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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
土的名称
颗粒形状
颗 粒 级 配
漂石
圆形及亚圆形为主
粒径大于200mm的颗粒质量超过总质量50%
块石
棱角形为主
卵石
圆形及亚圆形为主
粒径大于20mm的颗粒质量超过总质量50%
碎石
棱角形为主
圆砾
圆形及亚圆形为主
粒径大于2mm的颗粒质量超过总质量50%
角砾
棱角形为主
注: 定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定。

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)
重型动力触探锤击数N63.5
密实度
重型动力触探锤击数N63.5
密实度
N63.5≤5
松散
10＜N63.5≤20
中密
5＜N63.5≤10
稍密
N63.5＞20
密实
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)
超重型动力触探
锤击数N120
密实度
超重型动力触探
锤击数N120
密实度
N120≤3
松散
11＜N120≤14
密实
3<＜N120≤6
稍密
N120＞14
很密
6＜N120≤11
中密

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：
（17-1）
或： （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(cm3)。
则粗颗粒比重
(4)用下式(17-3)计算土中细颗粒部分的干重度γ’d。
（17-3）
(5)用式(17-4)计算土中细颗粒部分的孔隙比e’。
（17-4）
式中：—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Gc=2.64，细颗粒比重GX=2.73，用式（17-2）：

如用式（17-3）

再用式（17-4）计算e’， e’=27.3/16.25-1=0.68
e’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g1(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g2(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g3(g)
则碎石土的天然含水量可按式(17-5)计算：
（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Dr与砂土相同。

可以用10000cm3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。
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Pmax，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Pmax (极限推力)；Pmin(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，或为均匀分布（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gi（i=1，2，3，4）滑动线的长度Li和与水平线所成的倾角αi。
则每个条块上的剪切力Pi与其重量gi成正比，即：
（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：
（17-9）
式中：—Pi在剪切面上的投影；
—gi在剪切面上的投影；
—gi在剪切面法线上的投影；
式（17-9）可写成：
（17-10）
而c值可以根据（P-P’）的差值来确定。
（17-11）
将式（17-11）代入式（17-10），即得：
（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。
现场直剪试验的原理与室内直剪试验类似，即通过施加水平推力使试体的剪切面上产生剪应力，将试体剪坏。通过一组不同法向应力的直剪试验，最终可确定试体的各种强度特性和强度指标。
现场直剪试验一般用于较重要的工程，当室内试验难以取得有关参数或缺少把握时可采用现场试验方法。与室内试验相比，现场直剪试验成本高且费时。

2）现场直接剪切试验的方法和技术要求
⑴现场直接剪切试验的方法和基本规定
①现场直剪试验可在试洞、试坑、探槽或大口径钻孔内进行。当剪切面水平或近于水平时，可采用平推法或斜推法；当剪切面较陡时，可采用楔形体法。
②同一组试验体的岩性应基本相同，受力状态应与岩土体在工程中的实际受力状态相近。
③现场直剪试验每组岩体不宜少于5个。剪切面积不得小于0.25m2。试体最小边长不宜小于50cm，高度不宜小于最小边长的0.5倍。试体之间的距离应大于最小边长的1.5倍。
④每组土体试验不宜少于3个。剪切面积不宜小于0.3m2，高度不宜小于20cm或为最大粒径的4～8倍，剪切面开缝应为最小粒径的1/3～1/4。

⑵现场直接剪切试验的技术要求
①开挖试坑时应避免对试体的扰动和含水量的显著变化；在地下水位以下试验时，应避免水压力和渗流对试验的影响。
②施加的法向荷载、剪切荷载应位于剪切面、剪切缝的中心；或使法向荷载与剪切荷载的合力通过剪切面的中心，并保持法向荷载不变。
③最大法向荷载应大于设计荷载，并按等量分级；荷载精度应为试验最大荷载的±2%。
④每一试体的法向荷载可分4、5级施加；当法向变形达到相对稳定时，即可施加剪切荷载。
⑤每级剪切荷载按预估最大荷载的8%～10%分级等量施加，或按法向荷载的5%～10%分级等量施加；岩体按每5～lOmin，土体按每30s施加一级剪切荷载。
⑥当剪切变形急剧增长或剪切变形达到试体尺寸的1/10时，可终止试验。
⑦根据剪切位移大于lOmm时的试验成果确定残余抗剪强度，需要时可沿剪切面继续进行摩擦试验。
保持岩土样的原状结构不受扰动是非常重要的，故在爆破、开挖和切样过程中，均应避免岩土样或软弱结构面破坏和含水量的显著变化。对软弱岩土体，可在顶面和周边加护层(钢或混凝土)，护套底边应在剪切面以上。在地下水位以下试验时，应先降低水位，安装试验装置恢复水位后，再进行试验。对于高含水量的塑性软弱层，法向荷载应分级施加，以免软弱层挤出。

3）现场直接剪切试验的资料整理和成果分析
⑴资料整理的内容
①绘制剪切应力与剪切位移曲线、剪应力与垂直位移曲线，确定比例强度、屈服强度、峰值强度、剪胀点和剪胀强度。
②绘制法向应力与比例强度、屈服强度、峰值强度、残余强度的曲线，确定相应的强度参数。

