第17章碎石土地基的巖土工程評價17.1碎石石土的基本特特征及巖土工工程問題1．碎石土的分分類粒徑大于2mmm的顆粒質(zhì)量量超過總質(zhì)量量50％的土定名為碎石石土。碎石土可按顆粒粒級配和顆粒形狀再分分為三組共6個亞類。碎石土分類土的名稱顆粒形狀顆粒級配漂石圓形及亞圓形為為主粒徑大于2000mm的顆粒粒質(zhì)量超過總總質(zhì)量50%%塊石棱角形為主卵石圓形及亞圓形為為主粒徑大于20mmm的顆粒質(zhì)質(zhì)量超過總質(zhì)質(zhì)量50%碎石棱角形為主圓礫圓形及亞圓形為為主粒徑大于2mmm的顆粒質(zhì)量量超過總質(zhì)量量50%角礫棱角形為主注:定名時應應根據(jù)顆粒級級配由大到小小以最先符合合者確定。2．碎石土的基基本特征1）顆粒組成碎石土的顆粒組組成特點是粒粒徑大小往往往相差懸殊，缺缺乏中間粒徑徑。以角礫、碎石或或塊石作為骨骨架，以黏性性土或砂土為為充填物。顆粒級配曲線有有一段近似水水平線，在該該直線區(qū)段的的顆粒是極少少的。2）密實度碎石土的密實狀狀態(tài)對其力學學性質(zhì)影響很很大。但由于于取樣困難，不不能用一般土土工試驗的方方法進行測定定。所以在工工程實踐中，常常不根據(jù)定量量指標(孔隙比、相相對密度)來進行密實實狀態(tài)的分類類。根據(jù)其骨架顆粒粒含量和排列列，結(jié)合野外外鉆探、掘進進的困難程度度及坑壁情況況進行分類，參參見表17-2。——定性描述的方法《巖土工程勘察察規(guī)范》（GGB500221—2001）碎石土密實實度的劃分———定量指標的的方法碎石土的密實度度可根據(jù)圓錐錐動力觸探錘錘擊數(shù)確定，重型圓錐動力力觸探按N63.5和超重型圓錐動動力觸探按NN120查下列列表，表中的的N63.5和N120應按國家標準準《巖土工程程勘察規(guī)范》（GB50021—2001）附錄B進行桿長修正。碎石土密實度((按N63.5分類類)重型動力觸探錘錘擊數(shù)N63.5密實度重型動力觸探錘錘擊數(shù)N63.5密實度N63.5≤55松散10＜N63..5≤20中密5＜N63.55≤10稍密N63.5＞220密實注:1本表表適用于平均均粒徑等于或或小于50mmm,且最最大粒徑小于于100mmm的碎石土。2對于平均粒粒徑大于500mm,或或最大粒徑大大于100mmm的碎石土土,可用超重型動力觸探探或用野外觀觀察鑒別。碎石土密實度((按N120分類)超重型動力觸探探錘擊數(shù)N1200密實度超重型動力觸探探錘擊數(shù)N1200密實度N120≤3松散11＜N1200≤14密實3<＜N1200≤6稍密N120＞144很密6＜N120≤≤11中密3）土的結(jié)構(gòu)碎石土骨架顆粒粒為連續(xù)接觸觸時，其強度度由組成骨架架的碎石起控控制作用。一一般說來，碎碎石由結(jié)晶巖巖組成的，其其強度比由沉沉積巖組成的的高些。碎石土骨架顆粒粒為不連續(xù)接接觸，而為充充填物所包裹裹時，碎石土土的強度由充充填物起控制制作用。當作作為充填物的的細粒含量接接近或超過其其土體全重的的40％時，整個個土體則表現(xiàn)現(xiàn)出相應細粒粒土的性狀。充充填物為砂土土的，其強度度較充填物為為黏性土的為為高。充填物為砂土時時，含水量對對其強度的影影響不大，而而密實度對強強度的影響則則甚大。一般般碎石土粒徑徑愈大，含量量愈多，承載載力愈高；骨骨架顆粒呈圓圓形并充填砂砂土的較呈棱棱角狀井充填填黏性土的要要高，同類土土中密實的較較松散的承載載力為高。4）分布特點常見碎石土，特特別是碎石、卵卵石、塊石、漂漂石類，一般般不呈大面積積分布，而只只在其他土層層中呈透鏡體體或尖滅夾層層存在，厚度度變化劇烈。故故對這類地基基土尤其要注注意查明其構(gòu)構(gòu)造在各方向向上的變化所所造成的工程程性質(zhì)的不均均勻性和各相相異性特點。