■曾慶有

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州 350004）

1 前言

福建省是我國東南沿海的一個(gè)多山省份，俗有“八山一水一分田”之稱，地形地質(zhì)條件復(fù)雜。在山區(qū)的工程建設(shè)中，為了平整場地，需要平衡填挖，因而不可避免的出現(xiàn)大量的填筑工程。在已有的大量填筑工程中，特別是填筑高度較高的填筑體中，較普遍的出現(xiàn)開裂甚至滑移等病害?；◢弾r是福建省分布最為廣泛的巖體類型之一，花崗巖風(fēng)化層填料也是工程建設(shè)中最常見的填料之一。因此，花崗巖風(fēng)化層填筑體的病害及其成因研究具有較為普遍的工程實(shí)際意義，研究成果也較多[1,2]。

在填筑工程的勘察設(shè)計(jì)階段，由于花崗巖風(fēng)化層填料粗顆粒的存在，囿于室內(nèi)試驗(yàn)條件的限制，用于邊坡穩(wěn)定計(jì)算的最主要參數(shù)粘聚力和內(nèi)摩擦角難以直接獲得，計(jì)算時(shí)往往只能參考經(jīng)驗(yàn)值。目前，一般工程地質(zhì)勘察報(bào)告基本都參考規(guī)范來提供經(jīng)驗(yàn)值，但是規(guī)范提供的是針對(duì)挖方邊坡原狀土樣的強(qiáng)度參數(shù)，對(duì)經(jīng)搬運(yùn)并重新壓實(shí)的填筑體強(qiáng)度參數(shù)并無相關(guān)可遵循的途徑可得，往往依據(jù)具體工程人員的個(gè)人判斷。因此取值較為隨意，獲得的結(jié)果差異較大，這對(duì)工程安全是極為不利的。

針對(duì)花崗巖風(fēng)化層的抗剪強(qiáng)度，已有不少的研究成果，但多數(shù)針對(duì)原狀樣進(jìn)行[4-6]，也有針對(duì)重塑土的室內(nèi)試驗(yàn)[7-8]，多數(shù)都是在篩分去除了粗顆粒情況下的規(guī)律性研究，其絕對(duì)值與實(shí)際必然存在差異。此外，不管原狀樣還是重塑土，與現(xiàn)場經(jīng)搬運(yùn)壓實(shí)后實(shí)際填筑體的抗剪強(qiáng)度顯然不同，而針對(duì)實(shí)際填筑體的抗剪強(qiáng)度特性則少有研究成果。

本文通過現(xiàn)場大型剪切試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)，以及現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果與室內(nèi)常規(guī)土工試驗(yàn)指標(biāo)的相關(guān)性分析，提出了利用現(xiàn)有常規(guī)土工試驗(yàn)結(jié)果推定花崗巖風(fēng)化層填筑體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的完整思路，為提升花崗巖風(fēng)化層填筑工程設(shè)計(jì)計(jì)算的可靠性奠定了基礎(chǔ)。

2 現(xiàn)場大型直剪試驗(yàn)

現(xiàn)場大型直剪試驗(yàn)可避免室內(nèi)常規(guī)直剪試驗(yàn)的不利因素，試樣為現(xiàn)場填料經(jīng)真實(shí)的施工碾壓后制作成型，試驗(yàn)結(jié)果能反應(yīng)實(shí)際的填筑施工過程對(duì)填料強(qiáng)度的影響，從而獲得花崗巖風(fēng)化層填筑體較為真實(shí)的強(qiáng)度指標(biāo)。

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)點(diǎn)選擇在廈蓉高速公路擴(kuò)建工程漳州段，該段沿線山嶺綿延，路基高填方段落眾多。區(qū)域內(nèi)巖性主要為花崗巖，路基填料以花崗巖風(fēng)化層為主。以該區(qū)域路基填方段落作為現(xiàn)場試驗(yàn)點(diǎn)具有典型性。

在現(xiàn)場已填筑到一定高度的路基段落中選擇具有代表性的區(qū)域作為試驗(yàn)點(diǎn)，該層路基填土壓實(shí)度為93%。首先開挖試坑，設(shè)計(jì)試樣尺寸為500mm×500mm×220mm，滿足剪切面積不小于0.25m2，高度為最大粒徑的4～8倍且不小于0.15m的要求。試樣制備好后安裝垂向加載系統(tǒng)和切向加載系統(tǒng)，垂向加載反力系統(tǒng)采用地錨式鋼梁，切向加載反力由試坑側(cè)壁的被動(dòng)土壓力提供。應(yīng)力測量由千斤頂軸力讀數(shù)根據(jù)試樣面積轉(zhuǎn)換而來，變形測量系統(tǒng)由6塊千分表組成，其中4塊垂直安裝，用于測量土樣垂直變形，2塊水平安裝，用于測量剪切變形。

