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周 杨，杨 帆，张阳春，杜勇军，李生汀
(1. 贵州高速公路集团有限公司，贵州 贵阳 550004；
2. 中交第四公路工程局有限公司，北京 100022；
3. 交通运输部公路科学研究院，北京 100088)
黏土质砾是一种由细粒黏土与粗粒砾石按一定质量比组合而成的混合土[1]。黏土质砾级配不连续，粗、细颗粒混杂，是一类典型的非均匀、非均质、非连续的混合多相介质，其力学性质具有特殊性和复杂性。抗剪强度作为黏土质砾的一个重要力学指标，反映土体抵抗剪切滑动的能力。因此，研究黏土质砾的抗剪强度特性对合理利用黏土质砾填筑路基，确保路基整体稳定，具有重要意义。
黏土质砾的抗剪强度是由细粒黏土的强度和粗粒砾石的强度共同构成的。当砾石含量超过某一临界值时，黏土质砾的抗剪强度将随砾石含量的增加而增大。Patwardhan, Chang, Simoni等[2-4]进行了含砾石黏土在不同含石量下的大型直剪试验，研究发现，当含石量小于40%时，含砾石黏土的抗剪强度随含石量的增加呈现缓慢增大的趋势，而当含石量超过40%时，其抗剪强度将急剧增大。李黎、董云、赵川、赵明华等[5-8]进行了砾质黏土剪切试验，发现当砾石量小于40%时，黏聚力随砾石量增加有略微上升的趋势；
砾石量在40%～50%之间时，黏聚力随砾石量增加而急剧下降；
砾石量大于50%时，黏聚力下降趋势减缓。砾石量小于30%时，内摩擦角增长缓慢; 砾石量在30%～50%之间时，内摩擦角增长迅速；
砾石量大于50%时，内摩擦角增长减缓。杨继红等[9]通过室内大型直剪试验研究发现，当含石量小于30%时，随含石量增加，含砾石黏土的抗剪强度变化不显著；
当含石量在30%～60%之间时，随含石量增加，含砾石黏土的抗剪强度增大；
当含石量>60%时，随含石量增加，含砾石黏土的抗剪强度显著提高。
已有研究成果表明[10-11]，黏土质砾中的细粒黏土和粗粒砾石的含量对其抗剪强度特性具有控制作用，但由于黏土质砾是一种复杂的岩土介质，影响其抗剪强度的因素很多。因此，本研究针对贵州都安高速公路沿线具有代表性的高含水率黏土质砾开展抗剪强度特性试验研究，系统研究黏土质砾抗剪强度特性变化规律和影响因素，为贵州都安高速公路黏土质砾路基设计与施工提供技术支撑。
高含水率黏土质砾是一种天然混合型填料，根据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)定义为天然含水率高的细粒土及粗颗粒碎石、角砾混合体。该种土既受细粒土的特性影响，又受粗颗粒的特性影响，类似高含水率黏土经过粗粒土及角砾天然改良。油新华[12-13]、徐文杰[14]等对土石混合体的形成开展了相关研究，研究了土石混合体的构成比例，并根据土石比阈值对其成分进行了分类研究。金福喜等[15]对含砾粉质黏土中粗颗粒对抗剪强度的影响进行了研究，研究发现，含砾粉质黏土应力应变之间的变化规律呈非线性，含砾粉质黏土的黏聚力随最大粒径的变化而变化，随着最大粒径的逐渐减小，黏聚力呈现先增大后减小的变化趋势，当最大粒径在2 mm左右时出现峰值;随着最大粒径的逐渐减小，土体内摩擦角逐渐减小，当含砾粉质黏土中最大粒径小于0.5 mm时，该粒组粒径的变化对土体的内摩擦角基本无影响；
对比三轴试验与直剪试验结果得出，相同级配下，直剪试验得出的黏聚力与内摩擦角比三轴试验得出的结果小。陈铖等[16]经分析后发现，粗粒土的力学性能与颗粒级配有关，曲率系数的数值变化能够直接引起变形特性及其强度的变化，当密实度低时，其强度和变形性能趋弱。孙晨等[17]在离散元数值模拟的结果上，就不同粒径土样的离散颗粒样品进行分析，结果显示，对于级配良好的土样，其峰值强度随土样颗粒的粒度大小而变化，这种现象更加显著地表现在高围压样本中。蒋中明等[18]对含有部分黏土细颗粒的粗粒土进行离散元数值分析，结果显示，对于各种粒径的土样，最大抗剪强度随土样颗粒粒径的增大而增大，这种现象在压力高的样本中更为明显。
本研究通过水洗法将天然黏土质砾中的粗、细颗粒分离后，重新以不同比例混合，并在不同含水率条件下对其进行系统的抗剪强度试验，通过此研究，可以明确该种黏土质砾中粗、细颗粒在抗剪强度方面各自的力学表现，同时也可以明确最佳的粗、细颗粒组合比例，即在粗、细颗粒以一定比例混合时，黏土质砾的抗剪强度最大。
本研究对都安高速公路沿线的高含水率黏土质砾进行系统的室内试验研究，通过矩阵设计，以0.5 mm为颗粒粒径界限，通过水洗法[18]对粗颗粒及细颗粒进行分离，分离后的粗颗粒及细颗粒在室内自然晾晒风干后，以不同比例重新进行掺配，之后再对混合的土样加水配备成需要的含水率试验条件。将土样中的粗颗粒和细颗粒分离作为对照试验，对分离的细颗粒进行室内试验，明确其抗剪强度特性(含水率：16%，22%，27%，32%，37%，42%)；
