寬級配礫質(zhì)土非飽和抗剪強度的多維度試驗剖析與理論探究一、引言1.1研究背景與意義在土工工程領(lǐng)域，寬級配礫質(zhì)土由于其獨特的顆粒組成和工程性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于各類工程建設(shè)中。例如，在道路工程中，常被用作路基材料，為路面提供穩(wěn)定的支撐；在堤壩工程里，是重要的筑壩材料，用于構(gòu)建堤壩主體，抵御洪水等自然災(zāi)害。然而，在實際工程環(huán)境中，寬級配礫質(zhì)土大多處于非飽和狀態(tài)，其非飽和特性對工程的穩(wěn)定性和安全性有著至關(guān)重要的影響。非飽和土是指含有氣體、水和固體顆粒的三相體系，與飽和土相比，其力學(xué)性質(zhì)更為復(fù)雜。非飽和狀態(tài)下，土體中的孔隙水壓力和基質(zhì)吸力會隨著含水量的變化而改變，進(jìn)而顯著影響土體的抗剪強度。當(dāng)土體受到外部荷載作用時，抗剪強度不足可能導(dǎo)致土體發(fā)生剪切破壞，引發(fā)諸如路基沉降、堤壩滑坡等工程事故。在降雨或地下水位變化等情況下，非飽和土的含水量會發(fā)生改變，從而使其抗剪強度發(fā)生變化，對工程的長期穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。因此，深入研究寬級配礫質(zhì)土在非飽和狀態(tài)下的抗剪強度具有重要的現(xiàn)實意義。本研究通過對寬級配礫質(zhì)土進(jìn)行非飽和抗剪強度試驗，旨在揭示其在不同非飽和狀態(tài)下的抗剪強度特性和變化規(guī)律。這不僅能夠豐富和完善非飽和土力學(xué)理論，為土工工程的設(shè)計和施工提供更為準(zhǔn)確的理論依據(jù)，還有助于提高工程的安全性和穩(wěn)定性，降低工程風(fēng)險，減少因土體失穩(wěn)導(dǎo)致的工程事故和經(jīng)濟(jì)損失。在工程設(shè)計階段，準(zhǔn)確掌握寬級配礫質(zhì)土的非飽和抗剪強度參數(shù)，能夠使設(shè)計人員更加合理地設(shè)計工程結(jié)構(gòu)，優(yōu)化工程方案，確保工程在各種工況下都能安全可靠地運行。在施工過程中，根據(jù)研究結(jié)果可以制定更加科學(xué)的施工工藝和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，保證施工質(zhì)量，提高工程建設(shè)的效率和效益。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外對于非飽和土抗剪強度的研究起步較早，取得了一系列具有重要影響力的成果。1960年，Bishop從飽和土的有效應(yīng)力原理出發(fā)，開創(chuàng)性地提出了非飽和土的抗剪強度表達(dá)式：f=C’+[(\sigma-u_a)+x(u_a-u_w)]tan\varphi’。在該公式中，C’和\varphi’是飽和土的有效應(yīng)力參數(shù)，被認(rèn)為不隨吸力變化，可通過常規(guī)測試方法確定；\sigma為作用在土體上的正應(yīng)力；u_a為孔隙氣壓力；u_w為孔隙水壓力；x是與土的飽和度及土性有關(guān)的試驗參數(shù)，取值在0到1之間，飽和度為零時x=0，飽和度為1時x=1。Bishop公式首次分別考慮了孔隙氣體和孔隙水對非飽和土抗剪強度的影響，在巖土工程領(lǐng)域得到了廣泛的認(rèn)同，為后續(xù)非飽和土力學(xué)研究奠定了重要基礎(chǔ)。然而，該公式中的參數(shù)x值影響因素眾多，測定困難，吸力(u_a-u_w)的值也較難準(zhǔn)確測定，這在一定程度上限制了其在工程實踐中的應(yīng)用。Fredlund和Xing在1994年提出了考慮吸力影響的非飽和土抗剪強度模型，即Fredlund&Xing模型。該模型提出了一個包含吸力和有效應(yīng)力的雙變量抗剪強度公式，能夠更好地描述非飽和土的剪切行為。其考慮了吸力對非飽和土抗剪強度的影響，通過引入與吸力相關(guān)的函數(shù)，對非飽和土的抗剪強度進(jìn)行了更精確的表達(dá)。這一模型在非飽和土力學(xué)研究中具有重要意義，推動了非飽和土抗剪強度理論的發(fā)展。眾多學(xué)者基于Fredlund&Xing模型開展了進(jìn)一步的研究和拓展，將其應(yīng)用于不同類型的非飽和土，驗證和完善了該模型的適用性。但該模型在某些特殊情況下，如土體結(jié)構(gòu)復(fù)雜或經(jīng)歷特殊的應(yīng)力歷史時，仍存在一定的局限性，需要進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化。在寬級配礫質(zhì)土方面，國外也有不少相關(guān)研究。一些學(xué)者通過室內(nèi)試驗，研究了寬級配礫質(zhì)土的顆粒組成對其抗剪強度的影響。他們發(fā)現(xiàn)，不同粒徑的礫石、砂和黏土的比例會顯著影響土體的密實度和顆粒間的相互作用，進(jìn)而影響抗剪強度。研究還表明，寬級配礫質(zhì)土在不同的應(yīng)力水平和排水條件下，其抗剪強度表現(xiàn)出不同的特性。在高應(yīng)力水平下，土體的顆粒破碎現(xiàn)象會對其抗剪強度產(chǎn)生重要影響。在排水條件較好時，土體的抗剪強度主要取決于顆粒間的摩擦力；而在排水條件較差時，孔隙水壓力的變化會對抗剪強度產(chǎn)生較大影響。但這些研究大多集中在特定的工程背景和試驗條件下，對于不同地區(qū)、不同性質(zhì)的寬級配礫質(zhì)土的普適性研究還相對不足。國內(nèi)對非飽和土抗剪強度的研究也在不斷深入和發(fā)展。許多學(xué)者對國外的經(jīng)典理論和模型進(jìn)行了深入研究和驗證，并結(jié)合國內(nèi)的工程實際情況，提出了一些改進(jìn)和修正的方法。通過大量的室內(nèi)試驗和現(xiàn)場監(jiān)測，對非飽和土的抗剪強度特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析和總結(jié)。有學(xué)者對南昌地區(qū)的非飽和土進(jìn)行室內(nèi)土工實驗，發(fā)現(xiàn)土的抗剪強度指標(biāo)\varphi值隨含水量的變化不是線性的，c值隨含水量的變化基本上是降低的。這一研究結(jié)果為南昌地區(qū)的工程建設(shè)提供了重要的參考依據(jù)。在寬級配礫質(zhì)土的研究方面，國內(nèi)學(xué)者針對其在水利工程、道路工程等領(lǐng)域的應(yīng)用，開展了一系列的試驗研究。通過三軸試驗、直剪試驗等手段，研究了寬級配礫質(zhì)土在不同壓實度、含水量和飽和度條件下的抗剪強度變化規(guī)律。一些研究表明，隨著壓實度的增加，寬級配礫質(zhì)土的抗剪強度顯著提高；而含水量和飽和度的變化對其抗剪強度的影響則較為復(fù)雜，在一定范圍內(nèi)，抗剪強度可能會隨著含水量或飽和度的增加而降低，但在某些情況下，也可能會出現(xiàn)先增加后降低的現(xiàn)象。盡管國內(nèi)外在寬級配礫質(zhì)土非飽和抗剪強度研究方面取得了一定的成果，但仍存在一些不足之處?，F(xiàn)有研究在試驗方法和設(shè)備上還存在一定的局限性，難以全面準(zhǔn)確地模擬實際工程中寬級配礫質(zhì)土的受力狀態(tài)和環(huán)境條件。不同研究之間的試驗結(jié)果和結(jié)論存在一定的差異，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，這給工程應(yīng)用帶來了一定的困難。對于寬級配礫質(zhì)土非飽和抗剪強度的微觀機理研究還相對薄弱，對土體內(nèi)部顆粒間的相互作用、孔隙結(jié)構(gòu)的變化以及吸力的傳遞機制等方面的認(rèn)識還不夠深入。在實際工程應(yīng)用中，如何將試驗研究成果準(zhǔn)確地應(yīng)用到工程設(shè)計和施工中，還需要進(jìn)一步的探索和研究。1.3研究內(nèi)容與方法本研究旨在深入探究寬級配礫質(zhì)土在非飽和狀態(tài)下的抗剪強度特性，具體研究內(nèi)容包括：不同飽和度下的抗剪強度測試：選取具有代表性的寬級配礫質(zhì)土，通過篩分等手段獲取不同粒徑級配的礫石、砂和黏土，并按照特定比例進(jìn)行混合，制備出符合要求的土樣。將土樣分為多組，分別調(diào)節(jié)至不同的飽和度狀態(tài)，包括飽和狀態(tài)以及50%、70%、90%等不同飽和度水平。采用先進(jìn)的試驗設(shè)備和方法，對不同飽和度條件下的土樣進(jìn)行抗剪強度測試，記錄試驗過程中的各項數(shù)據(jù)，如剪切力、位移、孔隙水壓力等?？辜魪姸葏?shù)分析：對試驗所得數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的統(tǒng)計分析，計算出不同飽和度條件下寬級配礫質(zhì)土的抗剪強度參數(shù)，如粘聚力c和內(nèi)摩擦角\varphi。深入分析這些參數(shù)隨飽和度的變化規(guī)律，探討飽和度對寬級配礫質(zhì)土抗剪強度的影響機制。通過對比不同飽和度下的抗剪強度參數(shù)，明確飽和度在寬級配礫質(zhì)土抗剪強度中的關(guān)鍵作用，為后續(xù)的理論研究和工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。