周 楊，楊 帆，張陽春，杜勇軍，李生汀

(1. 貴州高速公路集團有限公司，貴州 貴陽 550004；2. 中交第四公路工程局有限公司，北京 100022；3. 交通運輸部公路科學研究院，北京 100088)

0 引言

黏土質(zhì)礫是一種由細粒黏土與粗粒礫石按一定質(zhì)量比組合而成的混合土[1]。黏土質(zhì)礫級配不連續(xù)，粗、細顆?；祀s，是一類典型的非均勻、非均質(zhì)、非連續(xù)的混合多相介質(zhì)，其力學性質(zhì)具有特殊性和復雜性?？辜魪姸茸鳛轲ね临|(zhì)礫的一個重要力學指標，反映土體抵抗剪切滑動的能力。因此，研究黏土質(zhì)礫的抗剪強度特性對合理利用黏土質(zhì)礫填筑路基，確保路基整體穩(wěn)定，具有重要意義。

黏土質(zhì)礫的抗剪強度是由細粒黏土的強度和粗粒礫石的強度共同構成的。當?shù)[石含量超過某一臨界值時，黏土質(zhì)礫的抗剪強度將隨礫石含量的增加而增大。Patwardhan, Chang, Simoni等[2-4]進行了含礫石黏土在不同含石量下的大型直剪試驗，研究發(fā)現(xiàn)，當含石量小于40%時，含礫石黏土的抗剪強度隨含石量的增加呈現(xiàn)緩慢增大的趨勢，而當含石量超過40%時，其抗剪強度將急劇增大。李黎、董云、趙川、趙明華等[5-8]進行了礫質(zhì)黏土剪切試驗，發(fā)現(xiàn)當?shù)[石量小于40%時，黏聚力隨礫石量增加有略微上升的趨勢；礫石量在40%～50%之間時，黏聚力隨礫石量增加而急劇下降；礫石量大于50%時，黏聚力下降趨勢減緩。礫石量小于30%時，內(nèi)摩擦角增長緩慢; 礫石量在30%～50%之間時，內(nèi)摩擦角增長迅速；礫石量大于50%時，內(nèi)摩擦角增長減緩。楊繼紅等[9]通過室內(nèi)大型直剪試驗研究發(fā)現(xiàn)，當含石量小于30%時，隨含石量增加，含礫石黏土的抗剪強度變化不顯著；當含石量在30%～60%之間時，隨含石量增加，含礫石黏土的抗剪強度增大；當含石量>60%時，隨含石量增加，含礫石黏土的抗剪強度顯著提高。

已有研究成果表明[10-11]，黏土質(zhì)礫中的細粒黏土和粗粒礫石的含量對其抗剪強度特性具有控制作用，但由于黏土質(zhì)礫是一種復雜的巖土介質(zhì)，影響其抗剪強度的因素很多。因此，本研究針對貴州都安高速公路沿線具有代表性的高含水率黏土質(zhì)礫開展抗剪強度特性試驗研究，系統(tǒng)研究黏土質(zhì)礫抗剪強度特性變化規(guī)律和影響因素，為貴州都安高速公路黏土質(zhì)礫路基設計與施工提供技術支撐。

高含水率黏土質(zhì)礫是一種天然混合型填料，根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTG 3430—2020)定義為天然含水率高的細粒土及粗顆粒碎石、角礫混合體。該種土既受細粒土的特性影響，又受粗顆粒的特性影響，類似高含水率黏土經(jīng)過粗粒土及角礫天然改良。油新華[12-13]、徐文杰[14]等對土石混合體的形成開展了相關研究，研究了土石混合體的構成比例，并根據(jù)土石比閾值對其成分進行了分類研究。金福喜等[15]對含礫粉質(zhì)黏土中粗顆粒對抗剪強度的影響進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，含礫粉質(zhì)黏土應力應變之間的變化規(guī)律呈非線性，含礫粉質(zhì)黏土的黏聚力隨最大粒徑的變化而變化，隨著最大粒徑的逐漸減小，黏聚力呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，當最大粒徑在2 mm左右時出現(xiàn)峰值;隨著最大粒徑的逐漸減小，土體內(nèi)摩擦角逐漸減小，當含礫粉質(zhì)黏土中最大粒徑小于0.5 mm時，該粒組粒徑的變化對土體的內(nèi)摩擦角基本無影響；對比三軸試驗與直剪試驗結果得出，相同級配下，直剪試驗得出的黏聚力與內(nèi)摩擦角比三軸試驗得出的結果小。陳鋮等[16]經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn)，粗粒土的力學性能與顆粒級配有關，曲率系數(shù)的數(shù)值變化能夠直接引起變形特性及其強度的變化，當密實度低時，其強度和變形性能趨弱。孫晨等[17]在離散元數(shù)值模擬的結果上，就不同粒徑土樣的離散顆粒樣品進行分析，結果顯示，對于級配良好的土樣，其峰值強度隨土樣顆粒的粒度大小而變化，這種現(xiàn)象更加顯著地表現(xiàn)在高圍壓樣本中。蔣中明等[18]對含有部分黏土細顆粒的粗粒土進行離散元數(shù)值分析，結果顯示，對于各種粒徑的土樣，最大抗剪強度隨土樣顆粒粒徑的增大而增大，這種現(xiàn)象在壓力高的樣本中更為明顯。

