DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.02.035

不同水环境下土石混填地基水平推剪试验研究

王江营^1,2，曹文贵¹，翟友成¹，张高才¹，张永杰²

(1. 湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410082；

2. 长沙理工大学 水利工程学院，湖南 长沙，410000)

摘要：为了研究土石混填地基的承载特性与变形机理尤其是不同水环境对其有何影响，在特制的地槽内分别开展正常条件、饱水浸泡、干湿循环作用下的土石混填地基水平推剪试验研究，得到试样在不同条件下更加完整的破裂面、抗剪强度及推剪变形曲线。研究结果表明：土石混填地基的抗剪强度主要源于其内部土石料之间的相互摩擦、咬合等作用；在正常条件下可表现出良好结构性，其破裂面会发展到底面之下一定深度；干湿循环对试样的黏聚力有较大影响，对其破裂面、内摩擦角及推剪变形过程影响有限；饱水浸泡对试样的破裂面、抗剪强度及推剪变形过程均有很大影响，尤其是试样抗剪强度会大幅度降低，故在相关工程实践中须予以足够重视。

关键词：土石混填体；土石混填地基；水平推剪试验；抗剪强度；饱水浸泡；干湿循环

中图分类号：TU432             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)02-0615-06

Horizontal push-shear test of soil-rock mixture filled foundation under different water environments

WANG Jiangying^1,2, CAO Wengui¹, ZHAI Youcheng¹, ZHANG Gaocai¹, ZHANG Yongjie²

(1. College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China;

2. College of Hydraulic Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410000, China)

Abstract: In order to study the bearing characteristic and deformation mechanism of the soil-rock mixture filled foundation, especially the impact of different water environments, the horizontal push-shear test of soil-rock mixture filled foundation was carried out under normal condition, rain-fall soak and dry-wet cycling in a special model tank respectively, and then the more complete and real fracture surface, shear strength index and shear deformation curve of samples were gotten in different conditions. The results show that the shear strength of soil-rock mixture filled foundation is mainly caused by mutual friction, mesh and embedding of aggregated rock. The samples has good constitutive property under normal condition, and its fracture surface will exceed the sample’s height. Dry-wet cycling have great influence on the cohesive force of sample, but it has little impact on the sample’s fracture surface, internal friction angle and shear deformation process. Rain-fall soak has great influence on the fracture surface, shear strength and shear deformation process of sample. Especially, the samples’ c (cohesion) and φ (internal friction angle) greatly reduce, and hence enough attention should be paid in the relevant engineering practice.

Key words: soil-rock aggregate mixture; soil-rock mixture filled foundation; horizontal push-shear test; shear strength; rain-fall soak; dry-wet cycling

由山体开挖而形成的土石混填体作为一种特殊的材料在地基和路基填筑^[1]中有着非常广阔的应用前景。然而，土石混填体作为一种填料其工程力学特性比较复杂，加之我国南方雨量充沛，地基长期处于潮湿状态，土石混填体力学性质势必受到降雨、浸水及干湿交替等复杂环境的影响，若能够正确掌握其在不同水环境下的承载变形机理与抗剪强度特性，则对于工程建设及相关理论研究都具有重要指导意义。Indraratna等^[2-9]开展了土石混填体大型三轴和直剪试验研究，得到了一些典型的剪应力剪切位移关系曲线，并初步掌握了土石混填体含石量等指标与其抗剪强度之间的关系，特别是王江营等^[9-10]的研究表明，水对土石混填体的剪切变形过程与抗剪强度均存在显著影响。然而，上述研究多是在室内开展，试样的环境、受力条件均与现场存在较大差别，故难以反映出更加真实的变形机理、强度特性与破坏模式。为此，油新华等^[11-14]在现场开展了一系列水平推剪试验，对土石混填体的强度特性有了更深入的了解，但这些研究仍存在两方面不足：1) 未重点考虑不同水作用环境的影响。XU等^[12-13]虽然在浸水条件下开展了相关试验，但其研究对象为自然生成的土石混合体，而非经人工干预、改造后可用于工程建设的土石混填体，亦未考虑干湿循环的影响；2) 上述试验在开展时由于受客观条件限制，所能观察到的破裂面均在试样高度范围以内，无法观察试样底面以下的情况，即所得到的破裂面可能并非是完整的。综上所述可知，若能够开展更加全面的不同水作用环境下土石混填地基推剪试验研究，并分析各个因素对其承载变形机理和抗剪强度特性的影响，同时，观察试样底面以下的变形情况，则对相关研究具有重要指导意义。为此，本文作者在特制的地槽内分别在正常条件、饱水浸泡以及干湿循环下对其进行推剪试验，得到土石混填地基在不同水环境下完整的破裂面、抗剪强度及推剪变形曲线，并就此进行分析，以期完善土石混填地基的水平推剪试验研究，并为相关理论研究与工程实践提供一定参考。