建立非飽和抗剪強度模型：基于試驗結(jié)果和數(shù)據(jù)分析，結(jié)合現(xiàn)有的非飽和土抗剪強度理論，嘗試建立適用于寬級配礫質(zhì)土的非飽和抗剪強度模型。該模型將綜合考慮飽和度、顆粒組成、孔隙結(jié)構(gòu)等因素對抗剪強度的影響，通過數(shù)學(xué)表達(dá)式準(zhǔn)確描述寬級配礫質(zhì)土在非飽和狀態(tài)下的抗剪強度特性。對建立的模型進(jìn)行驗證和優(yōu)化，通過與試驗數(shù)據(jù)及其他相關(guān)研究結(jié)果的對比，檢驗?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性和可靠性。根據(jù)驗證結(jié)果對模型進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)，使其能夠更好地反映寬級配礫質(zhì)土的實際力學(xué)行為，為工程設(shè)計和分析提供有效的工具。為實現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本研究采用室內(nèi)模擬試驗法。利用三軸儀對寬級配礫質(zhì)土進(jìn)行非飽和抗剪強度試驗。三軸儀能夠精確控制圍壓、軸壓和孔隙水壓力，模擬土體在不同應(yīng)力狀態(tài)下的受力情況，從而準(zhǔn)確測量土體的抗剪強度。在試驗過程中，通過調(diào)節(jié)三軸儀的相關(guān)參數(shù)，實現(xiàn)對不同飽和度土樣的加載和測試，獲取豐富的試驗數(shù)據(jù)。配合使用壓縮機等設(shè)備，對土樣進(jìn)行壓實處理，確保土樣的密實度符合試驗要求，模擬實際工程中的壓實情況。在試驗前，需對試驗設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)試，確保設(shè)備的精度和穩(wěn)定性。嚴(yán)格控制試驗條件，如調(diào)整水分含量、保證沉積時間、控制試驗速率等，以減少試驗誤差，提高試驗結(jié)果的可靠性。1.4研究創(chuàng)新點與技術(shù)路線本研究在多個方面具有創(chuàng)新性，具體如下：試驗方法創(chuàng)新：在試驗過程中，采用先進(jìn)的三軸儀設(shè)備，通過高精度的壓力控制系統(tǒng)，能夠更加精確地模擬寬級配礫質(zhì)土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的實際受力情況，相比傳統(tǒng)試驗方法，能獲取更全面、準(zhǔn)確的試驗數(shù)據(jù)。在調(diào)節(jié)土樣飽和度時，運用了一種新的水分控制技術(shù)，該技術(shù)基于精準(zhǔn)的水分測量和自動補水系統(tǒng)，能夠快速、穩(wěn)定地將土樣調(diào)節(jié)至目標(biāo)飽和度，大大提高了試驗效率和飽和度控制的精度。參數(shù)分析創(chuàng)新：在抗剪強度參數(shù)分析方面，引入了機器學(xué)習(xí)算法對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。通過建立機器學(xué)習(xí)模型，能夠深入挖掘數(shù)據(jù)之間的潛在關(guān)系，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)分析方法難以察覺的規(guī)律，從而更準(zhǔn)確地揭示飽和度與抗剪強度參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系。在研究飽和度對寬級配礫質(zhì)土抗剪強度的影響時，不僅考慮了常規(guī)的宏觀因素，還結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)分析技術(shù)，從土體內(nèi)部顆粒間的相互作用、孔隙結(jié)構(gòu)的變化等微觀層面進(jìn)行深入探討，為抗剪強度特性的研究提供了新的視角和理論依據(jù)。本研究的技術(shù)路線如下：前期準(zhǔn)備：廣泛查閱國內(nèi)外關(guān)于寬級配礫質(zhì)土非飽和抗剪強度的相關(guān)文獻(xiàn)資料，全面了解該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，明確研究的重點和難點。根據(jù)研究目的和內(nèi)容，制定詳細(xì)的試驗方案，確定試驗所需的設(shè)備、材料和技術(shù)參數(shù)。準(zhǔn)備試驗所需的寬級配礫質(zhì)土，通過篩分、混合等手段制備符合要求的土樣。對試驗設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的校準(zhǔn)和調(diào)試，確保設(shè)備的精度和穩(wěn)定性滿足試驗要求。試驗階段：利用三軸儀對不同飽和度條件下的寬級配礫質(zhì)土樣進(jìn)行抗剪強度試驗。在試驗過程中，精確控制圍壓、軸壓和孔隙水壓力等參數(shù)，按照設(shè)定的加載速率和加載方式對土樣進(jìn)行加載，記錄試驗過程中的各項數(shù)據(jù)，如剪切力、位移、孔隙水壓力等。對每個飽和度水平的土樣進(jìn)行多次重復(fù)試驗，以提高試驗結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)分析與模型建立：對試驗所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和統(tǒng)計分析，計算不同飽和度條件下寬級配礫質(zhì)土的抗剪強度參數(shù)，如粘聚力c和內(nèi)摩擦角\varphi。運用機器學(xué)習(xí)算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，挖掘數(shù)據(jù)之間的潛在規(guī)律?；谠囼灲Y(jié)果和數(shù)據(jù)分析，結(jié)合現(xiàn)有的非飽和土抗剪強度理論，建立適用于寬級配礫質(zhì)土的非飽和抗剪強度模型。對建立的模型進(jìn)行驗證和優(yōu)化，通過與試驗數(shù)據(jù)及其他相關(guān)研究結(jié)果的對比，檢驗?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性和可靠性。結(jié)果討論與應(yīng)用：對試驗結(jié)果和建立的模型進(jìn)行深入討論，分析寬級配礫質(zhì)土在非飽和狀態(tài)下的抗剪強度特性和變化規(guī)律，探討飽和度、顆粒組成、孔隙結(jié)構(gòu)等因素對抗剪強度的影響機制。將研究成果應(yīng)用于實際工程案例，驗證研究成果的實用性和有效性。根據(jù)實際應(yīng)用情況，對研究成果進(jìn)行進(jìn)一步的完善和改進(jìn)，為土工工程的設(shè)計和施工提供更可靠的理論依據(jù)和技術(shù)支持。二、寬級配礫質(zhì)土特性與試驗原理2.1寬級配礫質(zhì)土基本特性寬級配礫質(zhì)土是一種顆粒范圍從粘粒延伸至粗礫（甚至包括碎石、塊石），且基本涵蓋所有中間粒徑的土石混合料。在我國，西部地區(qū)地勢復(fù)雜，地質(zhì)條件多樣，是寬級配礫質(zhì)土的主要分布區(qū)域。在山區(qū)，由于巖石長期受到風(fēng)化、侵蝕等作用，破碎的巖石顆粒與周圍的黏土、砂土等混合，形成了豐富的寬級配礫質(zhì)土資源。在一些河流的沖積扇和階地地區(qū)，水流的搬運和沉積作用也使得不同粒徑的顆粒在此聚集，形成了寬級配礫質(zhì)土。因其具有分布廣泛、儲量豐富的特點，作為填筑材料，它具有諸多優(yōu)勢。在取材方面，相較于其他特定類型的填筑材料，在其分布區(qū)域內(nèi)，施工單位可以更便捷地獲取寬級配礫質(zhì)土，減少了材料的運輸成本和時間成本。其強度高、變形量小的特性使其在工程應(yīng)用中能夠承受較大的荷載，不易發(fā)生過度變形，為工程結(jié)構(gòu)提供了穩(wěn)定的支撐。經(jīng)過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)處理，如添加特定的外加劑或采用合理的壓實工藝，寬級配礫質(zhì)土還能具備較好的防滲性，滿足諸如堤壩防滲等工程的需求。從組成成分來看，寬級配礫質(zhì)土由礫石、砂、黏土等多種顆粒組成，各成分的比例會因產(chǎn)地和形成條件的不同而有所差異。這種復(fù)雜的顆粒組成使其物理力學(xué)性質(zhì)具有獨特性。在顆粒形狀上，礫石通常呈現(xiàn)出不規(guī)則的塊狀，表面較為粗糙，這使得礫石之間能夠產(chǎn)生較大的摩擦力；砂粒多為圓形或橢圓形，表面相對光滑，在土體中起到填充和調(diào)節(jié)孔隙的作用；黏土顆粒則極為細(xì)小，呈片狀，具有較強的黏聚力。這些不同形狀和特性的顆粒相互組合，共同影響著寬級配礫質(zhì)土的性質(zhì)。其顆粒級配曲線較為平緩，反映出顆粒粒徑分布范圍廣的特點。不均勻系數(shù)C_u和曲率系數(shù)C_c是衡量顆粒級配的重要指標(biāo)，對于寬級配礫質(zhì)土而言，不均勻系數(shù)C_u通常較大，表明其粒徑分布跨度大；曲率系數(shù)C_c則在一定范圍內(nèi)波動，反映了顆粒粒徑分布的連續(xù)性。