòng)，此時(shí)表現(xiàn)出黏聚力較低；當(dāng)100%含石量時(shí)，細(xì)粒消失，咬合作用恢復(fù)，黏聚力小幅度增加［12］。結(jié)合含石量與顆粒破碎率變化，當(dāng)含石量小于25%，顆粒破碎率低于18%時(shí)，顆粒破碎率增加不會(huì)引起內(nèi)摩擦角顯著降低［29］。但當(dāng)含石量為25%～75%，顆粒破碎率大于18%時(shí)，顆粒破碎增加將引起內(nèi)摩擦角的快速增長(zhǎng)［30］。

圖8 含石量與試樣黏聚力和內(nèi)摩擦角的關(guān)系

5 變形結(jié)果與分析

5.1 體應(yīng)變-軸應(yīng)變關(guān)系 圖9為相同含石量條件下，各級(jí)含石量試樣的體應(yīng)變-軸應(yīng)變曲線。由圖9可知，各組含石量試樣在試驗(yàn)開(kāi)始階段均出現(xiàn)剪縮變形。含石量為0～25%，圍壓為0.5 MPa和1.5 MPa時(shí)，試樣發(fā)生明顯的剪脹，而在2.5 MPa圍壓下發(fā)生剪縮。含石量為50%～75%，圍壓為0.5 MPa時(shí)，試樣發(fā)生明顯剪縮。而50%含石量的試樣，在1.5 MPa和2.5 MPa下總體表現(xiàn)為剪脹，但相較低圍壓0.5 Mpa的剪脹不明顯。含石量75%，1.5 MPa和2.5 MPa圍壓時(shí)，試樣總體變形已表現(xiàn)為剪縮。含石量100%時(shí)，該組試驗(yàn)在不同圍壓下的變形均表現(xiàn)為剪縮。經(jīng)分析，產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因?yàn)椋涸诘秃壳闆r下，標(biāo)準(zhǔn)砂顆粒填充卵石間隙較為充分，即使發(fā)生少量的顆粒破碎，破碎產(chǎn)生的細(xì)顆粒也難以因填充卵石間的孔隙而使得試樣體積減小。而砂顆粒和卵石顆粒在低圍壓時(shí)因約束較小而易發(fā)生翻轉(zhuǎn)錯(cuò)動(dòng)，進(jìn)而表現(xiàn)出剪脹。在高含石量情況下，試樣初始孔隙率較大，剪切過(guò)程中受高圍壓的約束，顆粒難以翻轉(zhuǎn)錯(cuò)動(dòng)并且發(fā)生一定的破碎，而破碎產(chǎn)生的細(xì)顆粒填充部分卵石孔隙，因此表現(xiàn)出剪縮。

圖9 相同含石量條件下體應(yīng)變-軸應(yīng)變關(guān)系曲線

不同含石量和圍壓下的試樣均存在明顯剪縮穩(wěn)定增長(zhǎng)階段，圍壓為0.5 MPa和1.5 MPa時(shí)，剪縮完成后進(jìn)入剪脹階段，直至軸向應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)逐漸穩(wěn)定；當(dāng)圍壓為2.5 MPa時(shí)，穩(wěn)定剪縮階段結(jié)束后，剪脹階段基本消失，試樣變形仍為剪縮狀態(tài)，直至試驗(yàn)結(jié)束仍在發(fā)展。

文獻(xiàn)［28］中剪脹消失臨界圍壓處于0.45～0.80 MPa之間，圍壓大于此區(qū)間時(shí)試樣不再發(fā)生剪脹，而本文研究表明1.5 MPa情況下，部分試樣仍存在剪脹階段。對(duì)比試驗(yàn)條件，出現(xiàn)上述情況原因?yàn)槲墨I(xiàn)［28］中試樣含石量高于90%，而本文中含石量為變量。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)含石量高于50%時(shí)，圍壓大于0.5 MPa時(shí)，剪脹現(xiàn)象消失。結(jié)果表明，圍壓與含石量同為影響砂卵石土變形特性的原因，剪脹消失的臨界圍壓約為0.5 MPa，臨界含石量約為50%。當(dāng)含石量低于50%，圍壓小于等于0.5 MPa時(shí)，試樣的變形模式為“快速剪縮-緩慢剪脹-穩(wěn)定發(fā)展”三個(gè)階段；當(dāng)含石量高于50%，圍壓大于0.5 MPa時(shí)，變形模式為“快速剪縮-穩(wěn)定發(fā)展”兩個(gè)階段。

