壓實度和含水率對含砂粉土性質的影響

肖成志，李曉峰，張靜娟

1)河北工業(yè)大學土木與交通學院，天津 300401；2)河北工業(yè)大學河北省土木工程技術研究中心，天津 300401

【土木建筑工程/ArchitectureandCivilEngineering】

壓實度和含水率對含砂粉土性質的影響

肖成志1,2，李曉峰1，張靜娟1

1)河北工業(yè)大學土木與交通學院，天津 300401；2)河北工業(yè)大學河北省土木工程技術研究中心，天津 300401

基于靜三軸試驗，分析不同含砂量、壓實度和含水率對粉土應力-應變曲線和抗剪強度指標的影響. 試驗結果表明，相同圍壓下增加粉土中含砂量，粉土峰值強度呈增加趨勢，且圍壓較低時不同含砂量粉土均呈現(xiàn)不同程度應變軟化現(xiàn)象，增高圍壓水平時應變軟化現(xiàn)象減弱；增加含水率對粉土強度削弱明顯，且最優(yōu)含水率下粉土應變軟化現(xiàn)象明顯，粉土應變軟化隨含水率增加呈減弱趨勢；減少壓實度時應變軟化現(xiàn)象減弱并最終趨于消失，相同圍壓下壓實度越高，粉土峰值強度越大，且圍壓水平越低，壓實度對峰值強度的影響越明顯；同等條件下增加含砂量、提高壓實度或減少含水率，均可顯著提高粉土黏聚力，但對其內摩擦角影響較小，且壓實度越高，含水率越小，含砂量越大，粉土的抗剪強度越高.

巖土工程; 粉土; 靜三軸試驗; 含砂量; 壓實度; 含水率

近年來，一些工程就地取材，將粉土用于路堤回填料，但粉土作為介于砂性土和黏性土之間的土體，黏粒含量較低，塑性指數(shù)小，強度偏低，其礦物組成、顆粒分布以及壓實機理方面也不同于一般土且壓實困難[1-5]. 由于人們對粉土的物理性能和工程性質缺乏科學、系統(tǒng)的認識，故揭示粉土的內部結構和工程特性已成當務之急. 同時，受降雨和蒸發(fā)等因素影響，路堤邊坡粉土含水量變化對其強度和邊坡穩(wěn)定性影響是關注焦點[6-8]. Thevanayagam等[9-12]指出孔隙比是影響粉質砂土性質的重要因素；肖軍華等[13-14]研究壓實度和含水率對黃河沖積粉土力學性質影響，結果表明，壓實粉土黏聚力隨壓實系數(shù)減小或者含水率的增加顯著降低，但對內摩擦角影響較?。慌睇愒频萚15]基于對京九線路壓實粉土力學特性試驗，指出壓實度和含水量是影響粉土路基的關鍵因素；凌華等[16]研究含水率和圍壓對非飽和土強度影響，表明非飽和土強度隨圍壓增大而增大，隨含水率增大強度明顯減??；朱建群等[17]通過改變含粉粒砂土中粉粒含量，證實粉粒顆粒組成和結構對粉砂強度和變形產生重要影響，且表現(xiàn)出典型的應變軟化特征；房營光[18]研究了顆粒尺度效應對土體力學特性影響，發(fā)現(xiàn)隨土體中砂粒體分比增加和粒徑減小，土體變形特性明顯增強；談云志等[19]指出初始狀態(tài)如干密度和含水量等對粉土黏聚力的影響最大. 本研究借助室內靜三軸試驗手段，通過改變粉土中含砂量(0.5～0.075mm顆粒成份)、壓實度和含水率，分析其對粉土應力-應變曲線和抗剪強度指標的影響.

1 粉土力學特性分析試驗

1.1試驗儀器

粉土力學特性試驗采用TSZ-3.0型應變控制式三軸儀進行三軸不固結不排水試驗，剪切速率0.9mm/min，圍壓分別為100、200、300和400kPa，并利用自制裝置依據雙向靜壓法制作粉土試樣，試樣直徑和高度分別為39.1和80.0mm.

1.2試驗粉土

粉土取自河北邢臺地區(qū)，將其風干碾碎，通過篩分獲得砂粒土(0.075mm≤ds≤0.5mm)和細粒土(ds≤0.075mm)， 其中，ds為粒徑.配置砂的質量分數(shù)α分別為20%、30%和40%的3種土體，其物理性質如表1所示. 通過篩分和比重計試驗，得到3種配置土體的顆粒級配曲線，如圖1所示. 由圖1可知，α為20%、30%和40%的粉土中ds≤0.002mm的成分分別占17%、14%和12%，對應的Cu分別為23.3、33.3和50，Cc分別為3.0、3.2和3.6. 三種土均不能同時滿足Cu≥5和Cc=1～3， 故3種土均為級配不良土. 根據《公路土工試驗規(guī)程》[20]中規(guī)定可命名為含砂低液限粉土.