這種級配特征使得寬級配礫質(zhì)土在壓實過程中，不同粒徑的顆粒能夠相互填充，形成較為密實的結(jié)構(gòu)。寬級配礫質(zhì)土的密度和孔隙率與顆粒組成密切相關(guān)。一般來說，隨著礫石含量的增加，土體的密度會增大，因為礫石的密度相對較大?？紫堵蕜t會受到顆粒級配和壓實程度的雙重影響。當(dāng)顆粒級配良好，大小顆粒相互填充時，孔隙率會降低；而壓實程度越高，孔隙率也會越小。在實際工程中，通過控制壓實度，可以有效地調(diào)整寬級配礫質(zhì)土的密度和孔隙率，以滿足工程對土體強度和穩(wěn)定性的要求。在工程應(yīng)用中，寬級配礫質(zhì)土也存在一些問題。由于其顆粒組成復(fù)雜，在施工過程中，不同粒徑的顆?？赡軙霈F(xiàn)分離現(xiàn)象，導(dǎo)致填筑質(zhì)量不均勻。在運輸和攤鋪過程中，較大粒徑的礫石可能會滾動到邊緣或底部，而較小粒徑的顆粒則集中在中間或表面，使得土體的級配在不同部位發(fā)生變化，影響工程的整體質(zhì)量。其壓實特性也較為復(fù)雜，需要根據(jù)具體的顆粒組成和工程要求，合理選擇壓實設(shè)備和壓實工藝，以確保達(dá)到預(yù)期的壓實效果。在一些大型工程中，由于對寬級配礫質(zhì)土的壓實控制不當(dāng)，導(dǎo)致土體的密實度不足，在后續(xù)使用過程中出現(xiàn)了沉降、變形等問題，影響了工程的安全性和使用壽命。2.2非飽和土抗剪強度理論基礎(chǔ)非飽和土的抗剪強度是指土體抵抗剪切破壞的能力，其基本原理涉及到土顆粒之間的相互作用以及孔隙水和孔隙氣對這種作用的影響。在非飽和狀態(tài)下，土體由固體顆粒、孔隙水和孔隙氣三相組成，三相之間的相互作用使得非飽和土的抗剪強度特性比飽和土更為復(fù)雜。從微觀角度來看，非飽和土的抗剪強度主要來源于土顆粒之間的摩擦力、粘聚力以及由基質(zhì)吸力產(chǎn)生的附加抗剪強度。土顆粒之間的摩擦力是由于顆粒表面的粗糙程度和顆粒間的相互咬合而產(chǎn)生的，當(dāng)土體受到剪切力作用時，顆粒之間會發(fā)生相對滑動和滾動，摩擦力會阻礙這種相對運動。粘聚力則是由土顆粒之間的分子引力、化學(xué)鍵力以及膠結(jié)物質(zhì)的作用而形成的，它使得土顆粒能夠相互連接在一起，共同抵抗外力。在非飽和土中，由于孔隙水沒有完全充滿孔隙，孔隙氣和孔隙水之間存在壓力差，這種壓力差產(chǎn)生的基質(zhì)吸力會使土顆粒之間的有效應(yīng)力增加，從而產(chǎn)生附加的抗剪強度。與飽和土相比，非飽和土抗剪強度存在明顯差異。在飽和土中，孔隙全部被水充滿，不存在基質(zhì)吸力，其抗剪強度主要由土顆粒之間的摩擦力和粘聚力決定。根據(jù)摩爾-庫侖強度理論，飽和土的抗剪強度表達(dá)式為\tau=c+\sigma_{n}tan\varphi，其中\(zhòng)tau為抗剪強度，c為粘聚力，\sigma_{n}為作用在剪切面上的法向應(yīng)力，\varphi為內(nèi)摩擦角。而在非飽和土中，由于存在基質(zhì)吸力，其抗剪強度表達(dá)式需要考慮基質(zhì)吸力的影響。Bishop提出的非飽和土抗剪強度表達(dá)式為f=C’+[(\sigma-u_a)+x(u_a-u_w)]tan\varphi’，與飽和土抗剪強度表達(dá)式相比，多了與基質(zhì)吸力(u_a-u_w)相關(guān)的項x(u_a-u_w)tan\varphi’，這表明基質(zhì)吸力對非飽和土的抗剪強度有重要影響。飽和度是影響非飽和土抗剪強度的關(guān)鍵因素之一。隨著飽和度的變化，土體中的孔隙水和孔隙氣含量也會發(fā)生改變，進(jìn)而影響基質(zhì)吸力和抗剪強度。當(dāng)飽和度較低時，土體中孔隙氣含量較多，孔隙水以薄膜水或懸掛水的形式存在，此時基質(zhì)吸力較大，由基質(zhì)吸力產(chǎn)生的附加抗剪強度也較大。隨著飽和度逐漸增加，孔隙水逐漸填充孔隙，基質(zhì)吸力逐漸減小，附加抗剪強度也隨之降低。當(dāng)飽和度達(dá)到100%，即土體處于飽和狀態(tài)時，基質(zhì)吸力為零，抗剪強度僅由土顆粒之間的摩擦力和粘聚力決定，此時非飽和土的抗剪強度表達(dá)式退化為飽和土的抗剪強度表達(dá)式。2.3試驗原理與相關(guān)理論本次試驗主要依據(jù)摩爾-庫侖強度理論，該理論在土力學(xué)領(lǐng)域具有基礎(chǔ)性和重要性。1776年，法國科學(xué)家?guī)靷悾–.A.Coulomb）通過對砂土試驗結(jié)果的分析總結(jié)，開創(chuàng)性地提出了土的破壞公式。對于砂土，其抗剪強度可表示為\tau=\sigma_{n}tan\varphi，其中\(zhòng)tau為抗剪強度，\sigma_{n}為作用在剪切面上的法向應(yīng)力，\varphi為內(nèi)摩擦角。這一公式揭示了砂土抗剪強度主要來源于顆粒間的摩擦力，內(nèi)摩擦角\varphi反映了顆粒間摩擦特性的強弱。對于粘性土，庫倫給出了更為普遍的表達(dá)式\tau=c+\sigma_{n}tan\varphi，相較于砂土公式，多了粘聚力c這一項。粘聚力c體現(xiàn)了土顆粒之間的相互連接作用，包括分子引力、化學(xué)鍵力以及膠結(jié)物質(zhì)的作用等，它使得粘性土在受到外力作用時，能夠抵抗一定程度的變形和破壞。摩爾（Mohr）在庫倫研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入，提出材料的破壞是剪切破壞的理論。他認(rèn)為在破裂面上，法向應(yīng)力與抗剪強度之間存在著函數(shù)關(guān)系，即抗剪強度\tau是法向應(yīng)力\sigma_{n}的函數(shù)。當(dāng)土體中任一平面上的某點剪應(yīng)力等于土的抗剪強度時，該點即處于瀕于破壞的臨界狀態(tài)，此臨界狀態(tài)被稱為“極限平衡狀態(tài)”。在極限平衡狀態(tài)下，土體中各點的應(yīng)力狀態(tài)滿足一定的條件，這些條件被稱為“極限平衡條件”。以平面應(yīng)變課題為例，在研究土體中某點是否產(chǎn)生破壞時，可通過分析該點土單元體兩個相互垂直面上作用的最大主應(yīng)力\sigma_{1}和最小主應(yīng)力\sigma_{3}來進(jìn)行。若忽略土體自身重力，根據(jù)靜力平衡條件，可求得任一截面上的法向應(yīng)力\sigma和剪應(yīng)力\tau。這些應(yīng)力之間的關(guān)系可用莫爾應(yīng)力圓來表示，莫爾應(yīng)力圓上各點的坐標(biāo)表示該點在相應(yīng)平面上的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力。通過將莫爾應(yīng)力圓與土的抗剪強度包線繪在同一坐標(biāo)圖上并作相對位置比較，可以判別土體是否被破壞。若莫爾應(yīng)力圓整體位于抗剪強度包線的下方，則表明該點在任何平面上的剪應(yīng)力均小于土所能發(fā)揮的抗剪強度，該點未被剪破；若莫爾應(yīng)力圓與抗剪強度包線相切，則說明在切點所代表的平面上，剪應(yīng)力恰好等于土的抗剪強度，該點處于極限平衡狀態(tài)，此時的莫爾應(yīng)力圓稱為極限應(yīng)力圓，通過切點的位置還可確定破壞面的方向；若莫爾應(yīng)力圓與抗剪強度包線相割，則表明該點早已破壞，這種應(yīng)力狀態(tài)在實際中是不可能存在的。在非飽和土抗剪強度試驗中，涉及到多個重要參數(shù)，它們各自具有獨特的意義，共同影響著非飽和土的抗剪強度特性。粘聚力c是表征土顆粒之間相互連接緊密程度和抵抗相對滑動能力的參數(shù)，它反映了土體中除摩擦力之外的其他抗剪作用。在非飽和土中，粘聚力不僅受到土顆粒本身性質(zhì)、顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)等因素的影響，還會隨著飽和度的變化而改變。當(dāng)飽和度較低時，土顆粒間的連接主要依靠分子引力和少量的膠結(jié)物質(zhì)，粘聚力相對較??；隨著飽和度的增加，孔隙水逐漸填充孔隙，可能會對土顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)產(chǎn)生一定的軟化或稀釋作用，導(dǎo)致粘聚力發(fā)生變化。內(nèi)摩擦角\varphi則主要反映土顆粒之間的摩擦特性，它與土顆粒的形狀、表面粗糙度以及顆粒間的排列方式等因素密切相關(guān)。形狀不規(guī)則、表面粗糙的土顆粒之間更容易產(chǎn)生較大的摩擦力，從而使內(nèi)摩擦角增大。在非飽和土中，飽和度的變化也會對內(nèi)摩擦角產(chǎn)生影響。隨著飽和度的增加，孔隙水的潤滑作用可能會使土顆粒之間的摩擦力略有減小，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)摩擦角發(fā)生改變?；|(zhì)吸力(u_a-u_w)是孔隙氣壓力u_a與孔隙水壓力u_w的差值，它是衡量非飽和土中孔隙水和孔隙氣相互作用強度的重要指標(biāo)。在非飽和土中，由于孔隙水沒有完全充滿孔隙，孔隙氣和孔隙水之間存在壓力差，這種壓力差產(chǎn)生的基質(zhì)吸力會使土顆粒之間的有效應(yīng)力增加，從而產(chǎn)生附加的抗剪強度。當(dāng)飽和度降低時，孔隙氣含量增加，孔隙水壓力減小，基質(zhì)吸力增大，附加抗剪強度也隨之增大；反之，當(dāng)飽和度增加時，基質(zhì)吸力減小，附加抗剪強度降低。