圖1 現(xiàn)場試驗(yàn)過程圖

2.2 加載過程

同一測試點(diǎn)現(xiàn)場準(zhǔn)備四個(gè)試樣，對(duì)不同試樣施加不同垂直荷載，分別為0kPa，160kPa，320kPa，600kPa。 分級(jí)施加到預(yù)定荷載后，每隔5min讀取一次千分表讀數(shù)，當(dāng)1min變化小于0.05mm時(shí)，認(rèn)為達(dá)到變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，可以再施加下一級(jí)荷載。當(dāng)垂直荷載達(dá)到最大值時(shí)，其后試驗(yàn)過程中應(yīng)保持其大小不變。

施加垂直荷載產(chǎn)生的變形達(dá)到穩(wěn)定后，施加剪切荷載。剪切荷載均勻連續(xù)施加，每30s讀取一次千斤頂讀數(shù)與千分表讀數(shù)，直到千斤頂讀數(shù)不增大為止，或土樣出現(xiàn)明顯的位移（變形達(dá)到5cm）即可認(rèn)為土樣已經(jīng)被剪切破壞。

圖2 試驗(yàn)加載過程圖

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

限于篇幅，只提供其中一組的剪切變形與應(yīng)力曲線，如圖3所示。由圖可見，應(yīng)力應(yīng)變曲線較為平滑，均未出現(xiàn)如室內(nèi)試驗(yàn)可能出現(xiàn)的“跳躍”現(xiàn)象。由于試驗(yàn)盒裝置相對(duì)試樣最大顆粒直徑保持較大的尺寸倍數(shù)，使得粗粒土的直剪試驗(yàn)獲得了較理想的結(jié)果，結(jié)果的有效性獲得了保證。

圖3 剪切應(yīng)力與變形曲線圖

兩組試驗(yàn)剪切應(yīng)力與垂直應(yīng)力關(guān)系曲線如圖4所示。經(jīng)擬合得到第一組試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角Φ=26.57°，粘聚力c=4.86kPa。第二組試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角Φ=20.7°，粘聚力c=12.58kPa。

圖4 剪切應(yīng)力與垂直應(yīng)力關(guān)系曲線

經(jīng)查，規(guī)范提供的花崗巖強(qiáng)風(fēng)化巖（土狀）抗剪強(qiáng)度取值為內(nèi)摩擦角Φ=30～35°，粘聚力c=30～35kPa。 可見現(xiàn)場大型直剪試驗(yàn)獲得的結(jié)果與其存在較大差異，試驗(yàn)值都偏低，特別是粘聚力值低很多。如果工程人員直接采用規(guī)范參考值進(jìn)行計(jì)算，對(duì)工程將是不安全的。分析其原因，規(guī)范提供的參考值是勘察階段針對(duì)挖方邊坡提出的，是根據(jù)鉆孔取得的原狀土樣所獲得的結(jié)果。研究表明花崗巖風(fēng)化層的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度顯著[9]，但是填筑土經(jīng)過搬運(yùn)和重新碾壓，原狀土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基本損失。此外，細(xì)顆粒對(duì)粘聚力有重大貢獻(xiàn)[10]，因此施工搬運(yùn)過程中或施工期間的雨水沖刷等作用引起的細(xì)顆粒損失可能是粘聚力減小的重要因素，這一點(diǎn)從篩分試驗(yàn)結(jié)果亦明確可以說明。試驗(yàn)現(xiàn)場所取樣品篩分試驗(yàn)結(jié)果表明，粒徑小于0.075mm的組份含量僅約10%，而相應(yīng)段落土工試驗(yàn)報(bào)告提供的原狀土樣篩分試驗(yàn)結(jié)果粒徑小于0.075mm組份含量基本都在20%左右。可見，與原狀土相比，填筑土不僅損失了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，顆粒組分也發(fā)生了變化。因此，花崗巖風(fēng)化層填筑體與其原狀坡體結(jié)構(gòu)和組分都不同，抗剪切強(qiáng)度特性自然就有較大差異。

