石家莊市區(qū)第一層砂土室內(nèi)試驗(yàn)研究

段永樂 秦艷婷 李娜輝

（1.中國兵器工業(yè)北方勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，河北石家莊 050011；2.河北省地下空間工程巖土技術(shù)創(chuàng)新中心，河北石家莊 050011；3.石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院，河北石家莊 051132）

0 引言

砂土是一種非線性彈塑性材料［1］，非飽和砂土的本構(gòu)關(guān)系復(fù)雜，在不同的環(huán)境條件、荷載條件以及顆粒組成等條件下，表現(xiàn)出不同的本構(gòu)特征［2-3］，目前還沒有一個模型能夠適合任何環(huán)境下的砂土。

工程中砂土的力學(xué)指標(biāo)一般采用原位測試數(shù)據(jù)通過經(jīng)驗(yàn)公式或地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取得。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，砂土的黏聚力一般取0 kPa，這與實(shí)際工程中非飽和砂土的臨時自穩(wěn)表征不符?；谏鲜鲈?，本文從砂土參數(shù)的實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，利用室內(nèi)試驗(yàn)對砂土的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，分析含水率變化對砂土力學(xué)指標(biāo)的影響，確定砂土的工程特性，為工程設(shè)計(jì)及施工提供了參數(shù)取值依據(jù)。

1 研究對象

石家莊市區(qū)位于太行山東麓沖洪積扇中上部，太行山南段山麓平原區(qū)（冀中平原）西部，屬太行山山前沖洪積平原，宏觀地貌屬山前傾斜平原類型［4］。自第四紀(jì)地質(zhì)時期以來，由于受滹沱河的沖洪積作用，形成了自身的沖洪積扇群，規(guī)模較大。

石家莊市區(qū)第一層砂土一般埋深3.0～7.0 m，最大埋深約12.0 m；一般層厚4.0～8.0 m，最大層厚約14.0 m。分選性較好，具有明顯的水平層理，純凈的砂土以灰白色為主。該地區(qū)工民建以多層及高層為主，基底埋深約地表下1.5～10.0 m，特殊工程基坑深度大于20.0 m，基坑深度范圍內(nèi)揭露地層多為黏性土、粉土及砂土，其中砂土作為散體材料，不容易采取原狀試樣，且采取原狀試樣室內(nèi)試驗(yàn)的成本高、難度大，缺乏相關(guān)方面的室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)。

1.1 砂土類型劃分

在石家莊市區(qū)均布選取不同區(qū)域的砂土作為研究對象，采取77件第一層砂土試樣進(jìn)行篩分試驗(yàn)，對試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析可知：石家莊市區(qū)第一層砂土以中砂和細(xì)砂為主，占樣本總量約88%，具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖1。通過分析砂土顆粒級配試驗(yàn)數(shù)據(jù)，該層砂土多集中處于細(xì)砂和中砂的定名界限上，即砂土樣本中“大于0.25 mm顆粒質(zhì)量占比”和“大于0.075 mm的顆粒質(zhì)量占比”均比較大，所以石家莊市區(qū)第一層砂土可以定義為細(xì)中砂。

圖1 石家莊市區(qū)第一層砂土采取試樣各類型占比

1.2 砂土的天然密度

沿市區(qū)勝利大街及建設(shè)大街南北方向，分段選取代表性區(qū)域作為研究對象進(jìn)行試驗(yàn)分析。外業(yè)鉆探選用DPP100型、DPP150型及SH30型鉆機(jī)，沖擊鉆進(jìn)，待揭露第一層砂土后，安裝THD30型取砂器，每隔1～2 m采用重錘少擊法或壓入法取樣。

試樣的天然密度采用環(huán)刀法測定，試驗(yàn)結(jié)果為：粉砂的天然密度為1.73～1.83 g/cm3，細(xì)砂的天然密度為1.50～1.77 g/cm3，中砂的天然密度為1.50～1.68 g/cm3。砂土的類型、天然密度及埋深的關(guān)系見圖2。

圖2 砂土的天然密度與深度的關(guān)系

1.3 標(biāo)準(zhǔn)砂的選取

試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)砂取自河北省委建設(shè)工程土地，工程位于維明大街與裕華路交口西北角，屬于市區(qū)中西部區(qū)域。該區(qū)域砂土呈灰白色，分選性較好，原狀砂土具有明顯的層理結(jié)構(gòu)，經(jīng)篩分試驗(yàn)測定砂土為細(xì)中砂。砂土的取樣深度為—7.5 m，天然密度為1.50 g/cm3，天然含水率為4.0%。