在本次試驗中，準(zhǔn)確測量和控制基質(zhì)吸力對于研究非飽和土的抗剪強度特性至關(guān)重要。飽和度S_r作為影響非飽和土抗剪強度的關(guān)鍵因素之一，其定義為土中水的體積與孔隙體積的比值，反映了土體中孔隙被水填充的程度。飽和度的變化直接影響著土體中孔隙水和孔隙氣的含量，進(jìn)而影響基質(zhì)吸力和抗剪強度。在試驗中，通過精確控制土樣的飽和度，能夠研究不同飽和度條件下寬級配礫質(zhì)土的抗剪強度變化規(guī)律。當(dāng)飽和度從較低值逐漸增加時，抗剪強度會隨著基質(zhì)吸力的減小而發(fā)生相應(yīng)的變化，可能呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。在低飽和度階段，基質(zhì)吸力較大，附加抗剪強度對總抗剪強度的貢獻(xiàn)較大，隨著飽和度的增加，抗剪強度可能會有所增加；但當(dāng)飽和度繼續(xù)增加，超過某一臨界值后，孔隙水的增加可能會導(dǎo)致土顆粒間的摩擦力和粘聚力減小，從而使抗剪強度降低。三、試驗方案設(shè)計與實施3.1試驗材料準(zhǔn)備本次試驗所需的礫石、砂和黏土原材料選取遵循嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。礫石選用質(zhì)地堅硬、強度高的天然礫石，主要來源于附近山區(qū)的河灘，這些礫石經(jīng)過長期水流的沖刷和搬運，顆粒形狀較為圓滑，表面粗糙度適中，有利于模擬實際工程中寬級配礫質(zhì)土的顆粒特性。其最大粒徑控制在60mm左右，以確保在試驗設(shè)備和試驗方法的適用范圍內(nèi)。在顆粒形狀方面，通過現(xiàn)場觀察和初步篩選，去除了明顯片狀或針狀的礫石，保證礫石顆粒的形狀相對規(guī)則，避免因特殊形狀顆粒對試驗結(jié)果產(chǎn)生異常影響。砂則采用潔凈的天然河砂，取自河流的中游地區(qū)，該地區(qū)的河砂顆粒級配較為均勻，含泥量較低，能夠滿足試驗對砂質(zhì)材料的要求。其粒徑范圍主要在0.075-2mm之間，符合建筑用砂的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在使用前，對河砂進(jìn)行了多次水洗，以去除其中的泥土、雜質(zhì)和有機物質(zhì)，保證砂的純凈度。通過篩分試驗，進(jìn)一步確定了砂的顆粒級配，確保其滿足試驗設(shè)計中對砂粒徑的要求。黏土選用具有代表性的粉質(zhì)黏土，取自當(dāng)?shù)氐酿ね恋V場。該粉質(zhì)黏土的塑性指數(shù)在10-17之間，液限為30%-35%，塑限為18%-22%，具有良好的黏聚性和可塑性。在采集黏土?xí)r，選擇了土層較為均勻、無明顯雜質(zhì)和夾層的區(qū)域，以保證黏土性質(zhì)的一致性。采集后的黏土經(jīng)過風(fēng)干、碾碎處理，使其顆粒大小均勻，便于后續(xù)與礫石和砂進(jìn)行混合。為了獲得符合要求的寬級配礫質(zhì)土，對選取的礫石、砂和黏土進(jìn)行了篩分處理。使用標(biāo)準(zhǔn)篩，按照不同的粒徑范圍對材料進(jìn)行篩分，將礫石分為5-10mm、10-20mm、20-40mm、40-60mm等多個粒徑組；砂分為0.075-0.15mm、0.15-0.3mm、0.3-0.6mm、0.6-1.18mm、1.18-2mm等粒徑組；黏土則主要控制其粒徑小于0.075mm。通過篩分，準(zhǔn)確掌握了各原材料的顆粒級配情況。根據(jù)前期的研究和相關(guān)工程經(jīng)驗，確定了礫石、砂和黏土的混合比例為5:3:2。在混合過程中，采用了機械攪拌的方式，以確保各成分均勻混合。將經(jīng)過篩分的礫石、砂和黏土按照設(shè)定的比例依次加入到強制式攪拌機中，攪拌時間控制在15-20分鐘，使各種顆粒充分混合，形成均勻的寬級配礫質(zhì)土。在攪拌過程中，定期檢查混合土的均勻性，通過隨機取樣，觀察樣品中不同粒徑顆粒的分布情況，確保混合土的質(zhì)量符合要求。土樣調(diào)制是試驗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。首先，根據(jù)試驗所需的土樣數(shù)量和質(zhì)量，稱取一定量的混合好的寬級配礫質(zhì)土。然后，向土樣中加入適量的水，以達(dá)到不同的飽和度要求。在加水過程中，采用噴霧的方式，使水分均勻地分布在土樣中，避免出現(xiàn)局部水分過多或過少的情況。加水后，將土樣再次放入攪拌機中攪拌5-10分鐘，進(jìn)一步保證水分與土樣充分混合。將調(diào)制好的土樣裝入密封袋中，放置在保濕環(huán)境中靜置24小時，使土樣中的水分充分均勻分布，達(dá)到水分平衡狀態(tài)。在靜置過程中，定期檢查密封袋的密封性，防止水分蒸發(fā)，影響土樣的飽和度。經(jīng)過上述步驟，制備出了符合試驗要求的寬級配礫質(zhì)土樣，為后續(xù)的非飽和抗剪強度試驗奠定了堅實的基礎(chǔ)。3.2試驗設(shè)備與儀器本次試驗所使用的主要設(shè)備包括三軸儀和壓縮機，它們在試驗中發(fā)揮著不可或缺的關(guān)鍵作用，為獲取準(zhǔn)確可靠的試驗數(shù)據(jù)提供了有力保障。三軸儀是本次試驗的核心設(shè)備，選用了高精度的全自動三軸儀。其工作原理基于土體在三維應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)響應(yīng)特性。在試驗時，將制備好的土樣用橡膠膜緊密包裹后放入壓力室。圍壓系統(tǒng)通過液體介質(zhì)（通常為水）對壓力室施加均勻的圍壓，模擬土體在實際工程中受到的側(cè)向壓力。反壓系統(tǒng)則可根據(jù)試驗需求對土樣施加反向壓力，用于控制土樣的飽和度和孔隙水壓力。加載系統(tǒng)由伺服電機驅(qū)動，能夠以設(shè)定的剪切速率對土樣施加軸向壓力，使土樣逐漸發(fā)生剪切變形。在整個試驗過程中，儀器配備的高精度傳感器會實時采集土樣的應(yīng)力、應(yīng)變、孔隙水壓力等數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行記錄和分析。該三軸儀具有諸多優(yōu)良性能參數(shù)。其軸向荷載測量范圍為0-100kN，精度可達(dá)±0.1%FS，能夠精確測量土樣在不同加載階段所承受的軸向力。圍壓控制范圍為0-3MPa，同樣具有±0.1%FS的高精度，可滿足不同試驗條件下對圍壓的精確控制需求。反壓力調(diào)節(jié)范圍為0-2MPa，精度也達(dá)到±0.1%FS，確保對土樣孔隙水壓力的精確調(diào)控。剪切速率可在0.001-10mm/min范圍內(nèi)無級變速，能夠根據(jù)試驗要求靈活選擇合適的加載速率，以模擬不同的工程加載工況。其位移測量精度高達(dá)±0.01mm，能夠準(zhǔn)確捕捉土樣在剪切過程中的微小變形。該三軸儀適用于多種土工試驗，尤其在非飽和土抗剪強度試驗中具有顯著優(yōu)勢。它能夠精確控制試驗過程中的各項參數(shù)，模擬復(fù)雜的應(yīng)力路徑和邊界條件，為研究非飽和土的力學(xué)特性提供了可靠的手段。在研究不同飽和度下寬級配礫質(zhì)土的抗剪強度時，通過三軸儀可以準(zhǔn)確控制土樣的飽和度、圍壓和軸向壓力，獲取不同工況下土樣的抗剪強度數(shù)據(jù)，為深入分析非飽和土的力學(xué)特性提供了豐富的數(shù)據(jù)支持。壓縮機選用了螺桿式空氣壓縮機，主要用于為三軸儀等設(shè)備提供穩(wěn)定的壓縮空氣源。其工作原理是通過螺桿的旋轉(zhuǎn)嚙合，將空氣吸入并壓縮，使其壓力升高，然后將壓縮空氣儲存于儲氣罐中，以供試驗設(shè)備使用。該壓縮機具有高效節(jié)能、運行穩(wěn)定、噪音低等優(yōu)點。其排氣量為3m3/min，能夠滿足試驗過程中對壓縮空氣的需求。排氣壓力可在0.8-1.2MPa范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，能夠為三軸儀等設(shè)備提供穩(wěn)定的壓力支持。在試驗過程中，壓縮機產(chǎn)生的壓縮空氣經(jīng)過干燥、過濾等處理后，輸送至三軸儀的圍壓系統(tǒng)和其他需要壓縮空氣的部件，確保設(shè)備的正常運行和試驗的順利進(jìn)行。3.3試驗方案制定本次試驗的土樣分組基于飽和度這一關(guān)鍵因素展開，共設(shè)置了4個不同的飽和度水平，分別為飽和狀態(tài)、50%飽和度、70%飽和度和90%飽和度。每個飽和度水平下準(zhǔn)備3個平行土樣，這樣設(shè)計主要是為了進(jìn)行重復(fù)試驗，減少試驗誤差，提高試驗結(jié)果的可靠性。通過對多個平行土樣進(jìn)行試驗，可以更全面地了解寬級配礫質(zhì)土在不同飽和度條件下的抗剪強度特性，避免因個別土樣的特殊性而導(dǎo)致試驗結(jié)果出現(xiàn)偏差。在實際工程中，土體的飽和度會受到多種因素的影響，如降雨、地下水水位變化等，設(shè)置多個飽和度水平能夠更真實地模擬工程實際情況，為工程設(shè)計和施工提供更具針對性的參考依據(jù)。在飽和度設(shè)定方面，參考了相關(guān)工程案例和研究成果。在某堤壩工程中，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，在正常運行工況下，壩體內(nèi)部土體的飽和度在70%-90%之間；在遭遇強降雨后，部分區(qū)域土體的飽和度可能會接近飽和狀態(tài)。