科普中國-粗粒土

粗粒土是指大于0.1毫米顆粒含量較多的土，大致相當(dāng)于砂類。1

礫石土、砂卵石、殘坡積碎石土和風(fēng)化巖石碴等統(tǒng)稱為粗顆粒土，簡稱粗粒土。它是由大小不等的粗細(xì)顆粒組成，最大顆粒可達(dá)1000毫米以上，最細(xì)可小于0.1毫米，粒徑變化范圍很大，粗細(xì)顆粒特性相差懸殊。土石壩中粗粒土料常占70%以上，有的直接取自工程開挖的棄料，廢物得到充分利用。2

概念

粗粒土指碎石類土和砂土的總稱，粗粒土分類是以其顆粒組成及顆粒特征為主要依據(jù)。按顆粒大小劃分粒組，然后按不同粒組的百分比含量作為劃分粗粒土土類的主要指標(biāo)；其次按顆粒的磨圓度來進(jìn)一步劃分亞類；有時(shí)尚需視含細(xì)粒土的類別及含量來進(jìn)一步劃分。1

結(jié)構(gòu)

粗粒土一般是單粒結(jié)構(gòu)。由于粗粒土中顆粒的大小可以相差很大，小的顆粒填補(bǔ)了大顆粒所形成的孔隙，級配良好的粗粒土比級配均勻的粗粒土密度更高。另一方面，形狀不規(guī)則的顆?？梢允姑芏冉档汀⒖紫陡?。即使是由均勻圓球組成的“土”，它們在空間的排列方式不同，也會(huì)造成不同的松密狀態(tài)和不同力學(xué)性質(zhì)。不同排列方式會(huì)使粗粒土在密度、滲透性、強(qiáng)度、壓縮性、各向異性等方面表現(xiàn)出很大的差異。盡管除了云母等礦物之外，大多數(shù)非粘土礦物的顆粒都呈粒狀。但它們又不是各方向尺度都相等的，多少呈橢球形、扁平形，甚至針、片狀。粗顆粒的長寬比L/W的頻率分布是表示其顆粒分布的一個(gè)重要指標(biāo)。以蒙特雷(Monterey)0號砂為例，這是一種分選很好的河砂，主要由石英和少量的長石組成。即使如此，它仍有50%以上的顆粒的軸長比(即長軸與短軸之比)大于1.39。這對于大多數(shù)砂土和粉土是有代表性的。在重力場中，土顆粒，特別是粗粒土，在沉積過程中的定向作用是很突出的。可以用顆粒的長軸與空間某一方向(如水平方向)的夾角表示這種空間定向作用。

用砂雨法制成的試樣會(huì)表現(xiàn)更強(qiáng)的空間定向作用。當(dāng)粗粒土中含有一定比例的粘土或其膠結(jié)物質(zhì)時(shí)，粗粒土還會(huì)被粘結(jié)而形成不同的集合形式。3

力學(xué)性質(zhì)

①抗剪強(qiáng)度和應(yīng)力應(yīng)變特性

無黏性粗粒土

無黏性粗粒料的抗剪強(qiáng)度由三部分組成：粗顆粒間的交錯(cuò)排列產(chǎn)生的抗剪咬合力，顆粒破碎、充填重新排列而發(fā)揮的抗剪阻力，以及礦物顆粒間滑動(dòng)的摩擦阻力。其值取決于母巖性質(zhì)、顆粒形狀、孔隙比或相對密度以及應(yīng)力水平等。咬合力是由于低壓下顆粒問的剪脹阻力引起的。當(dāng)應(yīng)力增大到一定程度時(shí)，粗顆粒破碎、細(xì)顆粒充填及顆粒重新排列的發(fā)牛將產(chǎn)生一定的抗剪強(qiáng)度，同時(shí)剪脹效應(yīng)逐漸消失。這時(shí)無黏性粗粒料的抗剪強(qiáng)度主要表現(xiàn)為滑動(dòng)摩擦阻力。礦物顆粒間的滑動(dòng)阻力分量是由于顆粒接觸面粗糙不平，對某種礦物而言通常是不變的。粗粒土的內(nèi)摩擦角不僅包括顆粒間的滑動(dòng)摩擦效應(yīng)，還包括顆粒破碎充填與重新排列的綜合效應(yīng)。粗粒土的咬合力和內(nèi)摩擦角是一組從低應(yīng)力到高應(yīng)力非線性變化的參數(shù)。其抗剪強(qiáng)度包線實(shí)際上是一個(gè)通過初始咬合力截距、坡度不斷減小的非線性曲線，而不是線性包線。