3 顆粒級(jí)配對(duì)填筑土強(qiáng)度的影響

顆粒級(jí)配組成不僅包括顆粒粒徑大小信息和粒徑組分的相對(duì)含量信息，因此對(duì)填料的抗剪強(qiáng)度有重大影響，而且不同的顆粒級(jí)配組成顯然對(duì)填筑的壓實(shí)效果有顯著影響，壓實(shí)效果當(dāng)然就會(huì)影響到粗、細(xì)顆粒之間相互作用，因此對(duì)填筑體抗剪強(qiáng)度必然會(huì)有顯著影響。圖3兩組試樣對(duì)應(yīng)的顆粒級(jí)配篩分試驗(yàn)結(jié)果如表1。兩組試樣均為花崗巖強(qiáng)風(fēng)化層，現(xiàn)場壓實(shí)度也是按同樣標(biāo)準(zhǔn)控制的，只是顆粒級(jí)配具有如表1所示的差別，試驗(yàn)結(jié)果顯示的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)也相應(yīng)的顯著差別（圖3）。盡管由于試驗(yàn)數(shù)量的限制，暫時(shí)無法對(duì)顆粒級(jí)配與抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系作定量描述，但總體而言，粗顆粒占比較高的填料其內(nèi)摩擦角大，粘聚力小，反之亦然。這也符合通常對(duì)于巖土體抗剪切強(qiáng)度特性的認(rèn)知[11]。

表1 兩組填料的篩分試驗(yàn)結(jié)果表

4 壓實(shí)度對(duì)填筑土抗剪強(qiáng)度的影響

“壓實(shí)度”是土方填筑工程中一個(gè)重要的控制指標(biāo)，在路基填筑工程中就針對(duì)路基各個(gè)不同層位提出了不同的壓實(shí)度要求。填筑工程的密實(shí)程度直接關(guān)系到巖土顆粒之間的接觸關(guān)系和接觸程度。在常見的非保水情況下還涉及到固、水、氣的三相相互作用關(guān)系，這些對(duì)填筑體的抗剪強(qiáng)度均有直接的影響。因此十分有必要研究壓實(shí)度對(duì)填筑體的抗剪強(qiáng)度的影響。

室內(nèi)試驗(yàn)測得的壓實(shí)度對(duì)粘聚力的影響如圖5，結(jié)果表明，不同含水率下粘聚力隨壓實(shí)度的變化規(guī)律一致，粘聚力隨壓實(shí)度的增大而增大。分析后認(rèn)為：隨著壓實(shí)度的增大，花崗巖風(fēng)化層顆粒間的孔隙比逐漸減小，顆粒間的水膜變薄。而粘聚力主要是水膜受相鄰分子之間的引力引起的。孔隙體積的減小，會(huì)導(dǎo)致彎液面半徑減小，基質(zhì)吸力增大，增加粒間錯(cuò)動(dòng)阻力，使得粘聚力增大。

室內(nèi)試驗(yàn)測得的壓實(shí)度對(duì)內(nèi)摩擦角的影響如圖6。如圖所示，花崗巖風(fēng)化層填料的內(nèi)摩擦角隨壓實(shí)度的增大而增大。分析后認(rèn)為，隨著花崗巖風(fēng)化層填料壓實(shí)度的增大，顆粒間的孔隙比進(jìn)一步減小，顆粒間的嵌擠作用增強(qiáng)，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角隨壓實(shí)度的增大而增大。但壓實(shí)度的增大對(duì)于內(nèi)摩擦角的影響有限，變化幅度基本在2°以內(nèi)。

圖5 粘聚力隨壓實(shí)度的變化曲線

圖6 內(nèi)摩擦角隨壓實(shí)度的變化曲線

5 含水率對(duì)填筑土抗剪強(qiáng)度的影響

一般的認(rèn)知中，水對(duì)路基填筑體的影響是決定性的，有“十滑九水”的俗語。因此通過室內(nèi)試驗(yàn)研究填料含水率對(duì)花崗巖風(fēng)化填料抗剪強(qiáng)度特性的影響。

粘聚力隨含水率的變化曲線如圖7，結(jié)果表明填料的粘聚力會(huì)隨含水率的增大先增大后減小，并在最佳含水率下達(dá)到其極值。分析后認(rèn)為：花崗巖風(fēng)化層填料在完全干燥的條件下，填料中不存在彎液面表面張力，當(dāng)含水率增加時(shí)，填料表現(xiàn)出一定的可塑性，出現(xiàn)“似粘聚力”現(xiàn)象。但是，當(dāng)含水率大于最佳含水率后，水在土粒間起潤滑作用，不具有“似粘聚力”，故粘聚力減小。

圖7 粘聚力隨含水率的變化曲線

內(nèi)摩擦角隨含水率的變化曲線如圖8，結(jié)果表明在相同壓實(shí)度下，含水率對(duì)內(nèi)摩擦角的影響不大，分析后認(rèn)為，花崗巖風(fēng)化層填料的抗剪強(qiáng)度主要由顆粒間的嵌擠作用及相互摩擦形成，含水率的增大未能改變顆粒間接觸面的粗糙程度及顆粒級(jí)配，因此含水率對(duì)內(nèi)摩擦角的影響不大。