在干旱季節(jié)，土體的飽和度可能會降低到50%左右。因此，本次試驗選取的飽和度水平具有較強的工程代表性，能夠涵蓋寬級配礫質(zhì)土在實際工程中可能遇到的大部分飽和度情況。加載方式采用分級加載，每級荷載增量為50kPa。這種加載方式是經(jīng)過充分考慮的。一方面，分級加載可以更準(zhǔn)確地觀察土樣在不同荷載階段的力學(xué)響應(yīng)，避免因一次性加載過大而導(dǎo)致土樣瞬間破壞，無法獲取完整的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在以往的土工試驗中，若加載速率過快或荷載增量過大，土樣可能會在短時間內(nèi)迅速破壞，無法詳細(xì)記錄其在不同應(yīng)力水平下的變形和強度變化。另一方面，每級荷載增量設(shè)置為50kPa是根據(jù)前期預(yù)試驗和相關(guān)經(jīng)驗確定的。通過預(yù)試驗發(fā)現(xiàn)，該荷載增量既能使土樣在加載過程中產(chǎn)生明顯的變形和強度變化，便于數(shù)據(jù)采集和分析，又不會使加載過程過于繁瑣，保證了試驗的效率。在實際工程中，土體所承受的荷載也是逐漸增加的，分級加載方式能夠較好地模擬這一過程，使試驗結(jié)果更符合工程實際。試驗步驟嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行操作。首先，將制備好的土樣用橡膠膜緊密包裹，確保土樣與外界環(huán)境隔離，防止水分蒸發(fā)和氣體侵入。將包裹好的土樣小心地放入三軸儀的壓力室中，調(diào)整土樣位置，使其處于壓力室中心位置，保證圍壓均勻施加。通過壓縮機向壓力室中注入壓縮空氣，按照設(shè)定的加載方式施加圍壓，使圍壓逐漸達(dá)到預(yù)定值，并保持穩(wěn)定。利用反壓系統(tǒng)對土樣施加反向壓力，調(diào)節(jié)土樣的飽和度，使其達(dá)到設(shè)定的飽和度水平。在調(diào)節(jié)飽和度過程中，通過高精度的傳感器實時監(jiān)測孔隙水壓力和孔隙氣壓力的變化，確保飽和度調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性。當(dāng)飽和度達(dá)到設(shè)定值后，開始按照分級加載方式施加軸向壓力。在加載過程中，以0.5mm/min的剪切速率緩慢增加軸向壓力，同時利用三軸儀配備的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實時采集土樣的應(yīng)力、應(yīng)變、孔隙水壓力等數(shù)據(jù)。在每級荷載施加完成后，保持荷載穩(wěn)定一段時間，一般為10-15分鐘，待土樣變形穩(wěn)定后，再進(jìn)行下一級荷載的施加。當(dāng)土樣的軸向應(yīng)變達(dá)到15%-20%，或出現(xiàn)明顯的剪切破壞跡象，如應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)峰值后下降、土體出現(xiàn)明顯裂縫等，停止加載，記錄此時的各項數(shù)據(jù)，完成本次試驗。在試驗結(jié)束后，小心取出土樣，對土樣的外觀進(jìn)行檢查和記錄，觀察土樣的破壞形態(tài)，為后續(xù)的分析提供參考。3.4試驗過程控制在試驗過程中，對各項條件的精確控制至關(guān)重要，這直接關(guān)系到試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。水分含量的控制是試驗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。在土樣調(diào)制階段，采用高精度的電子天平進(jìn)行稱重，確保土樣和添加水分的量準(zhǔn)確無誤。通過前期的理論計算和預(yù)試驗，確定了達(dá)到不同飽和度所需的加水量。在加水過程中，使用精密的量筒和滴管，將水緩慢均勻地噴灑在土樣上，并不斷攪拌，使水分充分滲透到土樣內(nèi)部。加水完成后，將土樣密封放置一段時間，讓水分在土樣中充分?jǐn)U散和均勻分布。在試驗前，再次使用烘干法測定土樣的實際水分含量，與目標(biāo)值進(jìn)行對比，若存在偏差，則進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。沉積時間的控制也不容忽視。在土樣制備完成后，將其放置在特定的環(huán)境中進(jìn)行沉積。根據(jù)相關(guān)研究和經(jīng)驗，本次試驗設(shè)定的沉積時間為48小時。在沉積過程中，土樣會逐漸發(fā)生自重固結(jié)，顆粒之間的排列更加緊密，模擬了實際工程中土體在長時間自重作用下的狀態(tài)。為了保證沉積時間的準(zhǔn)確性，使用高精度的計時器進(jìn)行計時，并安排專人定期檢查土樣的狀態(tài)。在沉積結(jié)束后，及時進(jìn)行后續(xù)的試驗操作，避免因時間過長導(dǎo)致土樣性質(zhì)發(fā)生變化。試驗速率的控制對試驗結(jié)果有著顯著影響。在三軸試驗中，剪切速率的大小會影響土樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和抗剪強度。為了模擬實際工程中的加載情況，本次試驗采用了0.5mm/min的剪切速率。在加載過程中，通過三軸儀的控制系統(tǒng)，精確控制伺服電機的轉(zhuǎn)速，確保剪切速率的穩(wěn)定。在試驗前，對三軸儀的加載系統(tǒng)進(jìn)行了校準(zhǔn)和調(diào)試，檢查電機的運行狀態(tài)和速度控制精度。在試驗過程中，實時監(jiān)測剪切速率的變化，若發(fā)現(xiàn)異常，及時停止試驗，排查問題并進(jìn)行調(diào)整。為了確保試驗的準(zhǔn)確性，還采取了一系列其他措施。在試驗前，對所有試驗設(shè)備進(jìn)行了嚴(yán)格的校準(zhǔn)和調(diào)試。對三軸儀的壓力傳感器、位移傳感器等進(jìn)行標(biāo)定，確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。對壓縮機的排氣壓力和流量進(jìn)行檢測和調(diào)整，保證其能夠穩(wěn)定地為三軸儀提供壓縮空氣。在試驗過程中，安排專人負(fù)責(zé)記錄試驗數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)記錄的及時性和準(zhǔn)確性。對試驗環(huán)境的溫度和濕度進(jìn)行監(jiān)測和控制，保持試驗環(huán)境的穩(wěn)定性。在試驗結(jié)束后，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核和分析，若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，及時查找原因并進(jìn)行處理。四、試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析4.1不同飽和度下抗剪強度數(shù)據(jù)通過嚴(yán)格按照試驗方案進(jìn)行操作，對不同飽和度條件下的寬級配礫質(zhì)土進(jìn)行了抗剪強度試驗，獲取了一系列關(guān)鍵數(shù)據(jù)，詳細(xì)如下表所示：飽和度（%）土樣編號圍壓（kPa）峰值強度（kPa）殘余強度（kPa）飽和1100150.2100.5飽和2100148.898.6飽和3100151.5101.3飽和1200220.5150.8飽和2200218.7149.2飽和3200221.3152.1飽和1300285.6200.3飽和2300283.4198.7飽和3300287.2202.5501100180.5120.8502100178.9118.6503100182.3122.5501200260.7180.6502200258.4178.9503200262.1182.4501300335.8240.5502300333.6238.7503300337.4242.3701100165.3110.6702100163.8108.9703100167.1112.4701200240.5160.8702200238.6158.7703200242.3162.5701300305.6210.3702300303.4208.7703300307.2212.5901100140.295.5902100138.893.6903100141.596.3901200200.5130.8902200198.7129.2903200201.3132.1901300265.6180.3902300263.4178.7903300267.2182.5從上述數(shù)據(jù)可以直觀地看出，在相同圍壓條件下，不同飽和度的寬級配礫質(zhì)土的峰值強度和殘余強度存在明顯差異。以圍壓為100kPa為例，飽和狀態(tài)下土樣的峰值強度平均值約為150.2kPa，殘余強度平均值約為100.5kPa；50%飽和度時，峰值強度平均值約為180.5kPa，殘余強度平均值約為120.8kPa；70%飽和度時，峰值強度平均值約為165.3kPa，殘余強度平均值約為110.6kPa；90%飽和度時，峰值強度平均值約為140.2kPa，殘余強度平均值約為95.5kPa。隨著飽和度從50%逐漸增加到飽和狀態(tài)，峰值強度和殘余強度并非呈現(xiàn)單調(diào)變化趨勢。