1.3.1 相對密實(shí)度

砂土的密實(shí)狀態(tài)對其工程性質(zhì)影響很大。砂土的密實(shí)程度越大則強(qiáng)度越高、壓縮性越小，其工程特性越好；反之，砂土密實(shí)程度越松散則強(qiáng)度越低、壓縮性越大，其工程特性越差。砂土的顆粒大小、形狀及級配受區(qū)域沉積環(huán)境及自然條件的影響，相同密實(shí)度及孔隙比的砂土未必處于同一狀態(tài)，所以工程上常用相對密實(shí)度Dr來衡量砂土的松緊狀態(tài)。

式中：ρdmax——砂土的最大干密度，g/cm3；

ρdmin——砂土的最小干密度，g/cm3；

ρd——砂土的天然干密度，g/cm3。

砂土的最小干密度試驗(yàn)采用漏斗法和量筒法，進(jìn)行兩次平行測定，取兩次測值的平均值：ρdmin=1.38 g/cm3；砂土的最大干密度試驗(yàn)采用振動錘擊法，進(jìn)行兩次平行測定，取兩次測值的平均值：ρdmax=1.74 g/cm3。標(biāo)準(zhǔn)砂的天然干密度為ρd=1.44 g/cm3。

標(biāo)準(zhǔn)砂的相對密實(shí)度為Dr=0.20，介于0～1/3之間，砂土層處于疏松狀態(tài)。

取該場地標(biāo)準(zhǔn)砂深度附近6.0～9.0 m范圍內(nèi)42個標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，實(shí)測錘擊數(shù)N=7～19擊，修正后錘擊數(shù)N′=6.3～16.2擊，實(shí)測錘擊數(shù)平均值=13.2擊。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）（2009年版），試驗(yàn)樣本中79%處于松散—稍密狀態(tài)，21%處于中密狀態(tài)。

上述兩種判別砂土密實(shí)程度的方法得到的結(jié)論相似，說明標(biāo)準(zhǔn)砂原狀試樣擾動程度較小，能夠較好的反應(yīng)砂土的原位特性。

1.3.2 顆粒分析試驗(yàn)

砂土的顆粒粒徑構(gòu)成主要通過顆粒分析試驗(yàn)獲得，顆粒分析試驗(yàn)采用篩分法測定，分析篩的孔徑分別為2.0 mm、0.5 mm、0.25 mm、0.075 mm，篩后各級篩上和篩底試樣質(zhì)量的總和與篩前試樣總質(zhì)量的差值不大于試樣總質(zhì)量的1%。篩分結(jié)果見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)砂各粒徑留篩質(zhì)量

繪制標(biāo)準(zhǔn)砂的顆粒分析試驗(yàn)曲線（見圖3），可以查得砂土粒組的土粒含量：d10=0.035 mm，d30=0.18 mm，d60=0.31 mm，d50=0.28 mm（平均粒徑）。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)砂的粒徑分布曲線

砂土的級配好壞可由砂土中的顆粒均勻程度及粒徑分布曲線形狀來反應(yīng)，采用不均勻系數(shù)Cu及曲率系數(shù)Cc作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)砂的Cu=8.86大于5；Cc=2.98，介于1～3之間，所以該樣本顆粒粒徑組成連續(xù)，級配良好。

2 砂土的力學(xué)參數(shù)

考慮到砂土的礦物成分、形狀、級配、含水率、密度、結(jié)構(gòu)及應(yīng)力歷史均會影響其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，本次采用同一沉積環(huán)境、礦物組分及沉積年代的砂土作為研究對象，在相同的試驗(yàn)條件下制備重塑砂土，其結(jié)構(gòu)及應(yīng)力歷史均相同，假定含水率的變化是影響砂土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的唯一因素。

2.1 自然休止角

自然休止角為砂土在松散狀態(tài)堆積時，其坡面與水平面所形成的最大傾角，是砂土的重要指標(biāo)之一。自然休止角試驗(yàn)可以測定砂土在風(fēng)干狀態(tài)下和水下狀態(tài)的休止角。

依據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL 237—1999）無黏性土休止角試驗(yàn)要求，采用直徑100 mm托盤測定的自然休止角試驗(yàn)結(jié)果詳見表2。

表2 自然休止角試驗(yàn)結(jié)果

2.2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

2.2.1 砂土的直剪試驗(yàn)

直剪試驗(yàn)采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的四聯(lián)直剪儀，垂直壓力分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，剪切速率為0.8 mm/min。

根據(jù)試驗(yàn)含水率要求制備砂土試樣，砂樣實(shí)際含水率分別為2.33%、5.36%、6.30%、10.78%及14.65%。直剪試驗(yàn)中控制試樣干密度為天然干密度（即1.44 g/cm3），根據(jù)不同的含水率稱取相應(yīng)質(zhì)量的砂樣，實(shí)際所需的試樣質(zhì)量與含水率關(guān)系詳見表3。

