原狀和重塑粉土抗剪強(qiáng)度與含水率的關(guān)系

摘要：中原地區(qū)水敏感性粉土廣泛分布，作為典型的非飽和土，其抗剪強(qiáng)度受含水率影響很大。降雨期間的非飽和粉土邊坡因含水率的增加，影響土體的抗剪強(qiáng)度，可導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)等。許多學(xué)者建立了非飽和土抗剪強(qiáng)度的理論公式和本構(gòu)模型[1-3]，而室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)芡ㄟ^控制試驗(yàn)狀態(tài)，驗(yàn)證理論公式的正確性[4]。本項(xiàng)目通過不同含水率粉土三軸試驗(yàn)，對(duì)粉土強(qiáng)度指標(biāo)及含水率對(duì)其影響特征進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：原狀土；重塑土；抗剪強(qiáng)度；粉土；含水率

一、引言

目前的學(xué)者大多是對(duì)黃土、黏土、膨脹土等非飽和土進(jìn)行三軸試驗(yàn)研究。關(guān)于中原地區(qū)粉土鮮有涉及。作為對(duì)含水率極其敏感的土質(zhì)，中原地區(qū)粉土的抗剪強(qiáng)度研究亟待推進(jìn)。同時(shí)，既往試驗(yàn)中關(guān)于土樣進(jìn)行三軸試驗(yàn)時(shí)多為單一類型土樣，同時(shí)進(jìn)行原狀、重塑粉土試驗(yàn)的多為直剪試驗(yàn)，并且試驗(yàn)結(jié)果有所差異。因此，作者通過開展高質(zhì)量的粉土原狀、重塑土樣的三軸試驗(yàn)，嚴(yán)格控制重塑土樣制作方法，研究含水率對(duì)原狀、重塑粉土抗剪強(qiáng)度特性的影響。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及分析：

本試驗(yàn)用土取自鄭州市慶元廣場基坑工程，取土深度6.5m，按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》分類方法，試驗(yàn)用土為砂質(zhì)粉土，天然含水率15.6%，天然干密度1.65。

原狀土樣取回后，剝?nèi)ニ芰霞埡湍z帶，檢查土樣結(jié)構(gòu)，看是否擾動(dòng)或土樣質(zhì)量是否符合試驗(yàn)要求，若土樣保持完好，按照試驗(yàn)規(guī)程要求利用專用的削土器將土樣削制成80mm，直徑為 39.1mm的圓柱形試樣。為減少黃土干密度差異帶來的影響，控制試樣干密度差值不大于 0.2g/cm3，同一組試樣控制含水量相同。含水率相差不得超過1%，在室內(nèi)制樣時(shí)可看見黃土內(nèi)含極小的細(xì)砂、石英顆粒等，部分存在鈣質(zhì)結(jié)核層。

重塑土采用自然風(fēng)干方法，不時(shí)稱重穩(wěn)定質(zhì)量，然后將其放入保濕缸中養(yǎng)護(hù)2～3天，待試樣內(nèi)部水分均勻后即可用于試驗(yàn)。使用此法時(shí)切忌使試樣暴曬，以避免試樣出現(xiàn)裂紋而破壞試樣的原狀結(jié)構(gòu)。從而得到含水率為9%、13%、15%、17%、19%、21%、25.2%（飽和含水率）七組土樣，每組土樣4個(gè)，其中3個(gè)用于三軸試驗(yàn)，1個(gè)用于測量土的含水率。

抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)使用應(yīng)變控制式三軸儀，進(jìn)行不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中圍壓分別為50kPa、100kPa、200kPa，剪切速率0.5mm/min。

剪切前期應(yīng)力隨應(yīng)變的增加變化較快，試樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系在這個(gè)階段近似呈直線關(guān)系。剪切后期，應(yīng)力仍隨應(yīng)變的增加而增加，但應(yīng)力增長的幅度明顯變緩，這一階段的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)猿手本€關(guān)系。含水率相同時(shí)，原狀粉土及重塑粉土的強(qiáng)度隨圍壓的增加而增加。當(dāng)含水率較低時(shí)，原狀粉土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線呈現(xiàn)硬變軟化型，含水率為9%時(shí)的土樣呈現(xiàn)45°+φ/2的剪切破壞。隨著含水率的增加，粉土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線由應(yīng)變軟化型過渡為應(yīng)變硬化型，高含水率條件下，土樣原有結(jié)構(gòu)極易受到破壞，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大逐漸增大，直至穩(wěn)定狀態(tài)。含水率為25.2%時(shí)土樣呈現(xiàn)鼓肚型破壞。