本研究通過水洗法將天然黏土質(zhì)礫中的粗、細顆粒分離后，重新以不同比例混合，并在不同含水率條件下對其進行系統(tǒng)的抗剪強度試驗，通過此研究，可以明確該種黏土質(zhì)礫中粗、細顆粒在抗剪強度方面各自的力學表現(xiàn)，同時也可以明確最佳的粗、細顆粒組合比例，即在粗、細顆粒以一定比例混合時，黏土質(zhì)礫的抗剪強度最大。

1 抗剪強度室內(nèi)試驗方案

本研究對都安高速公路沿線的高含水率黏土質(zhì)礫進行系統(tǒng)的室內(nèi)試驗研究，通過矩陣設計，以0.5 mm為顆粒粒徑界限，通過水洗法[18]對粗顆粒及細顆粒進行分離，分離后的粗顆粒及細顆粒在室內(nèi)自然晾曬風干后，以不同比例重新進行摻配，之后再對混合的土樣加水配備成需要的含水率試驗條件。將土樣中的粗顆粒和細顆粒分離作為對照試驗，對分離的細顆粒進行室內(nèi)試驗，明確其抗剪強度特性(含水率：16%，22%，27%，32%，37%，42%)；對分離的粗顆粒進行室內(nèi)試驗，明確其抗剪強度特性。除此之外，對不同細顆粒含量下的土樣進行抗剪強度試驗，明確其黏聚力和內(nèi)摩擦角(含水率：16%，22%，32%，分別對應細顆粒含量20%，40%，60%，80%，100%)。圖1為不同粗、細顆粒比例混合的土樣。

圖1 不同粗、細顆粒比例混合的土樣Fig.1 Soil samples with different mixing proportions of coarse and fine particles

2 試驗結果分析

2.1 細顆粒含量對抗剪強度的影響分析

圖2為不同細顆粒含量下土樣的黏聚力試驗結果，可以看出，黏土質(zhì)礫的黏聚力隨細顆粒含量的變化而變化，且變化程度隨著法向荷載的增加而提高。

圖2 不同含水率下細顆粒含量與黏聚力間的關系曲線Fig.2 Curves of fine particle content vs. cohesion under different moisture contents

當細顆粒含量在20%～30%時，黏土質(zhì)礫的黏聚力隨細顆粒含量的增加而增大，因為混合料以粗顆粒為主，因此混合料的黏聚力不因含水率的變化而出現(xiàn)較大差異。當細顆粒含量介于30%～50%之間時，黏土質(zhì)礫對應的黏聚力隨細顆粒含量的增加呈降低變化，且降低的趨勢受含水率影響較大，含水率越高，黏聚力降低越顯著。當細顆粒含量在50%～80%時，黏聚力會隨細顆粒含量的增加而增大，這種變化比較顯著的原因是黏土質(zhì)礫具有構建骨架的充分條件，而細顆粒因為粒徑小的緣故恰好足以填滿其中的各種孔隙；此時土樣黏聚力就由粗顆粒間黏聚力、細顆粒間黏聚力、以及粗、細顆粒間的黏聚力共同控制；并且混合料黏聚力受含水率影響大，越接近最佳含水率，試件的密實度越高，黏聚力也就越大，反之含水率越高，黏聚力越小。當細顆粒含量介于80%～90%之間時，黏土質(zhì)礫對應的黏聚力隨細顆粒含量的增加呈下降趨勢，這是由于細顆粒含量持續(xù)增加，粗顆粒所起的骨架作用越來越弱，甚至粗顆粒被較多的細顆粒懸浮在混合料中，粗顆粒之間的接觸面越來越小，導致粗顆粒間的嵌擠力散失，土樣黏聚力下降。