圖1 不同含砂量下粉土顆粒級配曲線Fig.1 Grain size distribution of silt with different sand content

1.3試驗方案及制樣方法

試驗通過改變粉土中砂的質量分數(shù)α(20%、30%和40%)、試樣壓實度K(80%、85%和90%)和含水率w(最優(yōu)含水率、14%和16%)，綜合分析上述因素對粉土性質的影響. 粉土試樣按《公路土工試驗規(guī)程》制備，即將3種配置好的含砂低液限粉土分別和水混合均勻，放入塑料袋密封，浸潤24h. 制樣時，依規(guī)范對測定風干含水率的土加入不同的水來達到試驗所需含水率，并基于不同的壓實度稱取所需濕土質量，將其分3次放入試筒內擠壓成型.

表1 試驗粉土的物理性質指標

2 試驗結果及分析

2.1粉土的應力-應變曲線變化特點

2.1.1不同含砂量下的應力-應變關系

選取壓實度為85%和最優(yōu)含水率的粉土試樣，通過改變砂粒土含量來分析不同圍壓下粉土試樣的應力-應變變化曲線，結果如圖2．由圖可知，隨著粉土中含砂量增加，4種圍壓下試樣峰值強度均呈增加趨勢，且圍壓較低如100或200kPa，粉土中含砂量對峰值強度影響明顯，而當圍壓較高如300或400kPa時，試樣應力-應變曲線差異性不大，此時粉土表現(xiàn)為壓硬性特性. 主要原因是低圍壓時，剪切面上土顆粒翻滾和移動相對容易，含砂量越高咬合作用越明顯，故含砂量越大，峰值強度越高；而對于高圍壓，粉土試樣達到破壞應變時對應的峰值強度不同，此時顆粒間咬合作用不會因為含砂量增多而表現(xiàn)突出，因此峰值強度差別不大.

圖2 不同含砂量時粉土的應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curve of silt under different sand content

當軸向應變小于2.5%時，不同含砂量和圍壓下應力-應變曲線呈近似線性變化關系，相同應力水平下含砂量高對應的應變較??；當圍壓較低如100kPa時，不同含砂量時粉土均呈不同程度的應變軟化現(xiàn)象，而當圍壓增加時，應變軟化現(xiàn)象減弱，應力-應變曲線以呈近似雙曲線形為主. 主要是由于圍壓增加使得土顆粒之間約束力增強，土體內部的裂隙和結構缺陷逐漸減小，空隙較快閉合，因此，圍壓較高時，應變軟化現(xiàn)象不明顯或基本消失，而圍壓較低時，卻發(fā)生應變軟化現(xiàn)象.

2.1.2不同含水率下的應力-應變關系

選取壓實度為90%和含砂量為40%的粉土試樣，通過改變粉土試樣含水率分析其對應力-應變曲線的影響，結果如圖3所示，由圖可知：

圖3 不同含水率粉土的應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain curve of silt under different water content

1)相同圍壓時，隨著含水率增加，粉土試樣峰值強度隨之降低，且低圍壓下含水率增加時峰值強度降幅明顯，表明含水率越高土體強度越低，尤其是低圍壓下增加含水率對強度削弱作用明顯，主要原因是含水率越大粒間水膜越厚，低圍壓下孔隙比較大且孔隙內自由水潤滑作用明顯，從而降低了雙電層作用，導致粒間摩擦減小，強度降低；另外，當含水率相同時，圍壓越高，峰值強度越大.

2)低圍壓時最優(yōu)含水率(12.2%)以下粉土應變軟化現(xiàn)象明顯；隨著含水率增大，如14%和16%，粉土應變軟化趨勢減弱；總體上，當軸向應變較小時，主應力差值和應變之間表現(xiàn)良好的線性關系.

圖4 不同壓實度下粉土的應力-應變曲線Fig.4 Stress-strain curve of silt under different compactness

2.1.3不同壓實度下的應力-應變關系曲線

選取最優(yōu)含水率和含砂量為40%的粉土試樣，通過改變壓實度K分析其對試樣的應力-應變曲線的影響，結果如圖4，由圖4可知，同一圍壓下壓實度越高，粉土峰值強度越大，初始切線模量越大，主要原因是壓實度決定了試樣孔隙比大小，壓實度大則孔隙比小，土顆粒之間咬合作用加強，故峰值強度和初始切線模量大；另外，當圍壓相對較低如100kPa時，壓實度為90%的試樣峰值強度明顯高于壓實度為80%和85%時對應的峰值強度.