5）濕陷性部分松散及稍密密的碎石土，尤尤其是西北地地區(qū)的洪積、坡坡積角礫，常常具有濕陷性性，是值得注注意的。由于碎石土包含含有不同數(shù)量量的粗大顆粒粒，不能在室室內(nèi)用—般土工試驗驗方法測定其其物理力學性性質(zhì)，而必須須采用現(xiàn)場試試驗方法（大大體積法）進進行測定。17.2碎石石土物理性質(zhì)質(zhì)指標的測定定碎石土的物理性性質(zhì)指標主要要是：天然孔孔隙比e（測定天然然重度γ后換算而得得），天然含含水量w及相對密度度Dγ。1、碎石土的天天然重度γ和天然孔隙隙比e的測定與計計算：碎石土中由于含含有大量粗顆顆粒，故不能能用取土器采采取原狀土樣樣，也不能用用環(huán)刀法切取取試樣測定天天然重度及天天然含水量，對對于地下水位位以上的碎石石土，可以挖挖坑用注水法法、或增砂法法測定天然重重度，其具體體方法見第16章。但為保保證試驗質(zhì)量量，一般試坑坑體積不宜小小于3000ccm3。一般地基土，在在測定天然重重度γ后，可以用用式(17-11)或式(17-22)計算天然孔孔隙比e：（17-1）或：（17-2）式中：G—顆粒粒比重；ω—含水量。但對于碎石土，由由于碎石、卵卵石等粗顆粒粒本身密度很很大，必然使使其γ偏大，ω偏?。虼舜耸褂檬?17-11)或(17-22)計算而得的的e值偏小。實實際上，當碎碎石、卵石并并不能形成承承力骨架(當碎石骨架架顆粒不連續(xù)續(xù)接觸時解石石土在外力作作用下的變形形主要由較細細顆粒的充填填物的孔隙比比所決定，因因此細顆粒的的孔隙比比包包含粗顆粒在在內(nèi)的孔隙比比要大，如不不考慮這一點點，就會在工工程上作出不不符合實際情情況的判斷，把把原來強度低低的當成強度度高的，這是是在工作中常常遇到的實際際問題。在工程實踐中，可可按下列步驟驟來處理解決決這一問題：：(1)將已測測過天然重度度γ的土選取足足夠的均勻試試料，烘干后后求出其天然然含水量ω。(2)將烘干干的土全部磨磨細過篩，求求土中大于2mm顆粒的土重重百分比P％。(3)將已知干干重g(g)的一堆粗顆顆粒試樣，置置水中充分飽飽和，然后取取出立即投人人圖17-2所示的虹吸吸筒，觀測其其從簡中排出出的水量V(cm3)。則粗顆粒比重(4)用下式((17-3))計算土中細細顆粒部分的的干重度γ’d。（17-3）(5)用式(117-4)計算土中細細顆粒部分的的孔隙比e’。（17-4）式中：—細顆粒粒部分的顆粒粒比重。今以一實例來說說明e與e’的關(guān)系。如γ=22.00kN/m33，ω=25%，P=20%，粗顆粒比重Gcc=2.64，細顆粒比比重GX=2.73，用式（17-2）：如用式（17--3）再用式（17--4）計算e’，e’=27.33/16.225-1=00.68e’和e相比相相差幾乎達20％。如粗顆顆粒含量P>20％，誤差還還要大些。故故這一問題是是不容忽視的的，否則會造造成錯誤的判判斷。2、碎石土的天天然含水量碎石土的天然含含水量于野外外可以用下述述比重筒方法法比較快地測測定。(1)以容積為為3—4L金周圓筒，先先裝滿水便與與筒之頂緣相相平，稱其重重量g1(g)，精確度為1g。(2)取重約11—2kg具有天然含含水量的試樣樣稱重為g2(g)。(3)將圓筒中中的水倒出一一部分，然后后將已稱重之之樣品放入筒筒中，為使其其中空氣排出出，可小心的的用棒輕輕攪攪動。待空氣氣排完后，再再注水于筒中中，仍使水面面與回筒頂緣緣相平，稱其其重量為g3(g)則碎石土的天然然含水量可按按式(17-55)計算：（17-5）式中G為顆粒比比重。3、碎石土的相相對密度碎石土的相對密密度Dr與砂土相同同?？梢杂?00000cm3體積的捅，將將碎石土混合合均勻較緩地地注入桶內(nèi)，表表面抹平計算算而得。可以用木棍將碎碎石土搗至最最密實后測得得。