圖3為不同細顆粒含量下土樣的內(nèi)摩擦角試驗結果。從圖中可以看出，當細顆粒含量大于20%且小于等于30%時，黏土質(zhì)礫中以粗顆粒為主，因為粗顆粒間具有較大的空隙，少量的細顆粒反而起到粗顆粒間的潤滑作用，所以隨著粗顆粒含量不斷減少，內(nèi)摩擦角隨之減小。當細顆粒含量介于30%和80%之間時，內(nèi)摩擦角呈顯著下降趨勢，但下降趨勢放緩；原因是黏土質(zhì)礫中的細顆粒含量趨向于與粗顆粒含量保持平衡，粗顆粒作為構成骨架的基本元素，憑借逐漸擠密壓實的細顆粒來實現(xiàn)骨架構造，但是如果細顆粒含量過高，又會阻礙粗顆粒構成骨架；另一方面，粗顆粒也阻斷了細顆粒之間的互動連接。當細顆粒含量超過30%時，含水率高的土樣內(nèi)摩擦角波動較大。當細顆粒含量大于80%時，黏土質(zhì)礫的內(nèi)摩擦角有逐漸變大的趨勢。但當土樣完全由細顆粒組成時，內(nèi)摩擦角又下降到80%細顆粒時的同等水平。這是由于黏土質(zhì)礫中主要成分是細顆粒，粗顆粒在結構中分散在細顆粒中，很難發(fā)揮粗顆粒的骨架結構作用，黏土質(zhì)礫的抗剪強度特性主要受細顆粒影響。

圖3 不同含水率下土樣內(nèi)摩擦角與細顆粒含量間的關系曲線Fig.3 Curves of internal friction angle vs. fine particle content of soil samples under different moisture contents

2.2 含水率對抗剪強度的影響分析

圖4和圖5為不同含水率下土樣的抗剪強度試驗結果。從圖中可以看出，當含水率小于20%時(細顆粒處于硬塑狀態(tài))，黏聚力下降比較緩慢；含水率介于20%～26%時，黏聚力下降比較顯著；含水率大于26%時(細顆粒處于可塑狀態(tài))，黏聚力下降又變得比較緩慢。因此，黏土質(zhì)礫的抗剪強度與細顆粒所處的軟硬狀態(tài)也有關系，即與液性指數(shù)有關。當混合料含水率較高時，根據(jù)顆粒間的含水率分析，其成分主要為游離水，意味著顆粒間分子引力強度很低，使混合物處于一種可塑的狀態(tài)，隨著含水率的逐步降低，其可塑性也隨之降低。當含水率為16.6%時，土樣顆粒間的水主要以強結合水狀態(tài)存在，強結合水導致顆粒間具有很大的相互作用力，如果使土樣達到破壞狀態(tài)，必須突破強大的分子引力，土樣的破壞屬于結構性破壞，這也是抗剪強度出現(xiàn)峰值的原因。隨著含水率的進一步增大，被破壞的土樣損失了較多的強度，抗剪強度非線性關系減小。

圖4 不同細顆粒含量下黏聚力與含水率間的關系曲線Fig.4 Curves of cohesion vs. moisture content under different fine particle contents

圖5 不同細顆粒含量下內(nèi)摩擦角與含水率間的關系曲線Fig.5 Curves of internal friction angle vs. moisture content under different fine particle contents

抗剪強度試驗結果顯示,有部分土樣的黏聚力為負值，其黏聚力的形成機制是粗、細顆粒間相互作用力的結果，一般情況下黏土的黏聚力為正值。無黏聚性土的黏聚力理論上應為0，但由于試驗誤差和土樣的不均勻性，線形擬合計算時也可能出現(xiàn)負值。另外，黏聚力為負值的土樣都為含水率顯著高于最佳含水率的試件，因此土樣結構相對較松散，在法向應力作用下發(fā)生壓縮變形，導致剪切面的顆粒間摩擦增強，這種松散土在快剪試驗時有可能會出現(xiàn)負值的情況。

