碎石土地基的岩土工程评价

第17章碎石土地基的岩土工程评价17.1 碎石土的基本特征及岩土工程问题1．碎石土的分类粒径大于2mm的颗粒质量超过总质量50％的土定名为碎石土。

碎石土可按颗粒级配和颗粒形状再分为三组共6个亚类。

碎石土分类2．碎石土的基本特征1）颗粒组成碎石土的颗粒组成特点是粒径大小往往相差悬殊，缺乏中间粒径。

以角砾、碎石或块石作为骨架，以黏性土或砂土为充填物。

颗粒级配曲线有一段近似水平线，在该直线区段的颗粒是极少的。

2）密实度碎石土的密实状态对其力学性质影响很大。

但由于取样困难，不能用一般土工试验的方法进行测定。

所以在工程实践中，常不根据定量指标(孔隙比、相对密度)来进行密实状态的分类。

根据其骨架颗粒含量和排列，结合野外钻探、掘进的困难程度及坑壁情况进行分类，参见表17-2。

——定性描述的方法《岩土工程勘察规范》（GB50021—2001）碎石土密实度的划分——定量指标的方法碎石土的密实度可根据圆锥动力触探锤击数确定，重型圆锥动力触探按N63.5和超重型圆锥动力触探按N120查下列表，表中的N63.5和N120应按国家标准《岩土工程勘察规范》（GB50021—2001）附录B进行杆长修正。

碎石土密实度(按N63.5分类)注: 1 本表适用于平均粒径等于或小于50mm, 且最大粒径小于100mm 的碎石土。

2 对于平均粒径大于50mm, 或最大粒径大于100mm的碎石土,可用超重型动力触探或用野外观察鉴别。

碎石土密实度(按N120分类)3）土的结构碎石土骨架颗粒为连续接触时，其强度由组成骨架的碎石起控制作用。

一般说来，碎石由结晶岩组成的，其强度比由沉积岩组成的高些。

碎石土骨架颗粒为不连续接触，而为充填物所包裹时，碎石土的强度由充填物起控制作用。

当作为充填物的细粒含量接近或超过其土体全重的40％时，整个土体则表现出相应细粒土的性状。

充填物为砂土的，其强度较充填物为黏性土的为高。

充填物为砂土时，含水量对其强度的影响不大，而密实度对强度的影响则甚大。

一般碎石土粒径愈大，含量愈多，承载力愈高；骨架颗粒呈圆形并充填砂土的较呈棱角状井充填黏性土的要高，同类土中密实的较松散的承载力为高。

4）分布特点常见碎石土，特别是碎石、卵石、块石、漂石类，一般不呈大面积分布，而只在其他土层中呈透镜体或尖灭夹层存在，厚度变化剧烈。

故对这类地基土尤其要注意查明其构造在各方向上的变化所造成的工程性质的不均匀性和各相异性特点。

5）湿陷性部分松散及稍密的碎石土，尤其是西北地区的洪积、坡积角砾，常具有湿陷性，是值得注意的。

由于碎石土包含有不同数量的粗大颗粒，不能在室内用—般土工试验方法测定其物理力学性质，而必须采用现场试验方法（大体积法）进行测定。

17.2 碎石土物理性质指标的测定碎石土的物理性质指标主要是：天然孔隙比e（测定天然重度γ后换算而得），天然含水量w及相对密度Dγ。

1、碎石土的天然重度γ和天然孔隙比e的测定与计算：碎石土中由于含有大量粗颗粒，故不能用取土器采取原状土样，也不能用环刀法切取试样测定天然重度及天然含水量，对于地下水位以上的碎石土，可以挖坑用注水法、或增砂法测定天然重度，其具体方法见第16章。

但为保证试验质量，一般试坑体积不宜小于3000cm3。

一般地基土，在测定天然重度γ后，可以用式(17-1)或式(17-2)计算天然孔隙比e ：1dGe γ=- （17-1）或：(10.1)1dG e ωγ+=- （17-2）式中：G —颗粒比重；ω—含水量。