從以上分析來看，含水率的變化對(duì)粉土的破壞形式有著很大的影響。同一含水率下重塑土的最大主應(yīng)力差和原狀土相差不大，且都隨著含水率的增加而逐漸降低。隨著含水率的增加，強(qiáng)度明顯的減小，這表明了含水率對(duì)強(qiáng)度的影響劇烈。圍壓不變的情況下，隨著含水率的增加，試樣所能承受的壓力變小，試樣更容易被破壞。含水率不變的情況下，最大主應(yīng)力差隨著圍壓的增大而增大，基本呈線性變化。整體上重塑土的最大主應(yīng)力差略大于原狀土的最大主應(yīng)力差

由上述得到的原狀、重塑粉土的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制不同含水率下的強(qiáng)度包線，得到不同含水率下的原狀、重塑粉土的黏聚力及內(nèi)摩擦角。

原狀粉土及重塑粉土的內(nèi)摩擦角隨著含水率的增加而下降，但整體變化不大，可以認(rèn)為是一常數(shù)。土的內(nèi)摩擦角主要受到土顆粒本質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響，含水率的增加并未改變其土顆粒大小、土顆粒表面粗糙度等，所以內(nèi)摩擦角受含水率的影響不大。

由表3可知，當(dāng)含水率ω<15%時(shí)，隨著含水率的增加，黏聚力有較大幅度的下降；當(dāng)含水率ω>15%時(shí)，黏聚力仍隨著含水率的增加而減小，但減小幅度變緩。黏聚力隨含水率減小的關(guān)系曲線可以由兩個(gè)直線段描述，第1段直線的斜率要大于第二段直線的斜率。主要是由于含水率的增加，土顆粒間的孔隙逐漸被水填滿，導(dǎo)致土顆粒間的黏聚力減小。土的黏聚力主要來源與土顆粒間的水膜聯(lián)結(jié)和膠結(jié)作用，隨著含水率的增大，顆粒間的水膜聯(lián)結(jié)力逐漸減小，直至達(dá)到土體飽和含水率時(shí)完全喪失。

由試驗(yàn)所得黏聚力和內(nèi)摩擦角，可計(jì)算得不同法向應(yīng)力下的原狀土、重塑土的抗剪強(qiáng)度隨含水率變化規(guī)律。原狀、重塑粉土抗剪強(qiáng)度隨含水率變化規(guī)律一致。在含水率較低時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨著含水率的增加大幅度降低，當(dāng)含水率較高時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨含水率的增加，減小幅度較小，抗剪強(qiáng)度隨含水率變化曲線可由兩段直線表示，說明存在一個(gè)界限含水率，超過該含水率后，粉土的抗剪強(qiáng)度受含水率影響減??；文獻(xiàn)[5]認(rèn)為原狀Q3黃土具有較高的結(jié)構(gòu)性，重塑土的土粒直剪結(jié)構(gòu)松散，原狀土的抗剪強(qiáng)度要高于重塑土。本試驗(yàn)的研究結(jié)果表明，重塑粉土的抗剪強(qiáng)度均略大于原狀粉土的抗剪強(qiáng)度，證明結(jié)構(gòu)性對(duì)鄭州粉土抗剪強(qiáng)度的影響不大。

三、結(jié)論

（1）原狀粉土及重塑粉土的內(nèi)摩擦角隨著含水率的增加而下降，但變化不大，可認(rèn)為是一常數(shù)。黏聚力隨含水率的增加先是急劇下降，達(dá)到臨界值之后，下降幅度變緩，，可由兩個(gè)斜率不同的直線段描述。

（2）當(dāng)在制作土樣時(shí)保證含水率作為單一變量，原狀粉土的黏聚力與內(nèi)摩擦角隨含水率變化情況與重塑粉土的變化情況基本一致，重塑土的黏聚力和內(nèi)摩擦角均略大于原狀土。

（3）原狀、重塑粉土抗剪強(qiáng)度在含水率較低時(shí)，隨著含水率的增加大幅度降低，當(dāng)含水率較高時(shí)，隨含水率的增加，減小幅度較小。存在一個(gè)界限含水率，超過該含水率后，粉土的抗剪強(qiáng)度受含水率影響減小。

參考文獻(xiàn)：

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[4]韋鋒.姚志華.陳正漢.等. 結(jié)構(gòu)性對(duì)非飽和Q3黃土強(qiáng)度和屈服特性的影響[J]. 巖土力學(xué)， 2015， 36（9）： 2551-2559.

作者簡介：彭秀生；1997年3月12日；男；漢族；江西省萍鄉(xiāng)市人；職稱：學(xué)生；單位：鄭州大學(xué)；專業(yè)：土木工程。