***土粒比重重粗粒＞5mmm——虹吸管法細粒＜5mmm——比重瓶法17.3碎石石土強度指標標的測定碎石土的力學強強度指標的測測定與其物理理性質(zhì)指標的的測定一樣，也也必須采用大大尺寸的試樣樣，在現(xiàn)場直直接測定。其其測定方法有有：水平推剪剪試驗、大型直剪試試驗（現(xiàn)場直直接剪切試驗驗）及大型三軸試試驗。1、水平推剪試試驗水平推剪試驗不不加垂直荷載載，用千斤頂頂加水平報力力推擠土體，根根據(jù)一次試驗驗結(jié)果，用極極限平衡理論論計算土體的的抗剪強度指指標c，φ。水平報剪試驗裝裝置示意見圖圖17-3((a)。h偽高度應超超過土中最粗粗顆粒直徑的的5倍以上。在在推擠土體的的兩側(cè)，要開開一寬為10～12cm的邊槽，開開槽后仍回填填土，并用平平滑的白鐵皮皮將推擠土體體與回填土間間隔開，使盡盡量減少填土土對試驗土體體的摩擦影響響。千斤頂施力于活活動擋板上，施施力點距坑底底高約1/3h；活動擋板板可以用普通通厚鋼板制成成，以施力后后鋼板本身不不撓曲為原則則。為克服活活動擋板本身身重量的影響響，可通過三三角架上滑車車，用重物平平衡。活動擋擋板位移的測測量設置在活活動擋板兩端端各為L／10。位移量測測到0.4mm就基本達到到要求。推擠土體移動時時剪切面的力力由千斤頂上上的測力計測測定。施加的的水平推力是是分級加上的的，先大致估估計土體的極極限抗剪強度度，開始加荷荷等級可適當當大一些，一一般用250～500kg。到接近極極限值時，加加荷等級可小小些，一般用用100～150kg。每級荷載載加上后，觀觀測時間間隔隔為0，2min，3min，5min，5min……。相對穩(wěn)定定標準可取ΔΔi≤0.2Δ1（Δ1為加荷后第第一個5min的變形值；；Δi為第一個5min以后某一個5min內(nèi)的變形增增量）。最大推力Pmaax，可用出出現(xiàn)下列條件件之一來確定定：(1)土體表表面出現(xiàn)明顯顯的剪切裂縫縫；(2)當加荷荷后，在該荷荷重下變形隨隨時間等速增增大，即認為為土體已經(jīng)被被破壞；(3)土體位位移總值達0.1L時。剪切面的位置往往往不易確定定?？稍谕馏w體的兩側(cè)與頂頂面用墨線畫畫上方格網(wǎng)的的方法來繪方方格網(wǎng)的大小小可用10cm××locm。如剪切面面的輪廓不好好確定時，可可近似地當作作圓筒形。試驗測得的數(shù)據(jù)據(jù)為Pmax(極限推力)；Pmin(土體發(fā)生剪剪損后的推力力)；和剪切面面的輪廓位置置。根據(jù)這些些試驗數(shù)據(jù)可可用半圖解法法確定c，φ值。在推擠的土體上上，分出一個個單位寬度的的棱體，假如如棱體上水平平壓力為，或或為均勻分布布（這種假定定是近似的）。在厘米紙上按比比例尺繪出推推擠土體的輪輪廓，然后分分成若干條塊塊(見圖17—3(b))，計算每個個條塊的重量量gi（i=1，2，3，4）滑動線的的長度Li和與水平線線所成的傾角角αi。則每個條塊上的的剪切力Pi與其重量gi成正比，即即：（17-8）式中：G為各條條塊的重量和和。整個推擠棱體的的極限平衡條條件為：（17-9）式中：—Pi在在剪切面上的的投影；—gi在剪切面面上的投影；；—gi在剪切面面法線上的投投影；式（17-9）可可寫成：（17-100）而c值可以根據(jù)據(jù)（P-P’）的差值來來確定。（17-11）將式（17-111）代入式（17-10），即得：：（117-12）利用式(17--11)式(17-112)即可確定c，φ值。2、現(xiàn)場直接剪剪切試驗（大大型直剪試驗驗）1）現(xiàn)場直接剪剪切試驗的原原理和適用范范圍現(xiàn)場直剪試驗可可用于巖土體體本身、巖土體沿軟軟弱結(jié)構(gòu)面和和巖體與其他他材料（如混混凝土等）接接觸面的剪切切試驗?