⑵资料整理的方法
由剪应力与剪切位移关系曲线、剪应力与垂直位移曲线确定强度参数时应依据曲线特征。
1）比例界限压力定义为剪应力与剪切位移曲线直线段的末端相应的剪应力，如直线段不明显，可采用一些辅助手段确定：
①用循环荷载方法：在比例强度前卸荷后的剪切位移基本恢复，过比例界限后则不然；
②利用试体以下基底岩土体的水平位移与试样的水平位移的关系判断在比例界限之前，两者相近；过比例界限后，试样的水平位移大于基底岩土的水平位移；
③绘制τ～u/τ曲线(τ—剪应力，u—剪切位移)：在比例界限之前，u/τ变化极小；过比例界限后，u/τ值增大加快。
2）屈服强度可通过绘制试样的绝对剪切位移uA与试样和基底间的相对位移uR以及与剪应力τ的关系曲线来确定。在屈服强度之前，uR的增率小于uA；过屈服强度后，基底变形趋于零，则uA与uR的增率相等，其起始点为A，剪应力τ与uA曲线上A点相应的剪应力即屈服强度。
3）峰值强度和残余强度是容易确定的。
4）剪胀强度相当于整个试样由于剪切带发生体积变大而发生相对的剪应力，可根据剪应力与垂直位移曲线判定。
5）岩体结构面的抗剪强度，与结构面的形状、闭合、充填情况和荷载大小及方向等有关。
对于脆性破坏岩体，可以采取比例强度确定抗剪强度参数；而对于塑性破坏岩体，可以利用屈服强度确定抗剪强度参数。验算岩土体滑动稳定性，可以采取残余强度确定的抗剪强度参数。因为在滑动面上破坏的发展是累进的，发生峰值强度破坏后，破坏部分的强度降为残余强度。

3、大型三轴试验
大型三轴试验有真空式与液压式：
真空式通过从试件内抽气施加侧向压力，轴压利用千斤顶，轴向变形用千分表。装置示意图见图17-6。
液压式通过液压对试件施加侧向压力，轴压仍利用千斤顶。其装置与室内三轴仪基本相同。

17.4 碎石土地基承载力的评定
根据我国勘察、设计单位的生产和科学研究工作，《地基规范》TJ7-74编制组及原国家建委《岩土的工程分类及承载力研究》课题组(1979～1985)搜集、分析碎石土的载荷试验资料共183价，取p-S曲线上的比例界限压力p0作为容许承载力值，最后经近年修订，《地基规范》GB7-89确定了表17-4所示的我国碎石土容许承载力表。对于一般建筑物(《地基规范》GBJ7-89划定的二级建筑物)，基础埋深小于或等于0.5m，基宽小于或等于3m，可根据土密实度的野外鉴别特征，直接应用表17-4确定其承载力。
该表中数值适用于骨架颗粒空隙全部由中砂、粗砂或硬塑、坚硬状态的黏性土或稍湿的粉土所充填。
对于中密、稍密的碎石土，当充填物以黏性土为主时，承载力取用表值的下限，以砂土为主时则取用表值的上限。
当骨架颗粒为中等风化或强风化时，可按其风化程度适当降低承载力。当颗粒间呈半胶结状态时，可适当提高承载力．
《冶金工业建设工程地质勘察技术规范》(试行)早于1972年已编制有碎石土的承载力表，见表17-5。该表适用于第四纪冲积、洪积及坡积洪积等土层。在同一密实状态下，可根据骨架颗粒含量、风化程度、充填物组成及其含量和密实度，在表中的高值与低值间取用。漂石、块石地基承载力，可按密实状态的卵石值考虑。当碎石土呈半胶结状态时，可按同类土密实状态的上限值提高30％～50％取用。表17-5只适用于基础宽度≤3m基础埋深≤1.5m的条件。

当基础宽度为3～7m时，用表17-5时须同时进行变形计算。当基础宽度大于7m，基础埋深大于1.5m时，须作宽度、深度修正，并进行变形计算。规定的宽度、深度修正计算式及修正系数取值，见第16章式(16-4)和表16-6。
在编制上述承载力表时，主要以荷载试验资料为依据。对碎石土地基的荷载试验的一些特殊问题，根据陕西冶金勘察设计院的试验研究资料作些介绍。
1、承压板尺寸：西勘曾于白银某厂稍密角砾地基土上作过三种尺寸的承压板对比试验资科，试验结果见表17-6。
从表17-6资料绘成的图17-7可以清楚地看出在5000cm3压板两侧的B-S曲线均发生明显的转折。故对角砾地基以选用70.7cm×70.7cm的压板为宜。一般承压板应比碎石直径大10倍左右。
2、加荷等级：可取50～100kPa
3、p-S关系的分析：根据现有碎石土的荷载试验p-S曲线来看，p-S基本上成正比直线关系。当压力超过一定值后，直线的斜率即有所改变。一般超过第一拐点以后沉降仍然很快稳定，土体并未发生强度破坏。因此认为取用第一拐点压力作为地基承载力—般是偏于保守的，似以沉降控制来确定地基承载力为宜。

沉降控制标准就稍密角砾地基70.7cm×70.7cm承压板可取1.4cm；对中密角砾地基则取1.2cm；对密实角砾地基可取1.0cm。
这些看法，还有待于工程实践中进一步检验。
4、碎石类土的变形模量可由p-S曲线直接求得。当无实测资料时，可参照表17-7采用。