含黏風(fēng)積沙的抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究

張龍菊 黎 亮 孫艷玲 王新剛，2*

（1塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，新疆阿拉爾 843300）（2浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江杭州 310058）

塔克拉瑪干沙漠位于塔里木盆地中央，面積約33.7萬km2。由于該地區(qū)缺乏優(yōu)質(zhì)的筑路材料，風(fēng)積沙被作為主要的路基填料，然而風(fēng)積沙具有顆粒松散、級配不良，保水性差等特點(diǎn)，在大量用于路基填料之前要深入研究其路用性能。

李曉芳［1］對不同含泥量、不同粒徑級配下的風(fēng)積沙進(jìn)行了直剪試驗(yàn)，研究結(jié)果表明抗剪強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角都隨含泥量增加出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象。王毅等［2］結(jié)合甘肅營雙高速公路，對路基填筑材料風(fēng)積沙進(jìn)行了直接剪切試驗(yàn)和三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)，結(jié)果表明，內(nèi)摩擦角隨風(fēng)積沙的干密度增加而增大，三軸試驗(yàn)測得的內(nèi)摩擦角比直剪試驗(yàn)所得內(nèi)摩擦角要小一點(diǎn)。付兵先［3］通過不同含黏量條件下風(fēng)積沙的直剪試驗(yàn)得出，含泥量、含水量、干密度都是影響風(fēng)積沙抗剪強(qiáng)度的重要因素。陳忠達(dá)等［4］以塔克拉瑪干沙漠公路為依托，對不同壓實(shí)方式下的沙基回彈模量進(jìn)行測定，表明振動(dòng)壓實(shí)處的回彈模量明顯高于靜力壓實(shí)處的回彈模量，挖方路段大于填方路段，通車運(yùn)行后回彈模量增大。張生輝等［5］對不同含水量、不同干密度的風(fēng)積沙回彈模量進(jìn)行測定，表明風(fēng)積沙應(yīng)力與回彈變形之間基本上呈直線關(guān)系，風(fēng)積沙為彈性體，并且在含水量相同時(shí)，回彈模量隨干密度增加而增大。王文娟［6］結(jié)合工程施工實(shí)例，研究了風(fēng)積沙在干燥狀態(tài)壓實(shí)施工工藝，在壓實(shí)機(jī)械、虛鋪厚度、碾壓遍數(shù)及機(jī)械行走速率等方面對風(fēng)積沙干壓提出了施工建議。平栓玲［7］結(jié)合巴新鐵路風(fēng)積沙路基的工程實(shí)際，提出了風(fēng)積沙注水碾壓法的路基施工工藝要點(diǎn)。通過試驗(yàn)段風(fēng)積沙路基的相對密度Dr和壓實(shí)指標(biāo)K30，提出了最佳壓實(shí)時(shí)的機(jī)械組合形式和風(fēng)積沙最佳的虛鋪厚度。柯誠等［8］采用室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)和CBR試驗(yàn)，研究了風(fēng)積沙的擊實(shí)特性與強(qiáng)度特性，并結(jié)合工程實(shí)例，采用干壓法對現(xiàn)場風(fēng)積沙進(jìn)行碾壓，論述了風(fēng)積沙碾壓的特殊性，總結(jié)了風(fēng)積沙干壓的施工工藝流程。

由上述可知，在風(fēng)積沙的路用性能研究方面取得了一定的成就，但對塔克拉瑪干沙漠腹地及邊緣風(fēng)積沙的路用性能研究還不夠深入。為了探討該沙漠風(fēng)積沙的剪切強(qiáng)度特性，本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，通過大量的直接剪切試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究初始干密度、含水量和含泥量對風(fēng)積沙剪切強(qiáng)度特性的影響規(guī)律和作用機(jī)理。研究結(jié)果對沙漠地區(qū)風(fēng)積沙路基的設(shè)計(jì)、施工及正常運(yùn)營都具有很大的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

1 風(fēng)積沙剪切試驗(yàn)

1.1 取樣

根據(jù)隨機(jī)抽樣方法，在塔克拉瑪干沙漠腹地及邊緣取得風(fēng)積沙試樣。風(fēng)積沙顆粒分析結(jié)果見表1。

從顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果可以看出，其粒徑主要分布在0.075～0.15 mm之間，質(zhì)量百分比高達(dá)92%以上；大于0.15 mm的顆粒比較少，為6.3%；而小于0.075 mm的顆粒也只有1.6%；由此表明，風(fēng)積沙的顆粒組成很細(xì)且均勻，級配不良。