壓實度對粉土試樣的應力-應變曲線影響明顯，當壓實度較大如為90%時，不同圍壓下試樣均表現(xiàn)出明顯的應變軟化特性；隨著壓實度減小，如為85%時，應變軟化現(xiàn)象只在加載末端出現(xiàn)，繼續(xù)減小壓實度達到80%時，不同圍壓下應變軟化現(xiàn)象基本消失，應力-應變曲線無明顯峰值并呈現(xiàn)硬化的變化趨勢，且圍壓越高硬化越明顯，峰值強度越大.

2.2含砂量、含水率和壓實度對粉土抗剪強度影響

2.2.1含砂量對粉土抗剪強度指標的影響

圖5為不同壓實度和不同含水率下含砂量對粉土黏聚力及內摩擦角影響. 由圖5可知，隨著粉土試樣中含砂量的增加，粉土黏聚力總體上呈現(xiàn)增加趨勢，而對內摩擦角影響較小，不同含砂量時其值變化幅度約為2°～3°，表明黏聚力是影響粉土抗剪強度的主要因素. 原因主要是當含砂量增加時意味著細粒土含量的降低，此時砂粒土對于細粒土有置換作用，由圖1中顆粒級配曲線可知，試樣含砂量越高，其不均勻系數(shù)越大，粒組變化范圍越廣，土中越是含有粗細不同的粒組，細粒能較好的填充于粗粒的孔隙中，孔隙比較小，顆粒間充分接觸，因而剪切過程中擁有較好的密實性和整體性；此外，由于含砂量的增大使得土顆粒之間機械咬合能力提高. 相反，砂粒含量減小意味著細粒含量增多，使得盈余的細顆粒不僅填充于粗顆粒間隙中還存在于粗粒與粗粒的接觸面上，產生滾珠作用，因而降低了土體機械咬合力. 基于粉土試樣加載過程表面裂紋分析，砂粒對剪切破壞面具有一定約束作用，剪切作用下土體會產生細小裂紋，砂粒增多能提高摩擦力減小裂紋間相對滑動. 因此，總體上增加粉土中含砂量會導致土體抗剪強度增大.

2.2.2含水率對粉土抗剪強度指標的影響

含砂量為20%時，分析不同壓實度時粉土含水率對其抗剪強度指標的影響，如圖6所示. 由圖可知，含砂量和壓實度相同時，隨著粉土試樣中含水率的增加，土體黏聚力和內摩擦角均呈減小趨勢，但內摩擦角降幅較小，約為2°～3°，表明不同含水率下粉土黏聚力是影響抗剪強度的主要因素.

隨著含水率增加土顆粒周圍結合水膜變厚，由于水分在內外結合水膜處的粘滯效應不同，當水膜增厚時由結合水膜產生的膠結作用逐漸減弱，故凝聚力降低；當含水率持續(xù)增加時，土體中產生了更多的自由水，而細粒土之間的連結力隨著水分增加會被削弱，導致土體黏聚力下降. 且由圖1顆粒級配曲線可知，粉土試樣雖然細粒含量多，但粒徑單一且黏粒含量缺乏，細粒土顆粒的存在導致孔隙增多，隨含水率升高，水分進入孔隙中，對土體顆粒產生潤滑作用，削弱顆粒之間相互作用，導致黏結力降低，因此含水率增大，土體抗剪強度降低.

圖5 含砂量對粉土抗剪強度指標影響Fig.5 The effect of sand content in silt on shear strength index

為進一步量化含水率對土體黏聚力的影響，表2給出了不同含水率下黏聚力的降低率. 由表2可知，當試樣含水率從最優(yōu)含水率增至14%時，黏聚力降幅要明顯小于含水率由14%增至16%時，表明含水率過高將明顯降低土體黏聚力.

2.2.3壓實度對粉土抗剪強度指標的影響

選取粉土試樣含砂量20%，分析不同含水率時壓實度變化對粉土黏聚力和內摩擦角的影響，結果如圖7所示. 由圖7可知，當含水率和含砂量一定時，提高壓實度導致粉土黏聚力增大；壓實度增加，土體內摩擦角亦呈增大趨勢，但變幅不大，約為1°～3°. 故壓實度的變化主要通過改變黏聚力來影響土體抗剪強度. 壓實度對于黏聚力和摩擦角增長的幅度有所不同，究其原因，壓實度增大，土顆粒增多，顆粒間膠結作用明顯增強，然而壓實度的增加一方面會使得土顆粒摩擦擠壓效應增強，內摩擦角增大，但是土顆粒之間的摩擦擠壓也會使得土顆粒產生一定程度的破碎，使得內摩擦角降低，因此內摩擦角的變化應為兩者共同作用的結果，故壓實度由85%增至90%時，黏聚力顯著增加，而內摩擦角增加相對緩慢.