1  试验设备、场地及材料

1.1  主要试验设备及场地

试验所需的主要设备有千斤顶、加载板、垫板、位移计、喷壶、白炽灯及电动冲击夯等。

试验现场所使用的地槽长为3.8 m、宽为1.0 m、深为2.0 m，其一侧采用透明有机玻璃板并用型钢进行加固，另外3面采用钢筋混凝土浇筑而成。土石混填地基拟填筑高度为60 cm，试样所需高度为30 cm，这样，通过玻璃板可观察到地基整体高度范围内的变形和破坏情况。目前已有的相关试验研究^[11-14]多是在现场进行，由于条件限制，其观察面只能开挖到试样所需高度，故难以观察试样底面以下的情况，本文通过在特制地槽内进行试验便可很好地解决这个问题，从而能够得到更加完整、真实的破裂面。

1.2  试验材料

在选取试验材料时应该尽可能的与工程实际相一致，同时还需具有合理的配比，因此，本文采用文献[9]中的土性II和岩性II制备试验所需的土石混填体，即土体为我国南方地区比较典型的红黏土，石料为山体破碎而成的角砾。土石混填体含石量(质量分数)为55%，颗粒级配如表1所示。不均匀系数C_u=15.0，曲率系数C_c=1.67。将不同粒径的土石料在最佳含水率(5.27%)^[9]下搅拌均匀并在晚上静置10 h后用于地基 填筑。

表1  土石混填体级配

Table 1  Grading of soil-rock aggregate mixture

2  试验方案与试验过程

2.1  试验方案

在地槽内拟填筑A、B和C共3组土石混填地基。A组试样含A1，A2和A3，B组试样含B1，B2和B3，C组试样含C1，C2和C3。填筑前首先在地槽两侧各铺设4层高强度塑料布，塑料布之间涂抹润滑油；然后分层填筑，每层地基的压实度达到94%~95%^[9]，填筑高度为0.6 m；填筑至预定高度后开挖水平推槽(深30 cm、宽35 cm)，并抽出玻璃板一侧的塑料布，保留水泥墙上的塑料布，这样地槽的两侧既可起到应有的约束作用，但又不会产生较大的摩擦，即试样的高为30 cm，宽为100 cm，长为90 cm。

试样制作完成后，按照文献[15]的相关要求安装千斤顶及测量设备，千斤顶作用在传力板高度的1/3、宽度的1/2处，并确保千斤顶、垫板、传力板及试样紧密贴合，位移计对称位于千斤顶两侧。同时，为了更加方便、准确地观察试样的变形破坏过程，在靠玻璃板一侧每隔10 cm打入一段不同颜色的石灰粉，并在玻璃板上绘制4 cm×4 cm的方格网。

