紹興重塑粉質(zhì)黏土抗剪強度特性的試驗研究

吳瑞潛 湯有志 林群仙 李少和 張少龍

(1.紹興文理學院 土木工程學院，浙江 紹興 312000；2.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，浙江 紹興 312000)

0 引言

在地基承載力、土坡和路基穩(wěn)定性評價中,土的抗剪強度指標是重要的力學參數(shù).許多學者研究發(fā)現(xiàn)，不同地區(qū)土體的抗剪強度指標與土體的黏粒含量和干密度的關(guān)系也大不相同.張睿敏[1]以上海地區(qū)某基坑工程中的不同黏粒含量砂性土作為研究的對象，表明黏粒的增加可以改善砂性土的級配，并對砂性土的抗剪強度產(chǎn)生較大影響；楊瑞雪等[2]通過黏粒含量對銀川細砂強度影響的試驗研究,發(fā)現(xiàn)干密度的增大能顯著提高改性細砂的強度指標，黏粒含量可非常顯著地提高細砂的黏聚力；蔣德旺等[3]對西藏林芝地區(qū)不同細粒含量的冰磧土進行三軸剪切試驗，結(jié)果表明細顆粒遷移對土體結(jié)構(gòu)和強度的改變具有重要意義；張曉麗等[4]通過研究黏粒含量對磁縣段膨脹土抗剪強度的影響，得出了隨著黏粒含量的增大,黏聚力逐漸減小,內(nèi)摩擦角則先減后增的結(jié)論；李晨[5]進行了不同干密度對天津軟土力學特性的試驗，發(fā)現(xiàn)黏聚力與內(nèi)摩擦角均隨干密度增加而增大；申春妮等[6]進行了重塑非飽和土的抗剪強度特性的試驗，研究表明干密度對非飽和土的內(nèi)摩擦角幾乎沒有影響，黏聚力隨干密度呈指數(shù)增加；楊俊等[7]研究了風化砂摻入比例及初始干密度對膨脹土抗剪強度特性的影響，結(jié)果表明隨著初始干密度的增加，風化砂改良膨脹土的黏聚力增大，內(nèi)摩擦角則先增大后減小再增大；陳鋮等[8]進行了干密度和飽和度對花崗巖殘積土抗剪強度影響的試驗，結(jié)果表明風化花崗巖殘積土的黏聚力、內(nèi)摩擦角與干密度均呈線性正相關(guān)；王力等[9]、張奎等[10]、王春雨等[11]對西北地區(qū)黃土進行抗剪強度試驗，研究表明隨著黏粒含量的增長，黃土的黏聚力增大，內(nèi)摩擦角先減小后增加，隨著干密度增大，黏聚力和內(nèi)摩擦角均增大.由上述可知，前人針對其他地區(qū)土體抗剪強度特性的研究相對較多，而對紹興地區(qū)區(qū)域性土體的研究相對較少.

本文以紹興某基坑底部的重塑粉質(zhì)黏土為研究對象，基于全自動直剪儀，進行不同黏粒含量和干密度條件下的直剪試驗，分析了不同黏粒含量和干密度對重塑粉質(zhì)黏土的抗剪強度參數(shù)的影響，進一步認識了紹興重塑粉質(zhì)黏土的抗剪強度特性.

1 土樣及試驗方案

1.1 土樣的基本物理性質(zhì)

本試驗所用土樣取自紹興某基坑開挖后的6號土層土體，土體總體呈灰綠色.土樣的基本物理參數(shù)如表1所示.根據(jù)顆粒分析試驗、密度計試驗以及液、塑限試驗結(jié)果可以判定該土樣為：粉質(zhì)黏土.