5.2 破壞模式 試樣的破壞形式如圖10所示，可分為兩類：當(dāng)圍壓為0.5 MPa時(shí)，如圖10（a）為25%含石量試樣的最終變形情況，可以發(fā)現(xiàn)明顯的剪切帶，試樣為剪切破壞；當(dāng)圍壓為1.5 MPa及2.5 MPa時(shí)，試樣呈“鼓狀”破壞，不存在明顯剪切帶，但是隨含石量增加，“鼓狀”變形位置逐漸下移，如圖10（b）和圖10（c）所示分別為50%和75%含石量，1.5 MPa條件下試樣變形情況，圖10（d）和圖10（e）為75%和100%含石量，2.5 MPa條件下試樣變形情況。結(jié)合變形結(jié)果分析，含石量不超過(guò)50%，圍壓小于0.5 MPa時(shí)，試驗(yàn)時(shí)原本密實(shí)的顆粒間接觸趨向更密實(shí)，且由于兩端的摩擦約束，中間部位容易發(fā)生變形；含石量高于50%時(shí)，卵石骨架與試樣帽接觸面積相比于低含石量情況減小，弱化了端部約束作用，且圍壓大于0.5 MPa時(shí)，約束作用明顯試樣一直處于剪縮狀態(tài)，試驗(yàn)開(kāi)始后伴隨卵石錯(cuò)動(dòng)聲，卵石不斷錯(cuò)動(dòng)，骨架被壓縮，在加載初期，軸向荷載與上部卵石自重荷載共同作用，導(dǎo)致下部先出現(xiàn)一定錯(cuò)動(dòng)，隨著軸向荷載增加，上部卵石自重荷載不再發(fā)揮作用，上下部分共同變形，但下部由于先期變形不斷積累，因而成為薄弱部分，因此高含石量時(shí)變形部分相比一般情況出現(xiàn)下移現(xiàn)象。

圖10 試樣破壞形式

6 結(jié)論

本文分析了不同含石量和圍壓情況下砂卵石土的顆粒破碎情況，以及含石量和圍壓對(duì)土體強(qiáng)度特性、變形特性和破壞形式的影響，主要結(jié)論如下：

（1）母巖為硬質(zhì)巖的砂卵石土在圍壓和軸向荷載作用下會(huì)發(fā)生顆粒破碎。相同圍壓情況下，含石量25%～75%的顆粒破碎率較大，且含石量50%時(shí)出現(xiàn)最大值。相同含石量時(shí)，顆粒破碎率隨圍壓的增加而提高，表明砂卵石土的顆粒破碎存在應(yīng)力依賴性，應(yīng)力水平越高，破碎越明顯。

（2）試樣在低圍壓時(shí)表現(xiàn)為應(yīng)變軟化，含石量50%～75%范圍內(nèi)，顆粒破碎對(duì)砂卵石土抗剪強(qiáng)度影響較大，50%含石量時(shí)出現(xiàn)抗剪強(qiáng)度最大值；在中-高圍壓情況下，試樣表現(xiàn)為應(yīng)變硬化，含石量是影響砂卵石土抗剪強(qiáng)度的主要因素，在75%含石量附近出現(xiàn)抗剪強(qiáng)度最大值。

（3）圍壓及含石量變化在一定范圍內(nèi)影響著試樣變形發(fā)展：當(dāng)含石量低于50%，圍壓小于等于0.5 MPa時(shí)，試樣的變形模式為“快速剪縮-緩慢剪脹-穩(wěn)定發(fā)展”三個(gè)階段；當(dāng)含石量高于50%，圍壓大于0.5 MPa時(shí)，變形模式為“快速剪縮-穩(wěn)定發(fā)展”兩個(gè)階段。試樣在低圍壓情況下破壞時(shí)出現(xiàn)明顯“剪切帶”，在中-高圍壓情況下破壞變形為“鼓狀”，且隨含石量增加，鼓狀變形部位不斷向下移動(dòng)。