表2 不同含水率下黏聚力降低率

圖7 壓實度和抗剪強度指標的關系Fig.7 Relationship of compactness and strength index

為了進一步分析壓實度對粉土抗剪強度指標的影響，表3給出了不同含水率和不同含砂量時壓實度分別從80%增至85%和由85%增至90%時黏聚力增長率. 從表3可見，壓實度從85%到90%黏聚力增幅遠遠大于壓實度從80%到85%的增幅，說明壓實度從85%到90%對于土體強度提高較明顯.

壓實度小即土體密實程度小，隨著壓實度增大，土體密實程度不斷增大，土顆粒距離減少，孔隙減少，顆粒之間接觸點增多，粒間咬合作用明顯增大，故隨著壓實度增大，土體抗剪強度增大.

表3 粉土黏聚力隨壓實度的變化

3 結 論

1)相同圍壓下增加粉土中含砂量，粉土峰值強度均呈現(xiàn)增加趨勢，且圍壓較低時不同含砂量粉土均呈現(xiàn)不同程度的應變軟化現(xiàn)象，含砂量對峰值強度的影響更加敏感，當圍壓水平較高時應變軟化現(xiàn)象減弱，此時粉土表現(xiàn)為壓硬性特性.

2)增加粉土試樣含水率，其峰值強度降低明顯，表明含水率越高土體強度越低. 低圍壓下增加含水率對強度削弱作用明顯，低圍壓且最優(yōu)含水率下粉土應變軟化現(xiàn)象明顯，隨含水率持續(xù)增加，粉土應變軟化呈現(xiàn)減弱趨勢.

3)壓實度對粉土試樣的應力-應變曲線影響明顯，相同圍壓下壓實度越高，粉土峰值強度越大，且圍壓水平越低，壓實度對峰值強度的影響越明顯；當壓實度為90%時，粉土應力-應變曲線表現(xiàn)出明顯的應變軟化特性；隨著壓實度減小，應變軟化趨勢減弱并最終基本消失. 因此，壓實度是影響粉土強度的重要因素.

4)同等條件下增加含砂量、提高壓實度或減少含水率，均可顯著增加粉土黏聚力，而含砂量(20%、30%和40%)、含水率(12.2%、14%和16%)和壓實度(80%、85%和90%)對粉土內摩擦角變化影響較小，表明粉土的抗剪強度主要由黏聚力決定，且壓實度越高、含水率越小、含砂量越大，粉土的抗剪強度越高.

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【中文責編：垶梓；英文責編：之聿】

Effectofcompactiondegreeandwatercontentonperformanceofsandysilt

XiaoChengzhi1,2,LiXiaofeng1,andZhangJingjuan1

1)SchoolofCivilandTransportationEngineering,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300401,P.R.China2)TechnologyandResearchCenterofCivilEngineering,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300401,P.R.China

Based on the static triaxial test, the effects of sand content, compactness and water content on the stress-strain curve and shear strength were analyzed comprehensively. The tests indicate that under the same confining pressure, the sand content in silt increases with the peak strength remarkably. The silt with different sand content is characterized by strain softening while keeping low confining pressure. The strain softening phenomenon tends to be weakened when increasing confining pressure. The peak strength of silt decreases obviously with the increase of water content. Moreover, strain softening phenomenon for silt with optimum water content is obvious and the strain softening phenomenon tends to be weakened. The strain softening has been weakened and ultimately disappears with decrease of compaction degrees of silt. For the same confining pressure, the higher compaction degree is, the greater the peak strength of silt is. When lowering confining pressure, compaction degree plays a more important role in the effect of peak strength. While keeping the remained parameters identical, increasing sand content and enhancing compaction degrees or reducing water content in silt can significantly increase its cohesion, but don’t obviously affect internal friction angle of silt. Generally, keeping higher compaction degree, less water content and more sand content can improve silt shear strength.

geotechnical engineering; silt; static triaxial test; sand content; compaction degree; water content

2017-02-15；Accepted：2017-06-16

Professor Xiao Chengzhi. E-mail: czxiao@hebut.edu.cn

TU 441

：Adoi：10.3724/SP.J.1249.2017.05501

Foundation：National Natural Science Foundation of China (50909032); Natural Science Foundation of Hebei Province (E2014202038)

：Xiao Chengzhi, Li Xiaofeng, Zhang Jingjuan. Effect of compaction degree and water content on performance of sandy silt[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2017, 34(5): 501-508.(in Chinese)

國家自然科學基金資助項目(50909032)；河北省自然科學基金資助項目(E2014202038)

肖成志(1976—), 男,河北工業(yè)大學教授、博士,研究方向：土工合成材料、軟土特性和管道. E-mail: czxiao@hebut.edu.cn

引文：肖成志, 李曉峰, 張靜娟. 壓實度和含水率對含砂粉土性質的影響[J]. 深圳大學學報理工版，2017，34(5)：501-508.