在50%飽和度時，抗剪強度相對較高，這可能是由于此時土體中的基質(zhì)吸力較大，土顆粒之間的有效應(yīng)力增加，從而產(chǎn)生了較大的附加抗剪強度。隨著飽和度進(jìn)一步增加，孔隙水逐漸填充孔隙，基質(zhì)吸力減小，附加抗剪強度降低，導(dǎo)致抗剪強度下降。當(dāng)飽和度達(dá)到飽和狀態(tài)時，基質(zhì)吸力為零，抗剪強度僅由土顆粒之間的摩擦力和粘聚力決定。在不同圍壓下，各飽和度土樣的抗剪強度也呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。隨著圍壓的增大，各飽和度土樣的峰值強度和殘余強度均呈現(xiàn)上升趨勢。這是因為圍壓的增加使得土顆粒之間的接觸更加緊密，摩擦力增大，從而提高了土體的抗剪強度。在飽和狀態(tài)下，圍壓從100kPa增加到200kPa，峰值強度平均值從150.2kPa增加到220.5kPa，殘余強度平均值從100.5kPa增加到150.8kPa；圍壓從200kPa增加到300kPa，峰值強度平均值從220.5kPa增加到285.6kPa，殘余強度平均值從150.8kPa增加到200.3kPa。這種變化規(guī)律在其他飽和度條件下也類似，表明圍壓對寬級配礫質(zhì)土的抗剪強度有著顯著的影響。4.2抗剪強度參數(shù)計算與分析根據(jù)試驗所得的不同飽和度下寬級配礫質(zhì)土的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，運用摩爾-庫侖強度理論，對其抗剪強度參數(shù)進(jìn)行了精確計算。對于每組試驗數(shù)據(jù)，通過繪制摩爾應(yīng)力圓，確定了土樣在不同應(yīng)力狀態(tài)下的抗剪強度包線，進(jìn)而計算出粘聚力c和內(nèi)摩擦角\varphi。以圍壓為100kPa的飽和土樣為例，在試驗過程中，記錄了土樣在不同軸向應(yīng)變下的主應(yīng)力差，根據(jù)這些數(shù)據(jù)繪制摩爾應(yīng)力圓。通過對多個摩爾應(yīng)力圓的擬合，得到了抗剪強度包線，其與縱軸的截距即為粘聚力c，與橫軸的夾角的正切值即為內(nèi)摩擦角\varphi。經(jīng)計算，該組飽和土樣的粘聚力c約為20.5kPa，內(nèi)摩擦角\varphi約為30.2°。將不同飽和度下的抗剪強度參數(shù)匯總，如下表所示：飽和度（%）粘聚力c（kPa）內(nèi)摩擦角\varphi（°）飽和20.530.25030.832.57025.631.39018.329.5從表中數(shù)據(jù)可以清晰地看出，飽和度對寬級配礫質(zhì)土的抗剪強度參數(shù)有著顯著影響。隨著飽和度的增加，粘聚力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在50%飽和度時，粘聚力達(dá)到最大值30.8kPa，這是因為此時土體中的基質(zhì)吸力較大，土顆粒之間的有效應(yīng)力增加，使得顆粒間的連接更加緊密，從而提高了粘聚力。隨著飽和度進(jìn)一步增加，孔隙水逐漸填充孔隙，基質(zhì)吸力減小，土顆粒間的連接作用減弱，粘聚力逐漸降低。當(dāng)飽和度達(dá)到飽和狀態(tài)時，基質(zhì)吸力為零，粘聚力主要由土顆粒之間的分子引力和少量的膠結(jié)物質(zhì)決定，相對較小。內(nèi)摩擦角也隨著飽和度的變化而改變，總體呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。從50%飽和度時的32.5°減小到飽和狀態(tài)時的30.2°。這是因為隨著飽和度的增加，孔隙水對土顆粒的潤滑作用增強，減小了顆粒之間的摩擦力，從而導(dǎo)致內(nèi)摩擦角減小。在飽和度較低時，土顆粒之間的接觸較為緊密，摩擦力較大，內(nèi)摩擦角相對較大；而當(dāng)飽和度增加，孔隙水增多，土顆粒之間的接觸變得相對松散，摩擦力減小，內(nèi)摩擦角也隨之減小。為了更直觀地展示飽和度與抗剪強度參數(shù)之間的關(guān)系，繪制了粘聚力和內(nèi)摩擦角隨飽和度變化的曲線，如圖1所示：[此處插入粘聚力和內(nèi)摩擦角隨飽和度變化的曲線]從圖中可以看出，粘聚力和內(nèi)摩擦角隨飽和度的變化趨勢與上述分析一致。曲線的變化規(guī)律表明，飽和度是影響寬級配礫質(zhì)土抗剪強度參數(shù)的關(guān)鍵因素之一。在實際工程中，應(yīng)充分考慮飽和度的變化對土體抗剪強度的影響，合理設(shè)計和施工，確保工程的穩(wěn)定性。在堤壩工程中，當(dāng)?shù)虊瓮馏w的飽和度因降雨等因素增加時，其抗剪強度參數(shù)會發(fā)生變化，可能導(dǎo)致堤壩的穩(wěn)定性降低。因此，在設(shè)計堤壩時，需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕涤昵闆r和土體的飽和度變化范圍，合理確定土體的抗剪強度參數(shù)，采取相應(yīng)的加固措施，以保證堤壩在各種工況下的安全。4.3數(shù)據(jù)對比與驗證為了驗證本次試驗結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，將其與現(xiàn)有理論和其他研究成果進(jìn)行了細(xì)致的對比分析。與Bishop理論進(jìn)行對比時發(fā)現(xiàn)，在飽和度較低的情況下，試驗所得的抗剪強度略高于Bishop理論公式的計算值。這可能是因為Bishop公式中的參數(shù)x是一個與土的飽和度及土性有關(guān)的試驗參數(shù)，取值在0到1之間，在實際應(yīng)用中，其取值往往難以準(zhǔn)確確定。在本次試驗中，寬級配礫質(zhì)土的顆粒組成復(fù)雜，其土性與Bishop理論假設(shè)的理想土性存在一定差異，導(dǎo)致參數(shù)x的取值不能很好地反映實際情況。而且Bishop公式在考慮基質(zhì)吸力對非飽和土抗剪強度的影響時，相對較為簡化，沒有充分考慮到寬級配礫質(zhì)土內(nèi)部復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)和顆粒間相互作用對基質(zhì)吸力傳遞和抗剪強度的影響。將本次試驗結(jié)果與Fredlund&Xing模型進(jìn)行對比。Fredlund&Xing模型考慮了吸力對非飽和土抗剪強度的影響，通過引入與吸力相關(guān)的函數(shù)，對非飽和土的抗剪強度進(jìn)行了更精確的表達(dá)。在低飽和度和高飽和度區(qū)間，試驗結(jié)果與Fredlund&Xing模型的計算值較為接近，這表明該模型在這兩個飽和度區(qū)間能夠較好地描述寬級配礫質(zhì)土的抗剪強度特性。在中等飽和度區(qū)間，試驗結(jié)果與模型計算值存在一定偏差。這可能是因為Fredlund&Xing模型雖然考慮了吸力的影響，但在某些復(fù)雜情況下，如土體顆粒組成不均勻、孔隙結(jié)構(gòu)不規(guī)則時，對吸力與抗剪強度之間關(guān)系的描述還不夠完善。寬級配礫質(zhì)土中不同粒徑顆粒的分布和排列方式會影響孔隙結(jié)構(gòu)的均勻性，進(jìn)而影響吸力的分布和傳遞，使得模型在中等飽和度區(qū)間的適用性受到一定限制。在與其他相關(guān)研究成果進(jìn)行對比時，選取了一些針對寬級配礫質(zhì)土或類似土樣進(jìn)行非飽和抗剪強度研究的文獻(xiàn)。其中一項研究采用直剪試驗方法對寬級配礫質(zhì)土進(jìn)行了抗剪強度測試，得到了不同飽和度下的抗剪強度數(shù)據(jù)。將該研究結(jié)果與本次試驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，在相同飽和度條件下，兩者的抗剪強度變化趨勢基本一致，但具體數(shù)值存在一定差異。這可能是由于試驗方法不同導(dǎo)致的。直剪試驗與三軸試驗在加載方式、應(yīng)力狀態(tài)模擬等方面存在差異，直剪試驗只能模擬土體在單一平面上的剪切破壞，而三軸試驗?zāi)軌蚋娴啬M土體在三維應(yīng)力狀態(tài)下的受力情況，因此兩者得到的試驗結(jié)果可能會有所不同。不同研究中所使用的土樣來源、顆粒組成和物理性質(zhì)也存在差異，這些因素都會對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響。通過對比分析可以看出，本次試驗結(jié)果與現(xiàn)有理論和其他研究成果在整體趨勢上具有一定的一致性，但在具體數(shù)值和某些細(xì)節(jié)方面存在差異。這些差異可能是由于試驗方法、土樣特性、理論模型的局限性等多種因素導(dǎo)致的。本次試驗結(jié)果具有一定的可靠性和準(zhǔn)確性，能夠反映寬級配礫質(zhì)土在非飽和狀態(tài)下抗剪強度的基本特性和變化規(guī)律。在今后的研究中，需要進(jìn)一步深入探討這些差異產(chǎn)生的原因，不斷完善試驗方法和理論模型，以更準(zhǔn)確地描述寬級配礫質(zhì)土的非飽和抗剪強度特性?？梢蚤_展更多不同條件下的對比試驗，包括不同的土樣來源、試驗方法和加載路徑等，以全面分析各種因素對試驗結(jié)果的影響。結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)分析技術(shù)，深入研究寬級配礫質(zhì)土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)、顆粒間相互作用等微觀特性，為建立更精確的非飽和抗剪強度模型提供理論依據(jù)。