表1 風(fēng)積沙顆粒分析結(jié)果

1.2 試驗(yàn)儀器

（1）ZJ型應(yīng)變控制式直剪切儀：在不同的垂直壓力下，對土樣進(jìn)行剪切，檢測土的剪應(yīng)力和剪應(yīng)變的關(guān)系，再根據(jù)庫侖定律，確定土的內(nèi)摩擦角和粘聚力。

（2）標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)儀：由擊實(shí)筒和擊實(shí)錘組成。

（3）環(huán)刀：內(nèi)徑61.8 mm，高20 mm。

（4）透水石：61 mm和63 mm

（5）其他儀器：電子天平、推土器、鋁盒、拌土盆、烘箱等。

1.3 試驗(yàn)方案

本文設(shè)計(jì)正交直剪試驗(yàn)，針對南疆塔克拉瑪干沙漠邊緣風(fēng)積沙的地質(zhì)條件，試驗(yàn)共制備6種含水率、4種不同干密度試樣，4種不同含泥量的試樣，每組試樣做3次相同試驗(yàn)條件下的直剪試驗(yàn)，最后結(jié)果取平均值，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和對比。通過不同含水率，不同含泥量及不同干密度等狀態(tài)下的風(fēng)積沙直剪試驗(yàn)，揭示抗剪強(qiáng)度與含水率、干密度及含泥量之間的關(guān)系。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 干密度對抗剪強(qiáng)度的影響

為研究干密度對抗剪強(qiáng)度的影響，在干燥狀態(tài)下，對4種不同干密度的風(fēng)積沙試樣進(jìn)行了直接剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

根據(jù)表2的試驗(yàn)結(jié)果，對風(fēng)積沙直剪試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ值，并繪制其抗剪強(qiáng)度、c和φ與干密度的關(guān)系曲線，見圖1、圖2和圖3。

表2 不同干密度的風(fēng)積沙直接剪切試驗(yàn)結(jié)果(干沙)

由圖1可以看出，隨著豎向壓力的增大，各種干密度的風(fēng)積沙試樣的抗剪強(qiáng)度明顯增大，在同一級豎向壓力下，各種干密度試樣的抗剪強(qiáng)度沒有明顯變化，符合庫侖強(qiáng)度理論。

由圖2和圖3可以看出，試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c和φ值都隨干密度的增大而增大。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是：在含水率，含泥量一定的情況下，干密度越大，風(fēng)積沙的密實(shí)度越大，土顆粒間的摩擦強(qiáng)度、咬合力就越大，在剪切強(qiáng)度特性上就會出現(xiàn)剪切強(qiáng)度增大、內(nèi)摩擦角和粘聚力增加，反之，則隨之減小。

圖1 抗剪強(qiáng)度—干密度關(guān)系曲線

圖2 粘聚力—干密度關(guān)系曲線

圖3 內(nèi)摩擦角—干密度關(guān)系曲線

2.2 含水率對抗剪強(qiáng)度的影響

為研究風(fēng)積沙的含水率對其抗剪強(qiáng)度的影響，對6種不同含水率的風(fēng)積沙試樣進(jìn)行了直接剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果剪表3。

根據(jù)表3的試驗(yàn)結(jié)果，對風(fēng)積沙直剪試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c和φ值，并繪制其抗剪強(qiáng)度、c和φ與含水率的關(guān)系曲線，見圖4、圖5和圖6。

表3 不同含水率試樣的直接剪切試驗(yàn)結(jié)果

圖4 抗剪強(qiáng)度—含水率關(guān)系曲線

圖5 粘聚力—含水率關(guān)系曲線

圖6 內(nèi)摩擦角—含水率關(guān)系曲線

由圖4可知，同一干密度條件下，隨含水率增加，其抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在每一級豎向壓力下，當(dāng)含水率約為9%時(shí)，抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值，說明此時(shí)風(fēng)積沙抵抗剪切破壞的能力最大，所以在風(fēng)積沙地基工程施工中其含水率不能過大或過小，有一個(gè)最優(yōu)含水率。