表1 土樣的基本物理參數(shù)

液限ωL/%塑限ωL/%塑限指數(shù)IP/%最優(yōu)含水量ωop/%相對密度ds18.530.211.720.32.72

1.2 試驗土樣的制備

通過向粉質(zhì)黏土中添加黏土顆粒，分別制備干密度為1.4、1.5、1.6、1.7 g/cm3，含水率為19%的不同黏粒含量的重塑試樣.首先將取回土樣放入實驗室的烘箱內(nèi)進行烘干，設(shè)置溫度為105 ℃，時間不小于8 h，將烘干的土樣碾碎，分別過2 mm、1 mm、0.5 mm、0.25 mm、0.075 mm篩，制備一定量不同粒徑的土顆粒.然后通過調(diào)配添加不同黏粒含量的土顆粒制備八組試樣，再計算理論配水量使制備土樣達到設(shè)定的含水率.配制完成后用雙層保濕袋密封處理，放置恒溫恒濕箱中靜置24 h，使水分均勻遷移.為了研究不同黏粒含量下粉質(zhì)黏土的強度指標變化，粒徑大于0.075 mm的各粒組比例與原狀樣一致，所占總含量為23.2%，細粒(粉粒和黏粒)含量占76.8%.根據(jù)控制變量法原則，4組黏粒含量分別為：18%、23%、28%、33%，并將其編號為NL18、TL23、NL28、NL33.根據(jù)篩分法、水洗法和密度計法聯(lián)合測試結(jié)果,定量確定4組試樣的顆粒級配如表2所示.圖1-圖3所示為試驗示意圖.

表2 土樣的顆粒級配

粒組粒組百分含量/%粒組百分含量/%粒組百分含量/%>0.0750.075～0.05<0.05NL1823.258.818NL2323.263.823NL2823.248.828NL3323.243.833

圖1篩分實驗

圖2密度計實驗

圖3水洗實驗

1.3 試驗儀器與方案

本次試驗采用固結(jié)快剪實驗，所用的儀器為南京泰克奧公司生產(chǎn)的全自動直剪儀如圖3所示.試樣制備規(guī)格為直徑6.18 cm，高2 cm的環(huán)刀狀土樣，分三層擊實，每層擊實完畢后，接觸面都用刮刀拉毛處理.每種土樣通過控制擊實功，達到相同干密度.試樣制備好后，將其放入飽和容器里抽氣飽和8 h以上，使其飽和度達到95%以上.所有試樣制作嚴格按照《土工試驗規(guī)程》[12]操作.試驗中所制備的16組土樣每組各做6個，一共96個土樣，將每組4個試樣分別施加50、100、200、300 kPa的正應(yīng)力進行固結(jié)，直到變形量≤0.01 mm/2h，其余2個用于測量土的含水率.剪切前，在放置試樣的上盒四周裹上一層濕紗布(目的是為防止剪切過程中土樣失水).剪切速率控制為0.8 mm/min，所有試驗在3～5 min剪完，抗剪強度值取τ-s曲線上峰值強度，沒有明顯峰值的取剪切位移為4 mm所對應(yīng)的抗剪強值.根據(jù)庫侖定律[13]，可以確定土樣的抗剪強度指標,主要實驗結(jié)果及參數(shù)見表3.

圖4全自動直剪儀

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 黏粒含量和干密度對抗剪強度的影響

圖5所示在干密度為1.5 g/cm3時，土樣的黏粒含量與抗剪強度的關(guān)系曲線圖.從圖中可以看出，在固結(jié)快剪實驗中，在正應(yīng)力不斷增大過程中，隨著黏粒含量的增加，土體的抗剪強度不斷減小.當正應(yīng)力為50 kPa，黏粒含量從18%增加到33%，土體的抗剪強度減小了2.6 kPa，變化幅度很小.而當正應(yīng)力增加到300 kPa， 黏粒含量從18%增加到33%，土體的抗剪強度減少了43.6 kPa.這表明，土體所承受的正應(yīng)力在不斷增大過程中，抗剪強度對土樣中黏粒變化的敏感程度增大，正應(yīng)力的增加，會加大黏粒含量對土體抗剪強度的影響.

