粗粒土

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徵為主要依據。按顆粒大小劃分粒組，然後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；其次按顆粒的磨圓度來進一步劃分亞類；有時尚需視含細粒土的類別及含量來進一步劃分。 ^[1] 

粗粒土一般是單粒結構。由於粗粒土中顆粒的大小可以相差很大，小的顆粒填補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，形狀不規則的顆粒可以使密度降低、孔隙更大。即使是由均勻圓球組成的“土”，它們在空間的排列方式不同，也會造成不同的松密狀態和不同力學性質。不同排列方式會使粗粒土在密度、滲透性、強度、壓縮性、各向異性等方面表現出很大的差異。儘管除了雲母等礦物之外，大多數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的頻率分佈是表示其顆粒分佈的一個重要指標。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)大於1.39。這對於大多數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表現更強的空間定向作用。當粗粒土中含有一定比例的粘土或其膠結物質時，粗粒土還會被粘結而形成不同的集合形式。 ^[3] 

①抗剪強度和應力應變特性

無黏性粗粒料的抗剪強度由三部分組成：粗顆粒間的交錯排列產生的抗剪咬合力，顆粒破碎、充填重新排列而發揮的抗剪阻力，以及礦物顆粒間滑動的摩擦阻力。其值取決於母巖性質、顆粒形狀、孔隙比或相對密度以及應力水平等。咬合力是由於低壓下顆粒問的剪脹阻力引起的。當應力增大到一定程度時，粗顆粒破碎、細顆粒充填及顆粒重新排列的發牛將產生一定的抗剪強度，同時剪脹效應逐漸消失。這時無黏性粗粒料的抗剪強度主要表現為滑動摩擦阻力。礦物顆粒間的滑動阻力分量是由於顆粒接觸面粗糙不平，對某種礦物而言通常是不變的。粗粒土的內摩擦角不僅包括顆粒間的滑動摩擦效應，還包括顆粒破碎充填與重新排列的綜合效應。粗粒土的咬合力和內摩擦角是一組從低應力到高應力非線性變化的參數。其抗剪強度包線實際上是一個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。

在低應力範圍內粗粒土的咬合力可達50～200kPa，是一個變化較大而又客觀存在的物理參數，與細粒黏土的黏聚力有着本質的不同。在低應力下，粗粒土的內摩擦角較大，例如石灰岩石碴的初始內摩擦角約48°。在 1～2MPa中等壓力範圍內，粗顆粒開始破碎，剪脹作用逐漸減弱，顆粒間以滑動摩擦為主。 在高應力下，顆粒破碎、細粒充填及顆粒重新排列。使剪脹作用消失。 ^[4] 

黏性粗粒土與無黏性粗粒土在剪切條件下的變形規律相似。例如隨着幹密度的增大，應力一應變曲線的初始切線坡度變陡，對應的峯值強度也增高，但對應的破壞應變減小。低密度下發生剪縮硬化而後弱軟化，顆粒不發生破碎，密度較大時表現為應變剪脹軟化。以細粒為主的礫石土，其初始切線坡度較陡，但峯值強度較低，破壞應變也較小，隨後伴隨先剪縮再剪脹的弱軟化。以粗粒為主時則呈剪縮硬化的變形特徵。幹密度一定時，應力一應變曲線的起始切線坡度和峯值強度都隨圍壓的增加而變陡和提高。在低圍壓時表現為先剪縮後剪脹軟化。隨着圍壓的增大，剪脹效應逐漸減小，主要表現為剪縮。

②巖性軟化及濕化變形

粗粒料作為單粒結構，是岩石風化後的產物。由於母巖成分、物理風化和化學風化程度不同，形成的粗粒料有的化學性質穩定，具有較強的抗水性和抗風化能力，親水性較弱，不易產生浸水巖性軟化，例如石英、長石等。有的經風化、氧化、水化、水解及溶解。形成的粗粒料巖性鬆軟，容易浸水軟化，從而導致受壓時顆粒尖角甚至顆粒整體破碎。

粗粒土的濕化變形，主要是由於一定應力條件下。浸水使粗顆粒巖性軟化，稜角破碎，強度降低，然後相互滑移和填充，改變原來結構，從而引起的附加變形。包括濕化體應變和濕化偏應變，並可分別在浸水條件下由球應力和偏應力共同引起，並隨着圍壓增大而增加。影響濕化變形的主要因素有母巖礦物成分及風化程度、浸水時間、初始含水率、幹密度、顆粒級配、應力狀態、應力路徑等。