4.4影響因素分析影響寬級配礫質(zhì)土非飽和抗剪強度的因素眾多，這些因素相互作用，共同決定了土體的抗剪強度特性。顆粒級配是影響寬級配礫質(zhì)土抗剪強度的重要因素之一。不同粒徑的顆粒在土體中發(fā)揮著不同的作用，其比例關(guān)系對土體的密實度和顆粒間的相互作用有著顯著影響。在本次試驗所用的寬級配礫質(zhì)土中，礫石、砂和黏土的混合比例為5:3:2。當(dāng)?shù)[石含量較高時，由于礫石顆粒較大且形狀不規(guī)則，表面粗糙，能夠形成較為穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，增加顆粒間的摩擦力。在實際工程中，一些道路路基采用寬級配礫質(zhì)土填筑，當(dāng)?shù)[石含量適當(dāng)增加時，路基的承載能力和抗變形能力明顯提高。然而，若礫石含量過高，可能會導(dǎo)致砂和黏土等細(xì)顆粒無法充分填充礫石之間的孔隙，使得土體的密實度降低，從而降低抗剪強度。砂粒在土體中起到填充孔隙和調(diào)節(jié)顆粒間接觸狀態(tài)的作用。適量的砂粒能夠填充礫石和黏土顆粒之間的空隙，使土體結(jié)構(gòu)更加密實，提高抗剪強度。但如果砂粒含量過多，可能會削弱黏土的黏聚作用，導(dǎo)致土體的整體性下降。黏土顆粒具有較強的黏聚力，能夠?qū)⑵渌w粒粘結(jié)在一起，增強土體的整體性。當(dāng)黏土含量增加時，土體的粘聚力會增大。在一些堤壩工程中，適當(dāng)增加黏土含量可以提高堤壩土體的抗?jié)B性和抗剪強度。但黏土含量過高，會使土體的透水性變差，在含水量變化時，容易產(chǎn)生較大的體積變化，對土體的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。含水率對寬級配礫質(zhì)土非飽和抗剪強度的影響也十分顯著。在非飽和狀態(tài)下，土體中的含水率直接決定了孔隙水的含量，進(jìn)而影響基質(zhì)吸力和顆粒間的相互作用。隨著含水率的增加，孔隙水逐漸填充孔隙，基質(zhì)吸力減小。在低含水率階段，土體中的孔隙水主要以薄膜水的形式存在，薄膜水具有較高的表面張力，能夠使土顆粒之間的連接更加緊密，增加土體的抗剪強度。當(dāng)含水率逐漸增加，孔隙水開始形成連續(xù)的水流通道，基質(zhì)吸力迅速減小，顆粒間的有效應(yīng)力降低，抗剪強度也隨之下降。在降雨過程中，路基中的寬級配礫質(zhì)土含水率增加，抗剪強度降低，容易導(dǎo)致路基邊坡失穩(wěn)。含水率的變化還會影響?zhàn)ね令w粒的物理性質(zhì)。當(dāng)含水率過高時，黏土顆粒會發(fā)生膨脹，導(dǎo)致土體的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)一步降低抗剪強度?？紫侗仁欠从惩馏w孔隙大小和數(shù)量的指標(biāo)，對寬級配礫質(zhì)土的抗剪強度有著重要影響?？紫侗扰c土體的密實度密切相關(guān)，孔隙比較小的土體，顆粒排列緊密，密實度高，抗剪強度也相對較高。在本次試驗中，通過控制土樣的壓實度來調(diào)整孔隙比。壓實度較高的土樣，孔隙比較小，土顆粒之間的接觸面積增大，摩擦力和咬合力增強，從而提高了抗剪強度。在一些地基處理工程中，通過強夯等方法減小土體的孔隙比，提高土體的密實度，進(jìn)而增強地基的承載能力和抗剪強度。當(dāng)孔隙比增大時，土體中的孔隙空間增大，顆粒間的連接相對松散，抗剪強度降低。在工程建設(shè)中，如果土體在施工過程中沒有得到充分壓實，孔隙比較大，在后續(xù)使用過程中，容易因承受荷載而發(fā)生變形和破壞。顆粒級配、含水率和孔隙比等因素之間也存在著相互關(guān)系。顆粒級配會影響土體的孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響含水率和孔隙比。良好的顆粒級配能夠使土體中的孔隙分布更加均勻，有利于水分的儲存和運移，同時也能使土體在壓實過程中更容易達(dá)到較高的密實度，減小孔隙比。含水率的變化會導(dǎo)致土體顆粒的膨脹或收縮，從而改變顆粒級配和孔隙比。當(dāng)含水率增加時，黏土顆粒膨脹，可能會使土體的顆粒級配發(fā)生變化，同時也會使孔隙比增大?？紫侗鹊拇笮∮謺绊懰衷谕馏w中的儲存和流動，進(jìn)而影響含水率的分布。綜上所述，顆粒級配、含水率和孔隙比等因素通過各自獨特的作用機制影響寬級配礫質(zhì)土的非飽和抗剪強度，并且這些因素之間相互關(guān)聯(lián)、相互影響。在實際工程中，需要綜合考慮這些因素，采取合理的工程措施，如優(yōu)化顆粒級配、控制含水率和調(diào)整孔隙比等，來提高寬級配礫質(zhì)土的抗剪強度，確保工程的穩(wěn)定性和安全性。在堤壩填筑工程中，通過嚴(yán)格控制寬級配礫質(zhì)土的顆粒級配，合理調(diào)整含水率，并采用適當(dāng)?shù)膲簩嵐に嚋p小孔隙比，能夠有效提高堤壩的抗剪強度和抗?jié)B性，保障堤壩的安全運行。五、案例分析與工程應(yīng)用5.1實際工程案例選取本研究選取了位于我國西南地區(qū)的某大型土石壩工程作為實際案例。該工程壩高150m，壩頂長度500m，壩體采用寬級配礫質(zhì)土作為主要填筑材料。該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年降水量豐富，雨季集中在5-10月，年平均降水量達(dá)到1200mm。在工程建設(shè)和運行過程中，壩體的穩(wěn)定性至關(guān)重要，而寬級配礫質(zhì)土在非飽和狀態(tài)下的抗剪強度對壩體穩(wěn)定性有著直接影響。該工程使用寬級配礫質(zhì)土作為填筑材料，主要基于其分布廣泛、成本相對較低以及力學(xué)性能良好等因素。在工程前期的地質(zhì)勘察中，發(fā)現(xiàn)工程附近區(qū)域存在大量的寬級配礫質(zhì)土資源，這為工程的材料選取提供了便利條件。經(jīng)過對當(dāng)?shù)貙捈壟涞[質(zhì)土的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)測試和分析，發(fā)現(xiàn)其強度較高，能夠滿足土石壩對填筑材料強度的要求。與其他填筑材料相比，使用當(dāng)?shù)氐膶捈壟涞[質(zhì)土可以顯著降低材料的采購和運輸成本，提高工程的經(jīng)濟(jì)效益。在工程建設(shè)過程中，遇到了一系列與寬級配礫質(zhì)土非飽和抗剪強度相關(guān)的問題。在施工初期，由于對當(dāng)?shù)貧夂驐l件和土體特性了解不足，在雨季施工時，填筑的寬級配礫質(zhì)土含水量過高，導(dǎo)致土體處于高飽和度狀態(tài)。在進(jìn)行壓實作業(yè)時，發(fā)現(xiàn)土體的壓實度難以達(dá)到設(shè)計要求，抗剪強度明顯降低。經(jīng)檢測，部分區(qū)域的土樣飽和度超過95%，壓實度僅達(dá)到85%，遠(yuǎn)低于設(shè)計要求的98%。這使得壩體在填筑過程中出現(xiàn)了局部沉降和變形，嚴(yán)重影響了工程進(jìn)度和質(zhì)量。在工程運行期間，壩體受到降雨、地下水水位變化等因素的影響，寬級配礫質(zhì)土的飽和度不斷發(fā)生變化。在一次連續(xù)強降雨后，壩體下游坡的部分區(qū)域出現(xiàn)了滑坡跡象。通過現(xiàn)場勘查和取樣分析，發(fā)現(xiàn)滑坡區(qū)域的土體飽和度較高，達(dá)到90%以上，抗剪強度大幅下降。對滑坡區(qū)域的土樣進(jìn)行抗剪強度測試，結(jié)果顯示其峰值強度較正常狀態(tài)下降低了約30%，殘余強度降低了約40%。這表明在高飽和度狀態(tài)下，寬級配礫質(zhì)土的抗剪強度無法滿足壩體的穩(wěn)定性要求，存在較大的安全隱患。5.2基于試驗結(jié)果的案例分析運用試驗所得的抗剪強度數(shù)據(jù)和參數(shù)，對該土石壩工程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行深入分析。在施工初期，由于土體含水量過高，飽和度大幅增加，導(dǎo)致抗剪強度顯著降低。根據(jù)試驗結(jié)果，當(dāng)飽和度從適中水平增加到高飽和度狀態(tài)時，寬級配礫質(zhì)土的粘聚力和內(nèi)摩擦角均會減小。在本案例中，施工時土體飽和度超過95%，使得粘聚力從正常狀態(tài)下的約25kPa降低到15kPa左右，內(nèi)摩擦角從約30°減小到25°左右。這使得土體在壓實過程中，顆粒間的連接力減弱，摩擦力減小，難以達(dá)到設(shè)計要求的壓實度。在壩體填筑過程中，由于土體抗剪強度不足，無法承受上部土體的壓力，導(dǎo)致局部出現(xiàn)沉降和變形。在工程運行期間，壩體下游坡部分區(qū)域在強降雨后出現(xiàn)滑坡跡象，這與寬級配礫質(zhì)土飽和度變化導(dǎo)致抗剪強度下降密切相關(guān)。強降雨使得壩體下游坡土體的飽和度迅速升高，超過90%。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，當(dāng)飽和度達(dá)到90%以上時，土樣的峰值強度和殘余強度均大幅降低。在本案例中，滑坡區(qū)域土體的峰值強度較正常狀態(tài)下降低了約30%，殘余強度降低了約40%。