对分离的粗颗粒进行室内试验，明确其抗剪强度特性。除此之外，对不同细颗粒含量下的土样进行抗剪强度试验，明确其黏聚力和内摩擦角(含水率：16%，22%，32%，分别对应细颗粒含量20%，40%，60%，80%，100%)。图1为不同粗、细颗粒比例混合的土样。
图1 不同粗、细颗粒比例混合的土样Fig.1 Soil samples with different mixing proportions of coarse and fine particles
2.1 细颗粒含量对抗剪强度的影响分析
图2为不同细颗粒含量下土样的黏聚力试验结果，可以看出，黏土质砾的黏聚力随细颗粒含量的变化而变化，且变化程度随着法向荷载的增加而提高。
图2 不同含水率下细颗粒含量与黏聚力间的关系曲线Fig.2 Curves of fine particle content vs. cohesion under different moisture contents
当细颗粒含量在20%～30%时，黏土质砾的黏聚力随细颗粒含量的增加而增大，因为混合料以粗颗粒为主，因此混合料的黏聚力不因含水率的变化而出现较大差异。当细颗粒含量介于30%～50%之间时，黏土质砾对应的黏聚力随细颗粒含量的增加呈降低变化，且降低的趋势受含水率影响较大，含水率越高，黏聚力降低越显著。当细颗粒含量在50%～80%时，黏聚力会随细颗粒含量的增加而增大，这种变化比较显著的原因是黏土质砾具有构建骨架的充分条件，而细颗粒因为粒径小的缘故恰好足以填满其中的各种孔隙；
此时土样黏聚力就由粗颗粒间黏聚力、细颗粒间黏聚力、以及粗、细颗粒间的黏聚力共同控制；
并且混合料黏聚力受含水率影响大，越接近最佳含水率，试件的密实度越高，黏聚力也就越大，反之含水率越高，黏聚力越小。当细颗粒含量介于80%～90%之间时，黏土质砾对应的黏聚力随细颗粒含量的增加呈下降趋势，这是由于细颗粒含量持续增加，粗颗粒所起的骨架作用越来越弱，甚至粗颗粒被较多的细颗粒悬浮在混合料中，粗颗粒之间的接触面越来越小，导致粗颗粒间的嵌挤力散失，土样黏聚力下降。
图3为不同细颗粒含量下土样的内摩擦角试验结果。从图中可以看出，当细颗粒含量大于20%且小于等于30%时，黏土质砾中以粗颗粒为主，因为粗颗粒间具有较大的空隙，少量的细颗粒反而起到粗颗粒间的润滑作用，所以随着粗颗粒含量不断减少，内摩擦角随之减小。当细颗粒含量介于30%和80%之间时，内摩擦角呈显著下降趋势，但下降趋势放缓；
原因是黏土质砾中的细颗粒含量趋向于与粗颗粒含量保持平衡，粗颗粒作为构成骨架的基本元素，凭借逐渐挤密压实的细颗粒来实现骨架构造，但是如果细颗粒含量过高，又会阻碍粗颗粒构成骨架；
另一方面，粗颗粒也阻断了细颗粒之间的互动连接。当细颗粒含量超过30%时，含水率高的土样内摩擦角波动较大。当细颗粒含量大于80%时，黏土质砾的内摩擦角有逐渐变大的趋势。但当土样完全由细颗粒组成时，内摩擦角又下降到80%细颗粒时的同等水平。这是由于黏土质砾中主要成分是细颗粒，粗颗粒在结构中分散在细颗粒中，很难发挥粗颗粒的骨架结构作用，黏土质砾的抗剪强度特性主要受细颗粒影响。
图3 不同含水率下土样内摩擦角与细颗粒含量间的关系曲线Fig.3 Curves of internal friction angle vs. fine particle content of soil samples under different moisture contents
2.2 含水率对抗剪强度的影响分析
图4和图5为不同含水率下土样的抗剪强度试验结果。从图中可以看出，当含水率小于20%时(细颗粒处于硬塑状态)，黏聚力下降比较缓慢；
含水率介于20%～26%时，黏聚力下降比较显著；
含水率大于26%时(细颗粒处于可塑状态)，黏聚力下降又变得比较缓慢。因此，黏土质砾的抗剪强度与细颗粒所处的软硬状态也有关系，即与液性指数有关。当混合料含水率较高时，根据颗粒间的含水率分析，其成分主要为游离水，意味着颗粒间分子引力强度很低，使混合物处于一种可塑的状态，随着含水率的逐步降低，其可塑性也随之降低。当含水率为16.6%时，土样颗粒间的水主要以强结合水状态存在，强结合水导致颗粒间具有很大的相互作用力，如果使土样达到破坏状态，必须突破强大的分子引力，土样的破坏属于结构性破坏，这也是抗剪强度出现峰值的原因。随着含水率的进一步增大，被破坏的土样损失了较多的强度，抗剪强度非线性关系减小。