③顆粒破碎和流變性

粗粒土是單粒結構，以點、線、面相互接觸為主。此接觸面積遠小於其宏觀的平均面積，因此接觸處的應力遠高於各種方法計算出的平均應力。這是粗粒料易產生顆粒破碎的內在原因。

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

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發生相對位移，重新排列到較密實的平衡位置。另外，壓力增大，雖仍可忽視顆粒本身的壓縮性，但是顆粒壓碎的結果造成的壓縮卻不可忽視，後者與顆粒本身的強度有關。一些實測結果指出，優良級配的堅硬石料，顆粒破碎量較小，其平均壓縮模量為70～200MPa；而質量差和級配不良的石料，由於顆粒破碎量增大，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。在大型固結儀中對幾種堆石的壓縮試驗表明，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。母巖性質不同，其壓縮性也不同。圖7—12中所有試驗曲線在卸荷時回彈量都很小，這説明堆石的壓縮性主要是由於顆粒的重新排列。 ^[4] 

①按土類劃分準則

我國現行標準採用兩種不同的準則：一種是按粒組的相對比例來定名；另一種是按大於某個粒組界限粒徑的顆粒總質量超過某一百分比來定名。《土分類標準》(GBJ 145—90)採用前一種準則，它將大於60mm的粒組統稱為巨粒，將小於等於0.075mm的粒組統稱為細粒，將礫粒組和砂粒組統稱為粗粒，然後比較這兩個粒組，礫粒組質量多於總質量的50%的土稱為礫類土；礫粒組質量少於或等於總質量的50%的土稱為砂類土。《岩土工程勘察規範》(GB 50021--94)則採用後一種準則，例如它將粒徑大於200mm的顆粒超過全重的50%稱為漂石或塊石。

②顆粒的磨圓度

《岩土工程勘察規範》(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；而以稜角形為主的則稱為塊石、碎石或角礫。《鐵路路基設計規範》(TBJl一85)，《公路橋涵地基與基礎設計規範》(JTJ 013—86)和《建築地基基礎設計規範》(GBJ7—89)都作了相同的分類規定。但在《-I-_的分類標準》(GBJ 145—90)中對顆粒的磨圓度並沒有作出任何規定。

③細粒土的含有情況

《土的分類標準》(GBJ 145—90)對礫類土和砂類土中細粒土的含量和性質都作了明確的規定，並在土的名稱上加以區別。細粒土含量少於5%時，在定名時不冠以細粒土的前輟、直稱礫或砂；當細粒含量為5%到15%時則不管細粒土是粘土還是粉土，統稱為含細粒土礫或含細粒土砂；如細粒含量超過15%，則視細粒土是粘土或者是粉土，稱為粘土質礫、粘土質砂、粉土質礫或粉土質砂。

《岩土工程勘察規範》(GB 50021--94)並不以細粒土的含量來分類，而只在砂土分類時規定，當砂土中小於0.075mm的土的塑性指數大於10時，定名時應冠以含粘性土，如含粘性土粗砂等。

④關於粒徑級配的規定

《土的分類標準》(GBJ 145—90)規定用不均勻係數C_u和曲率係數C_c來判別粗粒土的級配並據以分類。對於同時滿足C_u≥5，C_c=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。

《岩土工程勘察規範》(GB 50021--94)一般情況不按土的級配定名，但對顆粒級配不連續的土定為混合土。當碎石土中的粉粒和粘粒的質量超過總質量的25%時定名為Ⅰ類混合土；當粉土或粘性土中的礫粒或巨粒的質量超過總質量的25%時，定名為Ⅱ類混合土。 ^[5] 

由於粗粒料中粗顆粒的粒徑遠遠超過常用的室內小型土工試驗儀器的適用範圍。因此，研究粗粒土的力學特性需要採用大型土工儀器。大型土T試驗儀器的直徑一般為300～500mm，個別的達到1000mm。但堆石料等原型材料的最大粒徑達1000mm，任何大型設備都很難滿足較粗的原型材料的試驗需求，因此須將這些超過儀器適用範圍的土料按某一方法縮尺後進行試驗。國內外使用的大型儀器基本上是常規小型儀器在尺寸上的放大，試驗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場情況相近，試驗儀器的尺寸與試樣的最大粒徑之間應當有一個合理的比值，一般為5～6。這就要求對原型材料中超過儀器允許粒徑範圍的顆粒(稱為超徑粒)進行處理。在處理粗粒土的超徑粒時應選用合理的級配以使試驗結果儘量與現場情況相近。一般根據現場粗粒土的原級配曲線，按照SL 237一1999《土工試驗規程》，可採用等量替代法、剔除法或相似法，對超粒徑的粗粒土進行處理，擬定室內試驗採用的試樣級配曲線。 ^[4]