在低應(yīng)力范圍內(nèi)粗粒土的咬合力可達(dá)50～200kPa，是一個(gè)變化較大而又客觀存在的物理參數(shù)，與細(xì)粒黏土的黏聚力有著本質(zhì)的不同。在低應(yīng)力下，粗粒土的內(nèi)摩擦角較大，例如石灰?guī)r石碴的初始內(nèi)摩擦角約48°。在 1～2MPa中等壓力范圍內(nèi)，粗顆粒開始破碎，剪脹作用逐漸減弱，顆粒間以滑動(dòng)摩擦為主。 在高應(yīng)力下，顆粒破碎、細(xì)粒充填及顆粒重新排列。使剪脹作用消失。4

黏性粗粒土

黏性粗粒土與無黏性粗粒土在剪切條件下的變形規(guī)律相似。例如隨著干密度的增大，應(yīng)力一應(yīng)變曲線的初始切線坡度變陡，對應(yīng)的峰值強(qiáng)度也增高，但對應(yīng)的破壞應(yīng)變減小。低密度下發(fā)生剪縮硬化而后弱軟化，顆粒不發(fā)生破碎，密度較大時(shí)表現(xiàn)為應(yīng)變剪脹軟化。以細(xì)粒為主的礫石土，其初始切線坡度較陡，但峰值強(qiáng)度較低，破壞應(yīng)變也較小，隨后伴隨先剪縮再剪脹的弱軟化。以粗粒為主時(shí)則呈剪縮硬化的變形特征。干密度一定時(shí)，應(yīng)力一應(yīng)變曲線的起始切線坡度和峰值強(qiáng)度都隨圍壓的增加而變陡和提高。在低圍壓時(shí)表現(xiàn)為先剪縮后剪脹軟化。隨著圍壓的增大，剪脹效應(yīng)逐漸減小，主要表現(xiàn)為剪縮。

②巖性軟化及濕化變形

粗粒料作為單粒結(jié)構(gòu)，是巖石風(fēng)化后的產(chǎn)物。由于母巖成分、物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化程度不同，形成的粗粒料有的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的抗水性和抗風(fēng)化能力，親水性較弱，不易產(chǎn)生浸水巖性軟化，例如石英、長石等。有的經(jīng)風(fēng)化、氧化、水化、水解及溶解。形成的粗粒料巖性松軟，容易浸水軟化，從而導(dǎo)致受壓時(shí)顆粒尖角甚至顆粒整體破碎。

粗粒土的濕化變形，主要是由于一定應(yīng)力條件下。浸水使粗顆粒巖性軟化，棱角破碎，強(qiáng)度降低，然后相互滑移和填充，改變原來結(jié)構(gòu)，從而引起的附加變形。包括濕化體應(yīng)變和濕化偏應(yīng)變，并可分別在浸水條件下由球應(yīng)力和偏應(yīng)力共同引起，并隨著圍壓增大而增加。影響濕化變形的主要因素有母巖礦物成分及風(fēng)化程度、浸水時(shí)間、初始含水率、干密度、顆粒級配、應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力路徑等。

③顆粒破碎和流變性

粗粒土是單粒結(jié)構(gòu)，以點(diǎn)、線、面相互接觸為主。此接觸面積遠(yuǎn)小于其宏觀的平均面積，因此接觸處的應(yīng)力遠(yuǎn)高于各種方法計(jì)算出的平均應(yīng)力。這是粗粒料易產(chǎn)生顆粒破碎的內(nèi)在原因。

我國高土石壩的建設(shè)日益增多，在高土石壩的建設(shè)中必須考慮粗粒料顆粒破碎的影響。例如汶川大地震時(shí)紫坪鋪大壩混凝土面板下部的堆石體發(fā)生了較大的沉陷變形(剪縮)，一般認(rèn)為這是粗粒土顆粒破碎的結(jié)果，地震荷載加劇了這一效應(yīng)。

④壓縮性

粗粒土在壓縮條件下的變形特性，即壓力作用下體積變小或孑L隙比減小的性能。在壓力作用下顆粒會(huì)發(fā)生相對位移，重新排列到較密實(shí)的平衡位置。另外，壓力增大，雖仍可忽視顆粒本身的壓縮性，但是顆粒壓碎的結(jié)果造成的壓縮卻不可忽視，后者與顆粒本身的強(qiáng)度有關(guān)。一些實(shí)測結(jié)果指出，優(yōu)良級配的堅(jiān)硬石料，顆粒破碎量較小，其平均壓縮模量為70～200MPa；而質(zhì)量差和級配不良的石料，由于顆粒破碎量增大，平均壓縮模量降為5～20MPa，這反映了顆粒破碎對粗粒土壓縮性影響較大。在大型固結(jié)儀中對幾種堆石的壓縮試驗(yàn)表明，初始孑L隙比大的堆石，壓縮性大；初始孔隙比小的堆石，壓縮性小。母巖性質(zhì)不同，其壓縮性也不同。圖7—12中所有試驗(yàn)曲線在卸荷時(shí)回彈量都很小，這說明堆石的壓縮性主要是由于顆粒的重新排列。4