2.3 顆粒配比、含水率與抗剪強度的統(tǒng)計學關系

為了明確含水率和細顆粒含量對黏土質(zhì)礫抗剪強度的影響，本研究分別設黏聚力、內(nèi)摩擦角、抗剪強度為因變量，含水率及細顆粒含量為自變量，進行統(tǒng)計學分析，擬合關系方程為：

c=36.13-1.62·w+0.25·F，

(1)

φ=20.13-0.09·w-0.11·F,

(2)

式中，c為黏聚力;φ為內(nèi)摩擦角;w為含水率;F為細顆粒含量。

圖6為黏聚力實測值與擬合值之間的對比。含水率及細顆粒含量均與黏聚力有較好的統(tǒng)計學相關性，含水率及細顆粒含量與黏聚力的統(tǒng)計學回歸影響極為顯著(p=0.000 2，p=0.005 9，均小于0.01)，含水率及細顆粒含量對應抗剪強度的統(tǒng)計學回歸影響極為顯著(p=0.000 4，p=0.003 1，均小于0.01)。圖7為內(nèi)摩擦角實測值與擬合值之間的對比。含水率與內(nèi)摩擦角未表現(xiàn)出明顯的統(tǒng)計學相關性。細顆粒含量對應內(nèi)摩擦角的統(tǒng)計學回歸影響極為顯著(p<0.001)。p值為統(tǒng)計學中判定檢驗結果的一個參數(shù)，p值越小，表明結果越顯著。

圖6 實測黏聚力與預測黏聚力間的對比關系Fig.6 Comparison of measured cohesion with predicted cohesion

圖7 實測內(nèi)摩擦角與預測內(nèi)摩擦角間的對比關系Fig.7 Comparison of measured internal friction angle with predicted internal friction angle

含水率及細顆粒含量的變化對黏土質(zhì)礫的黏聚力具有顯著影響，且細顆粒含量的變化對黏土質(zhì)礫的內(nèi)摩擦角也具有顯著影響。無論在何種含水率狀態(tài)下，各類黏土質(zhì)礫的φ值均隨細顆粒含量的減少而增大，最小的線性相關系數(shù)R也大于0.93，說明兩者間存在良好的正相關關系。當細顆粒含量相同時，φ值不會隨著含水率的變化而有較大變化，基本保持不變。隨著土樣中粗顆粒的增多，細粒土逐漸向粗粒土過渡，φ值隨細顆粒含量的減少而增大。含水率越高時，黏土作為碎石骨架間的傳力介質(zhì)和支撐的能力就越弱，因此當細顆粒含量相同時，含水率越高，φ值越低。

3 結論

本研究針對貴州都安高速公路沿線代表性黏土質(zhì)礫開展了室內(nèi)抗剪強度特性試驗研究，分析了顆粒組成質(zhì)量比、含水率等因素對黏土質(zhì)礫抗剪強度特性的影響，揭示了黏土質(zhì)礫土石間相互作用機理。研究成果對于指導高速公路高含水率黏土質(zhì)礫路基的填筑具有重要意義，主要結論如下：

(1)黏土質(zhì)礫內(nèi)部作用力主要由3部分組成，分別是粗、細顆粒間的摩擦力、嵌擠鎖力以及黏聚力。

(2)黏土質(zhì)礫隨著粗、細顆粒組成比例的變化，其內(nèi)部結構也發(fā)生相應變化。當細顆粒含量在80%～90%之間時，混合料屬于一種懸浮密實結構，其強度主要取決于粗、細顆粒間的黏聚力和填充力；當細顆粒含量在60%～80%之間時，混合料屬于骨架密實結構，其強度主要取決于粗顆粒骨架形成的嵌擠鎖結力和細顆粒的膠結作用力；當細顆粒含量小于60%時，混合料屬于骨架空隙結構，其強度主要取決于粗顆粒的嵌擠作用和本身的力學特性。

(3)黏土質(zhì)礫含水率越高，細顆粒作為粗顆粒骨架間的支撐和傳力介質(zhì)的能力就越弱，反而形成一種潤滑作用，因此當顆粒成分相同時，含水率越高，抗剪強度參數(shù)值越低。

(4)通過統(tǒng)計回歸分析得出，含水率及粗、細顆粒組成比例均對抗剪強度參數(shù)值，即黏聚力及內(nèi)摩擦角有較好的統(tǒng)計學相關性。含水率及細顆粒含量的變化對黏土質(zhì)礫的黏聚力具有顯著影響，且細顆粒含量的變化對黏土質(zhì)礫的內(nèi)摩擦角影響顯著。