原生结构对天然粗粒土抗剪强度的影响研究

魏玉峰 ，符文熹

(1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059；2. 四川大学 水力学及山区河流保护国家重点实验室 水利水电学院，成都 610065；)

天然粗粒土是普遍沉积于地球表部的一种松散类物质，在人类集中活动的阶地、平原、盆地和河谷等区域，分布尤其广泛。根据相关行业的划分标准，粗粒土是指粒径在0.075～60 mm之间的土粒占50%以上的土体。相对细粒土(如粘性土)来讲，粗粒土具有承载力大、抗变形能力强、抗剪强度高等良好的力学特性，以及良好的压实性能和渗透性能。因此，该类土常作为建筑物的天然地基或填方工程的填料，成为人类工程活动直接面对、利用的对象。

土体结构是指反映土体骨架效应的颗粒形状、分布及相互间的作用，是决定土体物理力学属性的内在因素[1]。土体结构性研究在土力学学科发展中具有独特且重要的地位，沈珠江[2]院士认为这是“21世纪土力学的核心问题”，周萃英[3]教授也指出“土体结构性是土力学研究中的前沿课题之一”。早期研究大多限于细粒土方面[4]。近年来，学术界也逐渐关注粗粒土结构特性对抗剪强度性质的影响[5]，在结构破坏后剪切过程中的颗粒运动、接触、破碎等物理现象和力学机制方面取得了丰富的成果[6-9]。受沉积环境影响，历经漫长地质作用形成的天然土体都具有其独特的原生结构特性[10]，在未受扰动的条件下多能长久保持。但这种天然的结构特性是否对土体抗剪强度有影响？影响的程度如何？这一问题值得深入研究。本文在通过不同方法强度试验结果的比较，对天然粗粒土原生结构对抗剪强度的影响进行了简单的讨论和分析。

1 天然粗粒土抗剪强度的原生结构特性

Micthell[11]给出的描述土体抗剪强度方程得到了业界的广泛认可：

τ=f(e,φ,C,σ′,c′,H,T,ε,ε′,S)

(1)

式中,τ为剪切阻力，e为孔隙比，φ为内摩擦角，C为成分，σ′为有效应力，c′为有效内聚力，H为应力历史，T为温度，ε为应变，ε′为应变速率，S为土的结构。

式(1)描述了土的抗剪强度τ是多因素集合体的复杂函数。值得注意的是，尽管式中所列变量并未完全包括所有影响抗剪强度的因素，但土的结构性位列其中，表明在Micthell看来，土的结构性是影响抗剪强度的重要因素。

作者前期在现场开展过较多粗粒土的现场试验，研究过程中发现，河流阶地原位砾石土颗粒之间无胶结(图1a)，密度为2.21 g/cm3，将开挖砾石土料松铺一定厚度，通过静力碾压将密度严格恢复到天然状态(图1b)，然后开展原位抗剪强度试验，结果显示(图1c)，物质组成和密度相同的两种状态土体，强度参数却出现明显差异，多组试验均具有相同规律，可排除试验误差影响。

图1 原生结构与扰动土强度试验

在成分、级配、密度、试验方法和试验条件均相同的情况下，两种土体最直接的差别即是松铺碾压的土体破坏了沉积过程中形成的原生结构。显然，需引起重视的是：天然粗粒土原生结构性对土体的抗剪强度有着直接、明显的影响。

2 原生结构对天然粗粒土抗剪强度的影响程度

为了定量评价天然粗粒土原生结构性对抗剪强度的影响，分别将现场原位大剪试验和室内等效密度试验的试验结果进行对比。

室内等效密度试验的基本原理基于如下考虑：对于散体状天然粗粒土，在保持物质成份、粒径组成、含水程度、磨圆及分选特征等因素相同的条件下，恢复天然状态下的密度和围压应力状态，开展室内三轴试验。试验使用的粗粒土大型三轴试验机，由装样筒、实验舱、应力控制室、体积测量仪等设备组成，具体试验过程如下：

(1) 将现场完成原位直剪试验后的试样运回，在装样筒内恢复散粒体天然状态下的密度。装样筒直径为30 cm，高为60 cm，根据装样筒体积及粗粒土的密度范围，每组试样取样的质量应在70～100 kg。

(2) 室内测试试样的含水率，对比搬运过程含水率的变化，并按现场实测的含水率结果，配置试样的含水率(图2a)。

(3) 根据装样筒体积，计算恢复至天然密度情况下所需要的试样质量，对配置好的试样进行称重(图2b)。

(4) 将称好的试样，在装样筒内振捣、压密，直至密度指标达到需要恢复的量值，为保证均匀压密，装样过程中分3～4层松铺，按体积压密完成后再进行下一层的压密(图2c、图2d)。

图2 等效密度三轴试验制样过程

本次研究完成了2组粗粒土等效密度下的强度试验，试样编号分别为GS1和GS2，恢复密度至现场实测的1.96 g/cm3和2.01 g/cm3。通过等效密度试验，获得不同围压状态下的轴向应力，以轴向应力σ1为纵坐标，围压σ3为横坐标，将实验点绘制在直角坐标系中，用图解法绘制最佳关系曲线，见图3。

最佳关系曲线为直线，可根据等式(2)和(3)直接求内聚力C和内摩擦角φ值：

(2)

(3)

式中,C为岩石的内聚力，kPa；φ为岩石的内摩擦角(°)；σc为最佳关系曲线在纵坐标上的截距，MPa；m为最佳关系曲线的斜率。

恢复至相同密度条件下，等效密度方法获得的试验结果与原状样直剪试验结果列于表1。

图3 等效密度强度试验结果

对比分析原位直剪试验与等效密度试验两种方法的试验结果，原位直剪试验获得的内摩擦角均大于等效密度试验获得的内摩擦角，量值相差了1.71°～2.55°。两种试验方法的内聚力量值较为离散，这是因为如果是理想的散粒体材料，内聚力的量值应该是0，无粘结粗粒土的内聚力在抗剪强度中所起的贡献也应该很小，但由于受粗粒土颗粒的均匀性等因素影响，因粒间互相嵌入所产生的摩阻力随机性较大，其量值在两种试验方法中并未体现出明显的规律性。上述两种试验方法，保持了试验对象物质成份、粒径、含水量、磨圆及分选等多个因素的一致性，所改变的主要是等效密度试验破坏了天然粗粒土原生的结构，试验结果也是原生结构对抗剪强度影响的直接反映，仅从两组试验结果上看，原生结构对抗剪强度内摩擦角的影响程度在量值的5%左右。需要说明的是，评价原生结构对抗剪强度内摩擦角的影响程度，需要多组试验的数据支撑才更为准确，本文所提出的“5%”这一量值有待通过更多的试验进行校核。

3 结论

本文通过现场原位试验和室内等效密度试验，对天然粗粒土原生结构对抗剪强度的影响进行了分析。不同方法试验结果表明，天然

粗粒土在原位结构破坏、重构后内摩擦角量值减小了1.71°～2.55°，表明原生结构对土体的抗剪强度具有直接的影响。

[1] Terzaghi K..理论土力学[M].徐志英译.北京:中国地质出版社,1960.

[2] 沈珠江.土体结构性的数学模型——21世纪土力学的核心问题[J].岩土工程学报,1996,18(1):95-97.

[3] 周萃英.土体微观结构研究与土力学的发展方向——若干进展与思考[J].地球科学,2000,25(2):215-220.

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[11] J. K. Micthell.岩土工程土性分析原理[M].高国瑞，韩选江，张新华译，南京：南京工学院出版社，1998