这3组土石混填地基分别在正常条件(A组试样)、饱水浸泡(B组试样)及干湿循环(C组试样)下进行试验，即：A组试样按上述要求制作完成后便可进行加载；对于B组试样，需预先在地槽底部铺设防水塑料布，试样制作完成后对其洒水浸泡，约48 h后进行加载^[9]；对于C组试样，在试样制作完成后首先对其洒水饱和，然后采用6盏200 W白炽灯照射24 h。图1所示为地基被照射24 h后不同深度处的含水率。可认为已完成1次干湿循环，共循环4次后进行加载^[9]。

图1  照射24 h后试样不同深度处的含水率

Fig. 1  Water content of different depth in specimen after illuminated 24 h

2.2  试验过程

在加载阶段，首先检查各仪器设备能否正常工作并记录其初始读数；然后，开始缓慢施加水平推剪力，使试样每30 s内的水平变形量保持在2~3 mm之间，同时每30 s记录1次推力和水平变形量；最后，当出现最大水平推力P_max和最小水平推力P_min后，便可停止剪切，绘制完整的破裂面，并整理试验数据。

3  试验结果及其分析

对于土石混填地基水平推剪试验，本文重点研究其受力破坏形式、破裂面形状、抗剪强度指标及推剪变形曲线。

3.1  破坏形式及破裂面形状

图2所示为根据现场记录得到的土石混填地基在不同水环境下的破坏面。通过观察对比可知：

1) 在相同水环境中，每一组试样的3个破裂面总体上都较接近；当试样处于不同的水环境中时，A和C这2组(正常条件、干湿循环)的破裂面仍较相似，近似呈圆弧状，而B组(饱水浸泡)的破裂面则与之存在较大差别，总体上更加接近直线状。

图2  土石混填地基的破裂面示意图

Fig. 2  Fracture plane of soil-rock mixture filled foundation

2) 对于A和 C这2组试样，其破裂面在形成初期多是会先往下发展一段，然后逐渐向上不断发展，直至形成贯通的破裂面。可知：若仅在试样的高度范围内观察其破裂面的发展过程和最终形状，则所得结果难以是完整的，这也表明在本文所特制的地槽内开展土石混填地基推剪试验的必要性和优越性。对于B组试样，其破裂面在形成过程中基本不会向下发展，而是近似呈线性不断向上发展直至试验结束，且破裂面的水平投影长度要明显比A和C组的大。

虽然A和C这2组试样处于不同的水环境中，但它们破裂面的发展过程和最终形状均比较接近，这是因为尽管C组试样受到了干湿循环作用。但由图1和图2(c)可知：其主要受力范围内土石混填体的含水率与A组试样的含水率差别不大，受到相同荷载作用后的变形也比较相似。同时，A和C这2组试样的破裂面首先向下发展，进而转为向上发展，与其他材料的推剪破裂面也有所不同，这表明此次试验所采用的土石混填体具有一定结构性：即在加载初期，传力板附近粒径不一的土石料会相互咬合、镶嵌而形成1个三维骨架，骨架的竖向尺寸超过了30 cm，破裂面因此发展到试样底面之下一定深度；距离传力板较远的土石料由于受荷较小且约束条件有限，难以形成有效骨架，所以，试样中后段的破裂面接近直线，若恰好穿越粒径较大的石块，则破裂面会产生一定波动。

然而，由于B组试样处于饱水浸泡环境中，试样的含水率要比A和C这2组的大，从而导致了其破裂面与A和C组存在较大差别。因为当试样饱和时，土石料之间的摩擦效应会被大幅度削弱^[9-10]，且试样中还会产生一定水压力，会进一步削弱颗粒间的相互作用，导致土石混填体的结构性难以发挥。于是，在水的影响下，B组试样的破裂面与众不同。

3.2  抗剪强度指标

B组试样处于饱水浸泡环境中，在相关计算中需考虑水压力的影响。根据文献[12, 15]的有关成果，将滑动体划分为若干条块，通过式(1)和(2)可求得土石混填地基在不同水环境下的黏聚力c和内摩擦角φ。