，F(xiàn)場直剪試驗按按剪切條件和和破壞方式分分為:抗剪斷試驗巖巖土體試體在在法向應力作作用下沿剪切切面剪切破壞壞的抗剪斷試試驗，抗剪試驗巖土土體剪斷后沿沿剪切面繼續(xù)續(xù)剪切的抗剪剪試驗(摩擦試驗)，抗切試驗法向向應力為零時時巖體剪切的的抗切試驗?，F(xiàn)場直剪試驗的的原理與室內(nèi)內(nèi)直剪試驗類類似，即通過過施加水平推推力使試體的的剪切面上產(chǎn)產(chǎn)生剪應力，將將試體剪壞。通通過一組不同同法向應力的的直剪試驗，最最終可確定試試體的各種強強度特性和強強度指標?，F(xiàn)場直剪試驗一一般用于較重重要的工程，當當室內(nèi)試驗難難以取得有關(guān)關(guān)參數(shù)或缺少少把握時可采采用現(xiàn)場試驗驗方法。與室室內(nèi)試驗相比比，現(xiàn)場直剪剪試驗成本高高且費時。2）現(xiàn)場直接剪剪切試驗的方方法和技術(shù)要要求⑴現(xiàn)場直接剪切切試驗的方法法和基本規(guī)定定①現(xiàn)場直剪試驗驗可在試洞、試試坑、探槽或或大口徑鉆孔孔內(nèi)進行。當當剪切面水平平或近于水平平時，可采用用平推法或斜斜推法；當剪剪切面較陡時時，可采用楔楔形體法。②同一組試驗體體的巖性應基基本相同，受受力狀態(tài)應與與巖土體在工工程中的實際際受力狀態(tài)相相近。③現(xiàn)場直剪試驗驗每組巖體不不宜少于5個。剪切面面積不得小于于0.25mm2。試體最小小邊長不宜小小于50cmm，高度不宜宜小于最小邊邊長的0.55倍。試體之之間的距離應應大于最小邊邊長的1.55倍。④每組土體試驗驗不宜少于33個。剪切面面積不宜小于于0.3m2，高度不宜宜小于20ccm或為最大大粒徑的4～8倍，剪切面面開縫應為最最小粒徑的11/3～1/4。⑵現(xiàn)場直接剪切切試驗的技術(shù)術(shù)要求①開挖試坑時應應避免對試體體的擾動和含含水量的顯著著變化；在地地下水位以下下試驗時，應應避免水壓力力和滲流對試試驗的影響。②施加的法向荷荷載、剪切荷荷載應位于剪剪切面、剪切切縫的中心；；或使法向荷荷載與剪切荷荷載的合力通通過剪切面的的中心，并保保持法向荷載載不變。③最大法向荷載載應大于設計計荷載，并按按等量分級；；荷載精度應應為試驗最大大荷載的±2%。④每一試體的法法向荷載可分分4、5級施加；當當法向變形達達到相對穩(wěn)定定時，即可施施加剪切荷載載。⑤每級剪切荷載載按預估最大大荷載的8%～10%分級等量施施加，或按法法向荷載的55%～10%分級等量施施加；巖體按按每5～lOminn，土體按每每30s施加一一級剪切荷載載。⑥當剪切變形急急劇增長或剪剪切變形達到到試體尺寸的的1/10時，可終終止試驗。⑦根據(jù)剪切位移移大于lOmmm時的試驗驗成果確定殘殘余抗剪強度度，需要時可可沿剪切面繼繼續(xù)進行摩擦擦試驗。保持巖土樣的原原狀結(jié)構(gòu)不受受擾動是非常常重要的，故故在爆破、開開挖和切樣過過程中，均應應避免巖土樣樣或軟弱結(jié)構(gòu)構(gòu)面破壞和含含水量的顯著著變化。對軟軟弱巖土體，可可在頂面和周周邊加護層(鋼或混凝土)，護套底邊邊應在剪切面面以上。在地地下水位以下下試驗時，應應先降低水位位，安裝試驗驗裝置恢復水水位后，再進進行試驗。對對于高含水量量的塑性軟弱弱層，法向荷荷載應分級施施加，以免軟軟弱層擠出。3）現(xiàn)場直接剪剪切試驗的資資料整理和成成果分析⑴資料整理的內(nèi)內(nèi)容①繪制剪切應力力與剪切位移移曲線、剪應應力與垂直位位移曲線，確確定比例強度度、屈服強度度、峰值強度度、剪脹點和和剪脹強度。②繪制法向應力力與比例強度度、屈服強度度、峰值強度度、殘余強度度的曲線，確確定相應的強強度參數(shù)。