玉林市建筑设计院广西玉林537000
摘要：粗粒土是一种高抗压强度和高透水性的工程土质。本文基于直接剪切试验，在分析素粗粒土剪切面力学特征的基础上，对其抗剪强度指标变化规律进行系统探究，期望有利于粗粒土土体结构性质的把控合理，进而为后期工程建设提供有效指导。
关键词：粗粒土；直接剪切试验；抗剪强度；指标变化
粗粒土是我国中西部一种较为常见的土质类型，实现其抗剪强度指标变化规律的规范把控，对于土体破坏形式把控和应用质量提升具有深刻影响。实际应用中，剪切破坏是粗粒土破坏的重要形式，其在粗粒土结构变性的同时，降低了土质自身的稳定性。因此，要确保工程基础稳定性的提升，实现其建设质量规范，就必须对粗粒土基础下的抗剪强度指标变化规律进行合理把控。
一、粗粒土直接剪切试验设计
1、实验材料选用
粗粒土界定中，其自身粗粒组的含量超过50%，并且具有较高的强度和透水性，沉陷变形量较小[1]。通常情况下，受自身结构影响，受压应力是粗粒土承受荷载的主要类型，并且粗粒土基本不承受拉应力。本直接剪切试验中，选取河流上游河床砂卵石作为主要的试验材料，并且按照饱和固结快剪、非饱和固结快剪、干密度等不同属性对其进行分组。需要注意的是，为确保实现材料选用的规范，应对超粒径卵石施进行模拟级配，本实验模拟级配的最大粒径为80mm，大于5mm的粒径范围保持在22%~75%之间。
2、试验仪器和方法
可视化大型直剪测试仪是粗粒土直接剪切试验的主要设备。实验过程中，为实现粗粒土的直接剪切试验，本直剪盒设备的内径尺寸较大。直剪盒上剪切盒的尺寸为600×400×400mm，而下剪切盒的尺寸为800×400×300mm，确保了砾类粗粒土剪切试验的规范进行。
直接剪切试验中，实验人员在剪切和的前侧进行了钢化玻璃镶嵌，然后在高清数码相机的支撑下，对图像进行采集处理。本实验剪切速率为2mm/min，同时进行其法向作用力的分层控制。具体而言，当确保粗粒土试样相对密度为0.6时，进行其干密度和试样筒尺寸设计，然后进行试样重量称取。当试样拌匀后，应将其分层装入剪切盒内，并在水饱和法的应用下，对试样进行饱和处理；一旦饱和的水分溢出试样表面，则认为试样饱和。此时，进行透水板、穿压板、垂直千斤顶的质量控制和对称安装，确保粗粒土直接剪切试验进行。针对统一粗粒土规格，其制取密度和直剪试验结果如下表1所示。
表1同一粗粒土在不同目的下的直剪试验结果
二、粗粒土剪切试验分析
1、粗粒土剪切试验计算
抗剪强度、摩擦系数是粗粒土抗剪性能性能把控的两个重要指标。理想状态下，若剪切面上的剪切应力均匀分布，则依据摩尔一库伦强度理论可实现粗粒土抗剪强度和摩擦系数的有效计算。需要注意的是，粗粒土的分布形态不同，其抗剪强度的计算会有所差异。譬如，就筋土接触面而言，其抗剪强度可通过下式进行表达：
（1）
而素粗粒土剪切强度的表达公式为：
（2）
此外，若以K表示粗粒土的摩擦系数，则其可表示为：
（3）
（1）（2）（3）式中，Tsg和T分别代表了筋土界面剪切强度和素土剪切面剪切强度。Csg为筋土截面粗粒土的内聚力，而δ为筋土截面的法向应力。此外，ψsg代表了筋材与填料接触面摩擦角；而ψ为粗粒土自身的内摩擦角。
2、粗粒土剪切面力学分析
直剪测试仪应用中，剪切合分为上下两个部位，并且与上部剪切盒相比，下部剪切盒的面积明显较大。在确保上下剪切面积相同时，对不同粗粒含量试样的法向作用力关系进行测试，并绘制法向压力与剪切位移的关系。
三、粗粒土抗剪强度指标变化规律分析
1、粗粒含量与干密度关系
本实验中，针对不同的粗粒土试样，其粗粒含量最高的为74.94%，当试样相对密度为0.6使，以粗粒的含量和干密度为纵横坐标，可得到粗粒含量与干密度的关系曲线。由实验可知，若粗粒的的相对密度一致，则不论是饱和固结快剪还是非饱和固结快剪，其摩擦角与干密度呈现出正相关关系。即随着粗粒含量的增加，粗粒土的干密度处于持续增加状态。其会使得土体的体积和土重不断增加。需要注意的是，粗粒土本身之中含有一定的细粒土，这就使得在粗粒土剪切强度控制中，粗粒土颗粒强度、细粒土颗粒强度和粗细砂砾之间的咬合强度成为粗粒土抗剪强度的三个基本因素。
2、干密度、粗粒含量与摩擦角关系
剪切试验中，伴随着粗粒土干密度的增加，其摩擦角系数呈现出不断上升趋势。并且由试验结果可知，粗粒图的摩擦角系数保持在32.5~46.7之间。具体而言，随着干密度的增加，粗粒土之间填充的密实程度不断增加，在挤密作用下，颗粒之间的摩擦逐渐增大，这使得其土体之间的内摩擦角逐渐增大。并且当干密度达到一定标准后，内摩擦角会趋于相等。
粗粒含量与摩擦角具有直接关系。通常情况下，若粗粒土试样中包含了较多的细粒土，则细粒土的强度会对内摩擦角造成一定影响。然而随着粗粒土成分的不断增加，细粒土在土体中的作用会有所弱化。此时，粗粒土在相互咬合作用下，会产生一定的摩擦作用力，并且随着粗粒土含量的增加，其摩擦力会持续上升。需要注意的是，在饱和固件快剪和非饱和固结快剪中，饱和固结快剪的内摩擦角系数低于非饱和固结快剪，当试样中粗粒含量达到一定标准后，两者的摩擦角指标值会趋于相同，符合土体的工程应用特征。
3、干密度、粗粒含量与咬合力关系
通常情况下，粗粒土颗粒之间的咬合能力对于土体承载能力具有加大影响。其也是粗粒土抗剪强度把控的重要内容。从实验过程来看，粗粒土的咬合作用会受到摩擦作功和颗粒间相互咬合嵌挂作功影响。而要实现这一现象的有效控制，
就必须对粗粒土的干密度和含量进行有效提升。
结论
借助粗粒土直接剪切试验可知，粗粒土的抗剪强度指标变化具有以下特征：其一，相对密度一定时，随着试样中粗粒土含量的增加，其干密度指数会呈现出上升趋势；其二，干密度和粗粒含量是影响粗粒土内摩擦角值的重要因素，内摩擦角度值与这两个要素均呈现出正相关关系。其三，随着干密度、粗粒含量的增加，粗粒土之间的咬合力会获得提升。其确保了粗粒土抗剪强度的提升。因此在工程实践中，要实现粗粒土抗剪强度的有效规范，确保粗粒土土体稳定性，就必须对粗粒的含量、干密度、内摩擦角和咬合力进行严格控制，在确保粗粒土含量和干密度上升的同时，实现其内摩擦角值和咬合力的有效提升。
参考文献：
[1]基于大型直剪试验的土石混合体颗粒破碎特征研究[J].岩土工程学报，2017，39（8）：1425-1434.