         (1)

   (2)

g_i=BL_ih_iγ                (3)

W_i= BL_ih_iγ_w               (4)

式中：P_max为最大水平推力(kN)；P_min为最小水平推力(kN)；B为试样的宽度(m)；L_i为第i条块面在滑裂面上的线长度(m)；G为滑动体的总重力(kN)；α_i为第i条块处的滑裂面与水平面的夹角(°)；g_i为第i条块的重力(kN)；h_i为第i条块的中线高度(m)；γ为试样的天然重度(kN/m³)；W_i为第i块条块滑动面处的水压力(kN)；γ_w为水的重度(kN/m³)。

根据图2及式(1)~(4)便可求得每组土石混填地基对应的c和φ，最终计算结果如表2所示。对表2中的计算结果进行整理分析可知：

1) 土石混填地基的抗剪强度虽然由黏聚力c和内摩擦角φ 2部分组成，但在此次试验中，其黏聚力普遍较低，最大值仅为8.58 kPa；而试样的内摩擦角则比较高，在浸水环境下最少也达到了39.07°。

2) 对于相同环境下土石混填地基的3个试样，其c和φ的计算结果虽然不完全相同，但比较接近；当试样处于不同水环境下时，存在显著差别。

3) 这3组土石混填地基均是在最佳含水率下填筑而成，故当试样处于正常条件时，其抗剪强度指标c和φ最大，而饱水浸泡和干湿循环会对其c和φ产生弱化影响，尤其是饱水浸泡最明显。由表2可知：A组试样的平均黏聚力是浸水条件下B组的2倍多，其内摩擦角亦高约21%；而虽然A组试样的内摩擦角与C组的相差并不大，相差仅约3%，但是其黏聚力比C组高近50%。可知：土石混填地基的抗剪强度主要来源于内摩擦角，即不同粒径土石料间的相互摩擦、咬合等作用，其黏聚力较低且易受到水的影响；同时，不同的水作用环境对其抗剪强度指标亦存在不可忽视的影响。

表2  土石混填地基推剪试验试验结果

Table 2  Horizontal push-shear test results of soil-rock mixture filled foundation

土石混填地基在浸水环境下其c和φ均会出现大幅度降低，这主要由2方面因素造成：1) 当试样处于饱水状态时，不同粒径的颗粒之间相互摩擦、黏结等效应均会有所降低；2) 土石混填体的渗透性较强，处于浸泡状态时其内部会产生一定水压力，这必然会进一步影响土石料之间各种相互作用的发挥。

试样在干湿循环条件下其黏聚力出现较大幅度降低，而内摩擦角受影响程度很小，甚至可忽略不计，究其原因有以下几点：1) 虽然在干湿循环作用后试样主要受力范围内的含水率仍比较接近最佳含水率，但由于土石混填体的渗透性较强，因而，在反复的干湿循环作用下其内部的细颗粒会被水带走一部分，其黏聚力会有所降低；2) 由于细颗粒数的减少在一定程度上造成粗颗粒之间更容易发生接触与摩擦，理论上说，试样的内摩擦角甚至有可能有所增大，但从试验结果看未见增加，这可能是因为细颗粒数的减少虽然增加了粗颗粒之间相互接触、摩擦的概率，但试样的孔隙率也会增加，即相当于降低了地基的压实度，而压实度降低会对土石混填地基的内摩擦角产生不利影响。于是，在这些因素的综合作用下，试样的内摩擦角并未受到较大影响。

3.3  推剪力推剪位移关系曲线

根据试验中实时记录的数据，还可得到每一个土石混填地基的推剪力推剪位移关系曲线。为了便于对比观察，在3组试样中各取1条具有代表性的推剪关系曲线，如图3所示。从图3可知：在不同水作用环境下，土石混填地基的推剪变形曲线亦截然不同，具体可分别描述如下。