但对于碎石土，由于碎石、卵石等粗颗粒本身密度很大，必然使其γ偏大，ω偏小．因此使用式(17-1)或(17-2)计算而得的e 值偏小。

实际上，当碎石、卵石并不能形成承力骨架(当碎石骨架颗粒不连续接触时解石土在外力作用下的变形主要由较细颗粒的充填物的孔隙比所决定，因此细颗粒的孔隙比比包含粗颗粒在内的孔隙比要大，如不考虑这一点，就会在工程上作出不符合实际情况的判断，把原来强度低的当成强度高的，这是在工作中常遇到的实际问题。

在工程实践中，可按下列步骤来处理解决这一问题：(1)将已测过天然重度γ的土选取足够的均匀试料，烘干后求出其天然含水量ω。

(2)将烘干的土全部磨细过筛，求土中大于2mm 颗粒的土重百分比P ％。

(3)将已知干重g (g)的一堆粗颗粒试样，置水中充分饱和，然后取出立即投人图17-2所示的虹吸筒，观测其从简中排出的水量V (cm 3)。

则粗颗粒比重c g G V=(4)用下式(17-3)计算土中细颗粒部分的干重度γ’d 。

(10.01)'(10.01)0.01c d c G P G P γγωγ-=+-（17-3）(5)用式(17-4)计算土中细颗粒部分的孔隙比e ’。

'1'XdG e γ=-（17-4） 式中：X G —细颗粒部分的颗粒比重。

今以一实例来说明e 与e ’的关系。

如γ=22.0kN/m3，ω=25%，P =20%，粗颗粒比重G c =2.64，细颗粒比重G X =2.73，用式（17-2）：(10.01)27.3(10.25)110.5522.0G e ωγ++=-=-=如用式（17-3）326.422.0(10.20)'16.25/26.4(10.25)0.222.0d kN m γ⨯-==--⨯再用式（17-4）计算e ’， e ’=27.3/16.25-1=0.68e ’和e 相比相差几乎达20％。

如粗颗粒含量P>20％，误差还要大些。

故这一问题是不容忽视的，否则会造成错误的判断。

2、碎石土的天然含水量碎石土的天然含水量于野外可以用下述比重筒方法比较快地测定。

(1)以容积为3—4L 金周圆筒，先装满水便与筒之顶缘相平，称其重量g 1(g)，精确度为1g 。

(2)取重约1—2kg 具有天然含水量的试样称重为g 2(g)。

(3)将圆筒中的水倒出一部分，然后将已称重之样品放入筒中，为使其中空气排出，可小心的用棒轻轻搅动。

待空气排完后，再注水于筒中，仍使水面与回筒顶缘相平，称其重量为g 3(g)则碎石土的天然含水量可按式(17-5)计算：213(1)(%)1100()g G g g G ω⎡⎤-=-⎢⎥--⎣⎦（17-5）式中G 为颗粒比重。