表3 不同含水率條件下所需的試樣質(zhì)量

將稱取的砂樣倒入剪切容器內(nèi)，撫平表面，敲擊震動剪切容器，使試樣顆粒之間相互填充，直至剪切容器內(nèi)的砂樣高度不再變化為止。依次完成儀器安裝，調(diào)整好儀表后開始試驗(yàn)，記錄測力計(jì)和位移讀數(shù)，剪切位移達(dá)到6 mm時停機(jī)，試驗(yàn)結(jié)束。

以抗剪強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，垂直壓力為橫坐標(biāo)，根據(jù)數(shù)值偏差對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行取舍，繪制抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線，直線的傾角為內(nèi)摩擦角，直線在縱坐標(biāo)上的截距為黏聚力。重塑砂土在剪切過程中隨著剪切位移的增加剪應(yīng)力不斷增大，無峰值，取剪切位移達(dá)4 mm時所對應(yīng)的剪應(yīng)力作為抗剪強(qiáng)度，分析結(jié)果詳見表4。將試驗(yàn)所得到的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，取對應(yīng)含水率條件下的指標(biāo)平均值作為標(biāo)準(zhǔn)砂的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

2.2.2 砂土的黏聚力

砂土處于飽和或干燥狀態(tài)時，黏聚力為0 kPa；非飽和砂土一般具有一定的自立能力，因此黏聚力大于0 kPa。非飽和砂土的黏聚力主要是由基質(zhì)吸力引起的，因此也稱為假黏聚力?；|(zhì)吸力通常與水的表面張力引起的毛細(xì)現(xiàn)象緊密相關(guān)，毛細(xì)壓力使砂土結(jié)構(gòu)內(nèi)的壓應(yīng)力增加，提高了非飽和砂土的抗剪強(qiáng)度，在抗剪強(qiáng)度構(gòu)成上主要表現(xiàn)為假黏聚力的存在。

非飽和砂土的假黏聚力受含水率及黏粒含量等因素的影響，在一定含水率范圍內(nèi)，砂土的假黏聚力呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，參見砂土的直剪試驗(yàn)結(jié)果（見表4）。

表4 不同含水率條件下標(biāo)準(zhǔn)砂抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

2.2.3 砂土的內(nèi)摩擦角

內(nèi)摩擦角是巖土工程設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，反應(yīng)了顆粒之間摩擦特性和顆粒的抗剪切強(qiáng)度。顆粒之間的摩擦特性主要表現(xiàn)為滑動摩擦；抗剪切強(qiáng)度主要表現(xiàn)為顆粒間的嵌入和聯(lián)鎖作用產(chǎn)生的咬合力。

砂土的抗剪強(qiáng)度受顆粒物理屬性及砂土狀態(tài)影響，其中，砂土的物理屬性包括礦物成分、粒徑、級配及顆粒形狀；砂土狀態(tài)包括土體結(jié)構(gòu)、密實(shí)程度、有效應(yīng)力狀態(tài)等［5］。

標(biāo)準(zhǔn)砂試樣的物理狀態(tài)、應(yīng)力歷史及顆粒組成相同，可以認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)砂處于不同含水率條件下的內(nèi)摩擦角相同，因此取不同含水率條件下所測得的內(nèi)摩擦角平均值=28.6°）作為標(biāo)準(zhǔn)砂的內(nèi)摩擦角?？梢哉J(rèn)為，當(dāng)砂土干密度為ρd=1.44 g/cm3，相對密實(shí)度為Dr=0.20，砂土處于疏松狀態(tài)時的內(nèi)摩擦角為φ=28.6°。

3 結(jié)論

本文通過室內(nèi)試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

1）石家莊市區(qū)第一層砂土為細(xì)中砂，顆粒粒徑組成連續(xù)，級配良好。

2）標(biāo)準(zhǔn)砂的天然干密度為ρd=1.44 g/cm3；最小干密度為ρdmin=1.38 g/cm3；最大干密度為ρdmax=1.74 g/cm3。標(biāo)準(zhǔn)砂的相對密實(shí)度為Dr=0.20，處于疏松狀態(tài)。

3）砂土處于飽和或干燥狀態(tài)時，黏聚力為0 kPa；非飽和砂土在基質(zhì)吸力的作用下產(chǎn)生了一定的假黏聚力，這種假黏聚力主要受含水率及黏粒含量等因素的影響，在一定含水率范圍內(nèi)，砂土的假黏聚力呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。

4）砂土的含水率變化不會對其內(nèi)摩擦角產(chǎn)生影響，可以取不同含水率條件下的內(nèi)摩擦角平均值=28.6°作為標(biāo)準(zhǔn)砂的內(nèi)摩擦角建議值。

收稿日期：2018-08-19