1) 在正常条件下，A组试样的推剪变形过程大致可分为压密阶段、线弹性变形阶段、弹塑性(屈服)变形阶段和破坏后变形阶段共4个过程。在压密和线弹性变形阶段，试样的推剪力增大速率很高，进入弹塑性变形阶段后推剪力的增大速率明显降低，而试样发生破坏后，推剪力则随之有所下降。A组试样的最大推剪力P_max明显比B和C组的高。

虽然土石混填地基的压实度达94%~95%，但土石料仍未完全贴合在一起，故在受力之初试样需要被适当压密后其内部才会形成骨架，结构性亦会随之发挥出来；而当推剪力越来越大、试样的结构性逐渐破坏时，便进入了屈服和破坏后变形阶段。

图3  不同条件下试样的推剪力推剪位移关系曲线

Fig. 3  Shear stress-shear displacement curves of sample under different conditions

2) 在饱水浸泡环境下，B组试样的推剪变形过程基本上是处于弹塑性变形状态，推剪力始终缓慢增长，试样发生破坏后处于塑性变形阶段，其推剪力未见明显降低。C组试样的最大推剪力P_max比另外2组的最大推剪力小很多，但是其水平推剪位移是最大的。这是由于当土石混填地基处于饱水状态时，在试验初始阶段其内部会产生较大的孔隙水压力，随着推剪的进行，孔隙水压力会逐渐消散，而这又是一个较漫长的过程，因此，试样的抗剪强度增大速度始终非常缓慢；同时，由于水的过量存在使得土石混填体的c和φ大幅度降低、结构性难以发挥出来，从而造成了其推剪变形曲线、P_max均与另外2组差别较大。

3) C组试样的推剪变形过程与A组的较相似，但其压密阶段并不明显，而破坏阶段则更加显著。同时，虽然C组的最大推剪力P_max比A组的小，但在试验初始阶段其推剪力最大，而当进入破坏阶段之后，推剪力的下降幅度亦比较大。

在干湿循环作用下，白炽灯的照射会造成土石混填地基上部的含水率非常低(图1)，尤其是地基表层土体会因失水而发生胶结，故试样上部约10 cm范围内由于土体胶结而会形成更强的“结构性”，因此，在试验中会表现出初始阶段抗剪强度较高、屈服后强度显著下降的“脆性”破坏特性。

土石混填地基所呈现出的上述特征，与文献[9]中不同水作用环境下土石混填体大型直剪试验的剪应力剪切位移曲线特征具有较好的一致性，即水是最主要的影响因素；同时，每组试样的推剪变形曲线亦与图2中的破裂面相对应，这也从侧面表明了本文试验的合理性与可靠性。

4  结论

1) 在特制的地槽内分别开展了正常条件、饱水浸泡、干湿循环作用下的土石混填地基水平推剪试验研究，并获得了试样在不同水环境下更加完整的破裂面、抗剪强度指标以及推剪变形曲线，可为相关的理论研究与工程建设提供一定参考。

2) 在此次试验中，土石混填地基的抗剪强度虽然由黏聚力和内摩擦角共同组成，但其黏聚力普遍较低(4.23~8.57 kPa)，而且容易受到水的影响。然而，试样的内摩擦角则可达到40°~50°。

3) 在正常条件下，土石混填地基可表现出良好的结构性；试样在干湿循环作用后，由于表层土体失水胶结，其结构性在某种程度上会更加显著；而在浸水环境下，试样的破裂面、推剪变形曲线及c和φ均会受到很大影响，在工程实践中必须予以充分重视，并作好相关的防水和排水措施。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2015-02-10；修回日期：2015-04-22

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51508039, 51078137)；湖南省教育厅科技项目(15C0049)(Projects (51508039, 51078137) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (15C0049) supported by the Education Department of Hunan Province)

通信作者：王江营，博士，从事岩土体力学特性研究；E-mail：neimeng686@163.com