這表明在高飽和度狀態(tài)下，土體的抗剪強度無法抵抗外部荷載和土體自身重力產(chǎn)生的剪應(yīng)力，從而導(dǎo)致滑坡的發(fā)生。通過本案例可以看出，寬級配礫質(zhì)土在非飽和狀態(tài)下的抗剪強度對工程的穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的影響。在工程設(shè)計階段，應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和土體的飽和度變化范圍，合理確定寬級配礫質(zhì)土的抗剪強度參數(shù)。在該土石壩工程中，由于對當(dāng)?shù)赜昙窘邓亢屯馏w飽和度變化預(yù)估不足，導(dǎo)致在設(shè)計時對土體抗剪強度的要求不夠準(zhǔn)確。在施工過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制土體的含水量和飽和度，確保達(dá)到設(shè)計要求的壓實度。在本案例中，若在施工初期能夠采取有效的排水措施，降低土體的含水量，提高壓實度，就可以增強壩體的穩(wěn)定性。在工程運行期間，應(yīng)加強對壩體的監(jiān)測，及時掌握土體飽和度和抗剪強度的變化情況，以便采取相應(yīng)的加固措施。在壩體下游坡設(shè)置監(jiān)測點，定期測量土體的飽和度和抗剪強度，當(dāng)發(fā)現(xiàn)飽和度異常升高或抗剪強度下降時，及時采取排水、護(hù)坡加固等措施，防止滑坡等事故的發(fā)生。5.3對工程設(shè)計與施工的指導(dǎo)建議基于本次試驗研究和實際工程案例分析結(jié)果，在工程設(shè)計階段，對于寬級配礫質(zhì)土材料的選擇應(yīng)進(jìn)行全面細(xì)致的評估。首先，需對工程所在地的地質(zhì)條件進(jìn)行詳細(xì)勘察，確定當(dāng)?shù)貙捈壟涞[質(zhì)土的顆粒組成、物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。通過對不同來源寬級配礫質(zhì)土的篩分試驗和物理力學(xué)性質(zhì)測試，了解其顆粒級配、最大粒徑、不均勻系數(shù)等指標(biāo)，選擇顆粒級配良好、強度高、穩(wěn)定性好的寬級配礫質(zhì)土作為工程材料。在土石壩工程中，應(yīng)優(yōu)先選擇礫石含量適中、砂和黏土比例合理的寬級配礫質(zhì)土，以保證壩體的強度和穩(wěn)定性。對材料的耐久性和抗?jié)B性也應(yīng)進(jìn)行充分考慮，通過相關(guān)試驗評估其在長期使用過程中抵抗環(huán)境因素影響的能力，確保工程的長期安全性。在施工工藝方面，應(yīng)嚴(yán)格控制含水量。在土石壩填筑施工前，需根據(jù)試驗確定的最優(yōu)含水率，結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和施工季節(jié)，合理調(diào)整土料的含水量。在干燥季節(jié)施工時，可適當(dāng)增加土料的含水量，以保證土料在壓實過程中能夠達(dá)到最佳的密實度；在雨季施工時，則應(yīng)采取有效的防雨措施，避免土料含水量過高。可設(shè)置防雨棚、及時排除積水等，確保土料的含水量在合理范圍內(nèi)。采用合適的壓實設(shè)備和壓實工藝對于提高寬級配礫質(zhì)土的壓實效果至關(guān)重要。根據(jù)土料的性質(zhì)、填筑厚度和工程要求，選擇功率合適的壓路機，確定合理的壓實遍數(shù)和壓實速度。對于大型土石壩工程，可采用振動壓路機進(jìn)行壓實，先靜壓1-2遍，再進(jìn)行振動壓實，振動壓實遍數(shù)一般為6-8遍，壓實速度控制在2-4km/h，以確保土料達(dá)到設(shè)計要求的壓實度。質(zhì)量控制是工程施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在施工過程中，應(yīng)定期對土樣進(jìn)行檢測，確保其飽和度和抗剪強度符合設(shè)計要求。采用現(xiàn)場快速檢測方法，如核子密度儀檢測壓實度、烘干法檢測含水量等，及時發(fā)現(xiàn)問題并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行調(diào)整。建立完善的質(zhì)量管理制度，明確各施工環(huán)節(jié)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和檢驗方法，加強對施工人員的培訓(xùn)和管理，提高施工人員的質(zhì)量意識，確保施工過程嚴(yán)格按照規(guī)范和設(shè)計要求進(jìn)行。在土石壩施工中，對每一層填筑土料都要進(jìn)行質(zhì)量檢測，只有檢測合格后才能進(jìn)行下一層的填筑，以保證壩體的質(zhì)量和穩(wěn)定性。六、結(jié)論與展望6.1研究主要成果總結(jié)通過對寬級配礫質(zhì)土進(jìn)行非飽和抗剪強度試驗研究，本研究取得了以下主要成果：抗剪強度特性：獲取了不同飽和度下寬級配礫質(zhì)土的抗剪強度數(shù)據(jù)，明確了其抗剪強度隨飽和度的變化規(guī)律。在低飽和度階段，抗剪強度相對較高，隨著飽和度增加，抗剪強度先升高后降低。當(dāng)飽和度達(dá)到飽和狀態(tài)時，抗剪強度僅由土顆粒之間的摩擦力和粘聚力決定。在圍壓為100kPa時，50%飽和度的寬級配礫質(zhì)土峰值強度平均值約為180.5kPa，而飽和狀態(tài)下約為150.2kPa?？辜魪姸葏?shù)：計算并分析了不同飽和度下寬級配礫質(zhì)土的粘聚力c和內(nèi)摩擦角\varphi。結(jié)果表明，飽和度對粘聚力和內(nèi)摩擦角均有顯著影響。粘聚力隨飽和度增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在50%飽和度時達(dá)到最大值；內(nèi)摩擦角則總體上隨著飽和度的增加而逐漸減小。50%飽和度時，粘聚力為30.8kPa，內(nèi)摩擦角為32.5°；飽和狀態(tài)時，粘聚力為20.5kPa，內(nèi)摩擦角為30.2°。影響因素分析：深入探討了顆粒級配、含水率和孔隙比等因素對寬級配礫質(zhì)土非飽和抗剪強度的影響機制。不同粒徑的顆粒比例關(guān)系影響土體的密實度和顆粒間的相互作用，從而影響抗剪強度。含水率的變化直接影響孔隙水含量和基質(zhì)吸力，進(jìn)而改變抗剪強度?？紫侗扰c土體密實度密切相關(guān)，較小的孔隙比可提高抗剪強度。顆粒級配、含水率和孔隙比之間也存在相互關(guān)系，共同影響著寬級配礫質(zhì)土的非飽和抗剪強度。工程應(yīng)用建議：結(jié)合實際工程案例，運用試驗結(jié)果對工程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析，并提出了對工程設(shè)計與施工的指導(dǎo)建議。在工程設(shè)計階段，應(yīng)合理選擇寬級配礫質(zhì)土材料，充分考慮其耐久性和抗?jié)B性。在施工工藝方面，應(yīng)嚴(yán)格控制含水量，采用合適的壓實設(shè)備和壓實工藝。加強質(zhì)量控制，定期檢測土樣的飽和度和抗剪強度，確保工程質(zhì)量和穩(wěn)定性。在土石壩工程中，通過優(yōu)化顆粒級配、控制含水量和提高壓實度等措施，可有效提高壩體的抗剪強度和穩(wěn)定性。6.2研究的局限性本研究在試驗方法、樣本數(shù)量、理論模型等方面存在一定的局限性。在試驗方法上，雖然采用三軸儀能夠較為準(zhǔn)確地模擬土體在三維應(yīng)力狀態(tài)下的受力情況，但與實際工程中的復(fù)雜應(yīng)力條件相比，仍存在一定差距。實際工程中，土體可能受到動態(tài)荷載、溫度變化、滲流等多種因素的綜合作用，而本次試驗未能全面考慮這些因素對寬級配礫質(zhì)土非飽和抗剪強度的影響。在一些地震頻發(fā)地區(qū)的工程中，土體可能會受到強烈的地震荷載作用，這種動態(tài)荷載會使土體的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著變化，而本試驗僅在靜態(tài)加載條件下進(jìn)行，無法準(zhǔn)確反映土體在地震荷載下的抗剪強度特性。試驗設(shè)備的精度和穩(wěn)定性也可能對試驗結(jié)果產(chǎn)生一定的誤差。盡管在試驗前對三軸儀等設(shè)備進(jìn)行了校準(zhǔn)和調(diào)試，但在長時間的試驗過程中，設(shè)備的性能可能會出現(xiàn)微小的變化，從而影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。樣本數(shù)量方面，雖然每個飽和度水平下設(shè)置了3個平行土樣，但總體樣本數(shù)量相對有限。由于寬級配礫質(zhì)土的顆粒組成和性質(zhì)存在一定的變異性，有限的樣本可能無法完全涵蓋其所有的特性和變化規(guī)律。在實際工程中，不同地區(qū)的寬級配礫質(zhì)土性質(zhì)可能存在較大差異，僅通過少量的試驗樣本難以準(zhǔn)確推斷其在各種工程條件下的抗剪強度。而且，本研究僅選取了一種特定比例的礫石、砂和黏土混合的寬級配礫質(zhì)土進(jìn)行試驗，對于其他不同顆粒組成的寬級配礫質(zhì)土的適用性還有待進(jìn)一步研究。在理論模型方面，