⑵資料整理的方方法由剪應力與剪切切位移關(guān)系曲曲線、剪應力力與垂直位移移曲線確定強強度參數(shù)時應應依據(jù)曲線特特征。1）比例界限壓壓力定義為剪剪應力與剪切切位移曲線直直線段的末端端相應的剪應應力，如直線線段不明顯，可可采用一些輔輔助手段確定定：①用循環(huán)荷載方方法：在比例例強度前卸荷荷后的剪切位位移基本恢復復，過比例界界限后則不然然；②利用試體以下下基底巖土體體的水平位移移與試樣的水水平位移的關(guān)關(guān)系判斷在比比例界限之前前，兩者相近近；過比例界界限后，試樣樣的水平位移移大于基底巖巖土的水平位位移；③繪制τ～u//τ曲線(τ—剪應力，u—剪切位移)：在比例界界限之前，u/τ變化極?。?；過比例界限限后，u/τ值增大加快快。2）屈服強度可可通過繪制試試樣的絕對剪剪切位移uA與試樣和基基底間的相對對位移uR以及與剪應應力τ的關(guān)系曲線線來確定。在在屈服強度之之前，uR的增率小于于uA；過屈服強強度后，基底底變形趨于零零，則uA與uR的增率相等等，其起始點點為A，剪應力τ與uA曲線上A點相應的剪剪應力即屈服服強度。3）峰值強度和和殘余強度是是容易確定的的。4）剪脹強度相相當于整個試試樣由于剪切切帶發(fā)生體積積變大而發(fā)生生相對的剪應應力，可根據(jù)據(jù)剪應力與垂垂直位移曲線線判定。5）巖體結(jié)構(gòu)面面的抗剪強度度，與結(jié)構(gòu)面面的形狀、閉閉合、充填情情況和荷載大大小及方向等等有關(guān)。對于脆性破壞巖巖體，可以采采取比例強度度確定抗剪強強度參數(shù)；而而對于塑性破破壞巖體，可可以利用屈服服強度確定抗抗剪強度參數(shù)數(shù)。驗算巖土土體滑動穩(wěn)定定性，可以采采取殘余強度度確定的抗剪剪強度參數(shù)。因因為在滑動面面上破壞的發(fā)發(fā)展是累進的的，發(fā)生峰值值強度破壞后后，破壞部分分的強度降為為殘余強度。3、大型三軸試試驗大型三軸試驗有有真空式與液液壓式：真空式通過從試試件內(nèi)抽氣施施加側(cè)向壓力力，軸壓利用用千斤頂，軸軸向變形用千千分表。裝置置示意圖見圖圖17-6。液壓式通過液壓壓對試件施加加側(cè)向壓力，軸軸壓仍利用千千斤頂。其裝裝置與室內(nèi)三三軸儀基本相相同。17.4碎石石土地基承載載力的評定根據(jù)我國勘察、設設計單位的生生產(chǎn)和科學研研究工作，《地地基規(guī)范》TJ7-774編制組及原原國家建委《巖巖土的工程分分類及承載力力研究》課題題組(1979～1985)搜集、分析析碎石土的載載荷試驗資料料共183價，取p-SS曲線上的比比例界限壓力力p0作為容許承承載力值，最最后經(jīng)近年修修訂，《地基基規(guī)范》GB7-889確定了表17-4所示的我國國碎石土容許許承載力表。對對于一般建筑筑物(《地基規(guī)范范》GBJ7--89劃定的二級級建筑物)，基礎埋深深小于或等于于0.5m，基寬小于于或等于3m，可根據(jù)土土密實度的野野外鑒別特征征，直接應用用表17-4確定其承載載力。該表中數(shù)值適用用于骨架顆粒?？障度坑捎芍猩啊⒋稚吧盎蛴菜堋詧杂矤顟B(tài)的黏黏性土或稍濕濕的粉土所充充填。對于中密、稍密密的碎石土，當當充填物以黏黏性土為主時時，承載力取取用表值的下下限，以砂土土為主時則取取用表值的上上限。當骨架顆粒為中中等風化或強強風化時，可可按其風化程程度適當降低低承載力。當當顆粒間呈半半膠結(jié)狀態(tài)時時，可適當提提高承載力．．《冶金工業(yè)建設設工程地質(zhì)勘勘察技術(shù)規(guī)范范》(試行)早于1972年已編制有有碎石土的承承載力表，見見表17-5。該表適用用于第四紀沖沖積、洪積及及坡積洪積等等土層。在同同一密實狀態(tài)態(tài)下，可根據(jù)據(jù)骨架顆粒含含量、風化程程度、充填物物組成