3、碎石土的相对密度碎石土的相对密度D r 与砂土相同。

max max minr e eD e e -=-可以用10000cm 3体积的捅，将碎石土混合均匀较缓地注入桶内，表面抹平计算而得。

min e 可以用木棍将碎石土捣至最密实后测得。

***土粒比重粗粒 ＞5mm ——虹吸管法 细粒 ＜5mm ——比重瓶法17.3 碎石土强度指标的测定碎石土的力学强度指标的测定与其物理性质指标的测定一样，也必须采用大尺寸的试样，在现场直接测定。

其测定方法有：水平推剪试验、大型直剪试验（现场直接剪切试验）及大型三轴试验。

1、水平推剪试验水平推剪试验不加垂直荷载，用千斤顶加水平报力推挤土体，根据一次试验结果，用极限平衡理论计算土体的抗剪强度指标c，φ。

水平报剪试验装置示意见图17-3(a)。

h伪高度应超过土中最粗颗粒直径的5倍以上。

在推挤土体的两侧，要开一宽为10～12cm的边槽，开槽后仍回填土，并用平滑的白铁皮将推挤土体与回填土间隔开，使尽量减少填土对试验土体的摩擦影响。

千斤顶施力于活动挡板上，施力点距坑底高约1/3h；活动挡板可以用普通厚钢板制成，以施力后钢板本身不挠曲为原则。

为克服活动挡板本身重量的影响，可通过三角架上滑车，用重物平衡。

活动挡板位移的测量设置在活动挡板两端各为L／10。

位移量测到0.4mm就基本达到要求。

推挤土体移动时剪切面的力由千斤顶上的测力计测定。

施加的水平推力是分级加上的，先大致估计土体的极限抗剪强度，开始加荷等级可适当大一些，一般用250～500kg。

到接近极限值时，加荷等级可小些，一般用100～150kg。

每级荷载加上后，观测时间间隔为0，2min，3min，5min，5min……。

相对稳定标准可取Δi≤0.2Δ1（Δ1为加荷后第一个5min 的变形值；Δi 为第一个5min 以后某一个5min 内的变形增量）。

最大推力P max ，可用出现下列条件之一来确定： (1)土体表面出现明显的剪切裂缝；(2)当加荷后，在该荷重下变形随时间等速增大，即认为土体已经被破坏；(3)土体位移总值达0.1L 时。

剪切面的位置往往不易确定。

可在土体的两侧与顶面用墨线画上方格网的方法来绘方格网的大小可用10cm ×locm 。

如剪切面的轮廓不好确定时，可近似地当作圆筒形。

试验测得的数据为P max (极限推力)；P min (土体发生剪损后的推力)；和剪切面的轮廓位置。

根据这些试验数据可用半图解法确定c ，φ值。

在推挤的土体上，分出一个单位宽度的棱体，假如棱体上水平压力为maxP P L⎛⎫=⎪⎝⎭，或min ''P P P L ⎛⎫= ⎪⎝⎭为均匀分布（这种假定是近似的）。

在厘米纸上按比例尺绘出推挤土体的轮廓，然后分成若干条块(见图17—3(b))，计算每个条块的重量g i （i =1，2，3，4）滑动线的长度L i 和与水平线所成的倾角αi 。

则每个条块上的剪切力P i 与其重量g i 成正比，即：maxi i P P g LG=（17-8） 式中：G 为各条块的重量和。

整个推挤棱体的极限平衡条件为：(')iiiiT T N tg c l ϕ-=⋅+⋅∑∑∑ （17-9）式中：i T —P i 在剪切面上的投影； 'i T —g i 在剪切面上的投影； i N —g i 在剪切面法线上的投影； 式（17-9）可写成：cos sin sin cos i i i i ii i i P P g a g a tg g a g a c li G G ϕ⎛⎫-=++ ⎪⎝⎭∑∑∑∑∑ （17-10） 而c 值可以根据（P-P ’）的差值来确定。

max min 1'()i c l P P P P L=-=-∑ （17-11） 将式（17-11）代入式（17-10），即得：cos sin (')sin cos i i i i i i i i Pg a g a P P Gtg Pg a g a Gϕ---=+∑∑∑∑ （17-12） 利用式(17-11)式(17-12)即可确定c ，φ值。

2、现场直接剪切试验（大型直剪试验）1）现场直接剪切试验的原理和适用范围现场直剪试验可用于岩土体本身、岩土体沿软弱结构面和岩体与其他材料（如混凝土等）接触面的剪切试验。

现场直剪试验按剪切条件和破坏方式分为:抗剪断试验 岩土体试体在法向应力作用下沿剪切面剪切破坏的抗剪断试验，抗剪试验 岩土体剪断后沿剪切面继续剪切的抗剪试验(摩擦试验)，抗切试验法向应力为零时岩体剪切的抗切试验。