劃分準(zhǔn)則

①按土類劃分準(zhǔn)則

我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)采用兩種不同的準(zhǔn)則：一種是按粒組的相對比例來定名；另一種是按大于某個(gè)粒組界限粒徑的顆?？傎|(zhì)量超過某一百分比來定名?！锻练诸悩?biāo)準(zhǔn)》(GBJ 145—90)采用前一種準(zhǔn)則，它將大于60mm的粒組統(tǒng)稱為巨粒，將小于等于0.075mm的粒組統(tǒng)稱為細(xì)粒，將礫粒組和砂粒組統(tǒng)稱為粗粒，然后比較這兩個(gè)粒組，礫粒組質(zhì)量多于總質(zhì)量的50%的土稱為礫類土；礫粒組質(zhì)量少于或等于總質(zhì)量的50%的土稱為砂類土?！稁r土工程勘察規(guī)范》(GB 50021--94)則采用后一種準(zhǔn)則，例如它將粒徑大于200mm的顆粒超過全重的50%稱為漂石或塊石。

②顆粒的磨圓度

《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021--94)把顆粒形狀以圓形及亞圓形為主的分別稱為漂石、卵石或圓礫；而以棱角形為主的則稱為塊石、碎石或角礫。《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TBJl一85)，《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 013—86)和《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ7—89)都作了相同的分類規(guī)定。但在《土分類標(biāo)準(zhǔn)》(GBJ 145—90)中對顆粒的磨圓度并沒有作出任何規(guī)定。

③細(xì)粒土的含有情況

《土的分類標(biāo)準(zhǔn)》(GBJ 145—90)對礫類土和砂類土中細(xì)粒土的含量和性質(zhì)都作了明確的規(guī)定，并在土的名稱上加以區(qū)別。細(xì)粒土含量少于5%時(shí)，在定名時(shí)不冠以細(xì)粒土的前輟、直稱礫或砂；當(dāng)細(xì)粒含量為5%到15%時(shí)則不管細(xì)粒土是粘土還是粉土，統(tǒng)稱為含細(xì)粒土礫或含細(xì)粒土砂；如細(xì)粒含量超過15%，則視細(xì)粒土是粘土或者是粉土，稱為粘土質(zhì)礫、粘土質(zhì)砂、粉土質(zhì)礫或粉土質(zhì)砂。

《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021--94)并不以細(xì)粒土的含量來分類，而只在砂土分類時(shí)規(guī)定，當(dāng)砂土中小于0.075mm的土的塑性指數(shù)大于10時(shí)，定名時(shí)應(yīng)冠以含粘性土，如含粘性土粗砂等。

④關(guān)于粒徑級配的規(guī)定

《土的分類標(biāo)準(zhǔn)》(GBJ 145—90)規(guī)定用不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc來判別粗粒土的級配并據(jù)以分類。對于同時(shí)滿足Cu≥5，Cc=1~3的土稱為級配良好礫或級配良好砂；反之則稱級配不良礫或級配不良砂。

《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021--94)一般情況不按土的級配定名，但對顆粒級配不連續(xù)的土定為混合土。當(dāng)碎石土中的粉粒和粘粒的質(zhì)量超過總質(zhì)量的25%時(shí)定名為Ⅰ類混合土；當(dāng)粉土或粘性土中的礫?；蚓蘖５馁|(zhì)量超過總質(zhì)量的25%時(shí)，定名為Ⅱ類混合土。5

測試方法

由于粗粒料中粗顆粒的粒徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常用的室內(nèi)小型土工試驗(yàn)儀器的適用范圍。因此，研究粗粒土的力學(xué)特性需要采用大型土工儀器。大型土T試驗(yàn)儀器的直徑一般為300～500mm，個(gè)別的達(dá)到1000mm。但堆石料等原型材料的最大粒徑達(dá)1000mm，任何大型設(shè)備都很難滿足較粗的原型材料的試驗(yàn)需求，因此須將這些超過儀器適用范圍的土料按某一方法縮尺后進(jìn)行試驗(yàn)。國內(nèi)外使用的大型儀器基本上是常規(guī)小型儀器在尺寸上的放大，試驗(yàn)原理與操作方法與小型儀器的差異很小。

為了使試樣在儀器中的受力和變形與現(xiàn)場情況相近，試驗(yàn)儀器的尺寸與試樣的最大粒徑之間應(yīng)當(dāng)有一個(gè)合理的比值，一般為5～6。這就要求對原型材料中超過儀器允許粒徑范圍的顆粒(稱為超徑粒)進(jìn)行處理。在處理粗粒土的超徑粒時(shí)應(yīng)選用合理的級配以使試驗(yàn)結(jié)果盡量與現(xiàn)場情況相近。一般根據(jù)現(xiàn)場粗粒土的原級配曲線，按照SL 237一1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》，可采用等量替代法、剔除法或相似法，對超粒徑的粗粒土進(jìn)行處理，擬定室內(nèi)試驗(yàn)采用的試樣級配曲線。4