由圖5和圖6可以看出，粘聚力c隨含水率的增加而增加，曲線起伏較大；內(nèi)摩擦角φ則隨含水率的增加而減小，但曲線比較平緩，變化不太明顯。

這主要是因?yàn)樵诟擅芏?、含泥量等條件一定的情況下，在含水率不大時(shí)，隨含水率增加，風(fēng)積沙顆粒間的結(jié)合水膜厚度增加，顆粒間的聯(lián)結(jié)力增加；當(dāng)含水量增加到一定程度時(shí)，顆粒間結(jié)合水膜過大，顆粒間的聯(lián)結(jié)力則下降。由于水的潤滑作用，顆粒間的摩擦一直雖含水率增大而減小。所以在剪切強(qiáng)度特性上風(fēng)積沙表現(xiàn)出：隨含水量增加，抗剪強(qiáng)度和粘聚力都呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，內(nèi)摩擦角則一直減小。

2.3 含泥量對抗剪強(qiáng)度的影響

為研究風(fēng)積沙的含泥量對其抗剪強(qiáng)度的影響，對4種不同含泥量的風(fēng)積沙試樣進(jìn)行了直接剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

根據(jù)表4的試驗(yàn)結(jié)果，對風(fēng)積沙直剪試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c和φ值，并繪制其剪切強(qiáng)度、c和φ與含泥量的關(guān)系曲線，見圖7、圖8和圖9。

表4 不同含黏量試樣的直接剪切試驗(yàn)結(jié)果

圖7 抗剪強(qiáng)度—含泥量關(guān)系曲線

圖8 粘聚力—含泥量關(guān)系曲線

圖9 內(nèi)摩擦角—含泥量關(guān)系曲線

由圖7可知，在每一級豎向壓力下，風(fēng)積沙的抗剪強(qiáng)度都隨含泥量的增加而增加，豎向壓力越大，抗剪強(qiáng)度增加趨勢越明顯。

由圖8和圖9可以看出，隨含泥量的增加，風(fēng)積沙的粘聚力C明顯增大，而內(nèi)摩擦角φ則呈下降趨勢。

這主要是因?yàn)樵诟擅芏群秃室欢ǖ那闆r下，含泥量增加，風(fēng)積沙顆粒間的聯(lián)結(jié)力明顯增加，而顆粒間的摩擦僅有一定量的減小，所以就導(dǎo)致了風(fēng)積沙抗剪強(qiáng)度和粘聚力明顯增加，而其摩擦角減小的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

通過塔克拉瑪干邊緣含黏風(fēng)積沙在4種不同干密度、4種不同含泥量和6種不同含水率條件下的直接剪切試驗(yàn)，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析對比，得出以下幾個(gè)結(jié)論：

1）含黏風(fēng)積沙的抗剪強(qiáng)度特性與干密度、含水率和含泥量具有很大的相關(guān)性，但各影響因素作用機(jī)理和影響規(guī)律不盡相同；

2）隨干密度增加，含黏風(fēng)積沙的抗剪強(qiáng)度增加，近似呈直線變化；粘聚力C和內(nèi)摩擦角φ隨干密度增加也都呈現(xiàn)增加趨勢，但變化曲線有很大不同：粘聚力與干密度呈先緩后陡的下凸關(guān)系曲線，當(dāng)干密度小于1.55 g/cm3時(shí)，粘聚力增加速率緩慢，當(dāng)干密度大于1.55 g/cm3時(shí)，粘聚力急劇增加；而內(nèi)摩擦角與干密度呈先陡后緩的上凸關(guān)系曲線，當(dāng)干密度小于1.60 g/cm3時(shí)，內(nèi)摩擦角急劇增加，當(dāng)干密度大于1.60 g/cm3時(shí)，內(nèi)摩擦角增加趨勢趨于平緩。

3）隨含水率增加，含黏風(fēng)積沙的抗剪強(qiáng)度和粘聚力先增大后減小：當(dāng)含水率小于9%時(shí)，隨含水率增加而增加，當(dāng)含水率為9%時(shí)，抗剪強(qiáng)度和粘聚力都達(dá)到最大值，分別為80 kPa和11.5 kPa，當(dāng)含水率大于9%時(shí)，隨含水率增加而減??；而內(nèi)摩擦角隨含水率增加而減小，當(dāng)含水率小于5%時(shí)變化比較劇烈，含水率大于5%時(shí)，變化趨勢比較平緩。

4）隨含泥量增加，風(fēng)積沙的抗剪強(qiáng)度近似呈平緩的直線增加；粘聚力隨含泥量增加呈上凸曲線增加，當(dāng)含泥量小于20%時(shí)，粘聚力隨含泥量增加急劇增加，當(dāng)含泥量大于20%時(shí)，增加趨勢平緩；而內(nèi)摩擦角隨含泥量的增加而減小，近似呈平緩的直線變化。