圖8 內(nèi)摩擦角隨含水率的變化曲線

這跟我們通常的認(rèn)知有所不同，但是并不是說水對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響不大。水對(duì)填筑體邊坡的作用主要應(yīng)該表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是雨水或地下水對(duì)坡體的長期改造作用，包括雨水淋濾將細(xì)顆粒帶走從而改變填筑體填料的組分，甚至進(jìn)而形成流失帶從而改變坡體結(jié)構(gòu)的作用。二是地下水位升降產(chǎn)生的靜水壓力或水的流動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)水壓力的不利作用。這些作用在我們的試驗(yàn)當(dāng)中均未能體現(xiàn)，這也說明了花崗巖填料填筑坡體長期穩(wěn)定性分析的復(fù)雜性。工程設(shè)計(jì)人員在分析花崗巖風(fēng)化層填筑坡體長期穩(wěn)定性時(shí)應(yīng)充分考慮水的長期作用對(duì)邊坡穩(wěn)定的不利影響，同時(shí)對(duì)水的控制應(yīng)有足夠的工程措施。

6 以常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果推定花崗巖風(fēng)化層填筑體強(qiáng)度參數(shù)的思路

由于時(shí)間和成本的限制，工程設(shè)計(jì)階段花崗巖風(fēng)化層填料抗剪強(qiáng)度參數(shù)不能都通過現(xiàn)場大型剪切試驗(yàn)來獲得。因此，有必要建立一套方法，以現(xiàn)有常規(guī)試驗(yàn)條件合理的推定填筑體的相對(duì)接近真實(shí)的強(qiáng)度參數(shù)，以為工程設(shè)計(jì)計(jì)算服務(wù)。

目前實(shí)際情況是，在工程勘察設(shè)計(jì)階段，花崗巖風(fēng)化層鉆孔取樣后均做篩分試驗(yàn)。因此，一般土工試驗(yàn)報(bào)告中均有花崗巖風(fēng)化層的級(jí)配組成數(shù)據(jù)。壓實(shí)度是填筑工程必然要給出的設(shè)計(jì)參數(shù)，而施工時(shí)必然要求控制在最佳含水量條件下壓實(shí)。因此，獲得相對(duì)真實(shí)的花崗巖風(fēng)化層填料抗剪強(qiáng)度參數(shù)的思路是：通過更多的現(xiàn)場試驗(yàn)分別獲得粘聚力、內(nèi)摩擦角與顆粒級(jí)配、壓實(shí)度的相關(guān)曲線作為抗剪強(qiáng)度取值的基礎(chǔ)參考資料。這些曲線不一定能用精確的數(shù)學(xué)公式表達(dá)，但是據(jù)此曲線就能根據(jù)勘察報(bào)告提供的土樣顆粒級(jí)配組成及目標(biāo)壓實(shí)度在一定精度范圍內(nèi)推定填筑體的實(shí)際抗剪強(qiáng)度參數(shù)。這對(duì)提高工程設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確性具有重要意義。

7 結(jié)論與建議

通過研究得到以下幾個(gè)有意義的認(rèn)知：

(1)花崗巖風(fēng)化層填料的抗剪強(qiáng)度與規(guī)范參考值有較大差異，現(xiàn)場試驗(yàn)值偏低，尤其是粘聚力值低很多。原因是規(guī)范參考值是針對(duì)挖方邊坡給出的，而填筑體抗剪強(qiáng)度應(yīng)考慮原狀土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的損失和施工過程中細(xì)顆粒的減少，同時(shí)與填筑體的壓實(shí)度有關(guān)。因此進(jìn)行花崗巖風(fēng)化層填筑體的穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)注意規(guī)范參考值不能直接采用，否則結(jié)果將出現(xiàn)較大偏差。

(2)顆粒級(jí)配組成對(duì)填料的抗剪強(qiáng)度有顯著影響，總體而言，粗顆粒占比較高的填料其內(nèi)摩擦角大，粘聚力小，反之亦然。

(3)花崗巖風(fēng)化層填料抗剪強(qiáng)度與壓實(shí)度正相關(guān)，其粘聚力和內(nèi)摩擦角均隨壓實(shí)度的增大而增大，但是內(nèi)摩擦角增幅小于粘聚力。

(4)填料粘聚力隨含水率的增加先增大后減小，在最佳含水量時(shí)達(dá)到峰值；而填料的內(nèi)摩擦角與含水率相關(guān)性不大。

進(jìn)一步的工作應(yīng)選擇更多具有代表性的試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場大型直剪試驗(yàn)，獲取典型花崗巖風(fēng)化層填料粘聚力、內(nèi)摩擦角與顆粒級(jí)配、壓實(shí)度的相關(guān)曲線。以達(dá)到根據(jù)常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果及目標(biāo)壓實(shí)度推定花崗巖風(fēng)化層填筑體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的目的，從而更好的為工程建設(shè)服務(wù)。

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