图4 不同细颗粒含量下黏聚力与含水率间的关系曲线Fig.4 Curves of cohesion vs. moisture content under different fine particle contents
图5 不同细颗粒含量下内摩擦角与含水率间的关系曲线Fig.5 Curves of internal friction angle vs. moisture content under different fine particle contents
抗剪强度试验结果显示,有部分土样的黏聚力为负值，其黏聚力的形成机制是粗、细颗粒间相互作用力的结果，一般情况下黏土的黏聚力为正值。无黏聚性土的黏聚力理论上应为0，但由于试验误差和土样的不均匀性，线形拟合计算时也可能出现负值。另外，黏聚力为负值的土样都为含水率显著高于最佳含水率的试件，因此土样结构相对较松散，在法向应力作用下发生压缩变形，导致剪切面的颗粒间摩擦增强，这种松散土在快剪试验时有可能会出现负值的情况。
2.3 颗粒配比、含水率与抗剪强度的统计学关系
为了明确含水率和细颗粒含量对黏土质砾抗剪强度的影响，本研究分别设黏聚力、内摩擦角、抗剪强度为因变量，含水率及细颗粒含量为自变量，进行统计学分析，拟合关系方程为：
c=36.13-1.62·w+0.25·F，
(1)
φ=20.13-0.09·w-0.11·F,
(2)
式中，c为黏聚力;φ为内摩擦角;w为含水率;F为细颗粒含量。
图6为黏聚力实测值与拟合值之间的对比。含水率及细颗粒含量均与黏聚力有较好的统计学相关性，含水率及细颗粒含量与黏聚力的统计学回归影响极为显著(p=0.000 2，p=0.005 9，均小于0.01)，含水率及细颗粒含量对应抗剪强度的统计学回归影响极为显著(p=0.000 4，p=0.003 1，均小于0.01)。图7为内摩擦角实测值与拟合值之间的对比。含水率与内摩擦角未表现出明显的统计学相关性。细颗粒含量对应内摩擦角的统计学回归影响极为显著(p<0.001)。p值为统计学中判定检验结果的一个参数，p值越小，表明结果越显著。
图6 实测黏聚力与预测黏聚力间的对比关系Fig.6 Comparison of measured cohesion with predicted cohesion
图7 实测内摩擦角与预测内摩擦角间的对比关系Fig.7 Comparison of measured internal friction angle with predicted internal friction angle
含水率及细颗粒含量的变化对黏土质砾的黏聚力具有显著影响，且细颗粒含量的变化对黏土质砾的内摩擦角也具有显著影响。无论在何种含水率状态下，各类黏土质砾的φ值均随细颗粒含量的减少而增大，最小的线性相关系数R也大于0.93，说明两者间存在良好的正相关关系。当细颗粒含量相同时，φ值不会随着含水率的变化而有较大变化，基本保持不变。随着土样中粗颗粒的增多，细粒土逐渐向粗粒土过渡，φ值随细颗粒含量的减少而增大。含水率越高时，黏土作为碎石骨架间的传力介质和支撑的能力就越弱，因此当细颗粒含量相同时，含水率越高，φ值越低。
本研究针对贵州都安高速公路沿线代表性黏土质砾开展了室内抗剪强度特性试验研究，分析了颗粒组成质量比、含水率等因素对黏土质砾抗剪强度特性的影响，揭示了黏土质砾土石间相互作用机理。研究成果对于指导高速公路高含水率黏土质砾路基的填筑具有重要意义，主要结论如下：
(1)黏土质砾内部作用力主要由3部分组成，分别是粗、细颗粒间的摩擦力、嵌挤锁力以及黏聚力。
(2)黏土质砾随着粗、细颗粒组成比例的变化，其内部结构也发生相应变化。当细颗粒含量在80%～90%之间时，混合料属于一种悬浮密实结构，其强度主要取决于粗、细颗粒间的黏聚力和填充力；
当细颗粒含量在60%～80%之间时，混合料属于骨架密实结构，其强度主要取决于粗颗粒骨架形成的嵌挤锁结力和细颗粒的胶结作用力；
当细颗粒含量小于60%时，混合料属于骨架空隙结构，其强度主要取决于粗颗粒的嵌挤作用和本身的力学特性。
(3)黏土质砾含水率越高，细颗粒作为粗颗粒骨架间的支撑和传力介质的能力就越弱，反而形成一种润滑作用，因此当颗粒成分相同时，含水率越高，抗剪强度参数值越低。
(4)通过统计回归分析得出，含水率及粗、细颗粒组成比例均对抗剪强度参数值，即黏聚力及内摩擦角有较好的统计学相关性。含水率及细颗粒含量的变化对黏土质砾的黏聚力具有显著影响，且细颗粒含量的变化对黏土质砾的内摩擦角影响显著。
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