表3 土樣在不同黏粒含量和干密度下的抗剪強度指標

干密度黏粒組別黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/°1.4NL1815.622.5NL2318.121.3NL2823.519.0NL3328.716.11.5NL1823.225.7NL2325.323.5NL2827.721.1NL3331.017.21.6NL1824.327.9NL2327.426.4NL2832.924.8NL3335.921.31.7NL1825.329.4NL2329.227.2NL2834.925.9NL3338.421.8

圖5不同正應(yīng)力時黏粒含量與抗剪強度的關(guān)系圖

圖6顯示試樣黏粒含量在23%時，干密度與抗剪強度的關(guān)系曲線圖.圖表顯示，隨著正應(yīng)力不斷增加，干密度與抗剪強度有較強的相關(guān)性.當正應(yīng)力為50 kPa,干密度從1.4 g/cm3增加到1.7 g/cm3時，抗剪強度變化了17.3 kPa,而當正應(yīng)力增加到300 kPa，干密度從1.4 g/cm3增加到1.7 g/cm3時，抗剪強度變化了48.3 kPa.這表明在試驗的干密度范圍內(nèi)，正應(yīng)力的增大，增強了干密度對土體抗剪強度的影響.

圖6不同正應(yīng)力時，干密度與抗剪強度的關(guān)系圖

2.2 抗剪強度指標隨黏粒含量的機理分析

圖7所示是粉質(zhì)黏土試樣的黏聚力與黏粒含量的關(guān)系曲線圖，從四種不同的干密度曲線可以看出，在固結(jié)快剪試驗中，土樣黏粒含量越高，土體的黏聚力越大.主要原因在于黏粒含量越多，顆粒與顆粒間的接觸面積增大，顆粒間的分子吸引力和膠結(jié)力變大，所以土樣的黏聚力隨著黏粒含量的增大而增大.從圖7還可以看出，干密度對黏粒含量與黏聚力之間的關(guān)系也產(chǎn)生了影響，隨著干密度的增加，黏粒含量對黏聚力的影響逐漸變小.這表明干密度的增加會削弱黏粒含量對土體黏聚力的影響.

土體黏粒含量與內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線圖如圖8所示.在不同干密度下，重塑粉質(zhì)黏土的內(nèi)摩擦角隨黏粒含量的增大而逐漸減小.原因在于，隨著土體中黏粒含量的增大，重塑粉質(zhì)黏土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到黏土顆粒的影響，粉質(zhì)黏土的孔隙逐漸被黏土顆粒填充，土體內(nèi)部顆粒排列整齊，導致內(nèi)摩擦角隨著黏粒含量的增大而減小.而當干密度不斷增大時，內(nèi)摩擦角隨著黏粒含量增大的趨勢逐漸減緩.這表明重塑粉質(zhì)黏土的干密度能夠削弱黏粒含量對內(nèi)摩擦角的影響.

圖7不同干密度時黏粒含量與黏聚力的關(guān)系圖

圖8不同干密度時黏粒含量與內(nèi)摩擦角的關(guān)系圖

圖9所示為重塑粉質(zhì)黏土干密度為1.6 g/cm3時，不同黏粒含量下，抗剪強度指標變化情況的三維坐標圖.圖中可以直觀看出不同黏粒含量與內(nèi)摩擦角和黏聚力形成了一個傾斜的曲面，曲面反映出隨著黏粒含量的增加，土體的內(nèi)摩擦角減小，黏聚力增大的動態(tài)變化過程.

圖9黏粒含量與黏聚力和內(nèi)摩擦角的三維模型圖

2.3 抗剪強度指標隨干密度變化的機理分析

圖10所示為不同黏粒含量下，土體黏聚力與干密度的關(guān)系曲線圖.試驗研究結(jié)果顯示，隨著土體的黏粒含量的增加，黏聚力與干密度呈遞增的關(guān)系，但增大的趨勢逐漸平緩.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是紹興6號土層粉質(zhì)黏土孔隙比較大，干密度的增加，使得土中的孔隙減小，土顆粒間的接觸點逐漸增多且連接愈來愈緊密，顆粒間的分子引力和黏結(jié)力也逐漸增強，所以在試驗的干密度范圍內(nèi)，土體的黏聚力隨著干密度的增大而增大.

圖10不同黏粒含量時干密度與黏聚力的關(guān)系圖

圖11所示為土體的內(nèi)摩擦角與干密度的關(guān)系曲線圖.由圖可得，在不同的黏粒含量下，重塑粉質(zhì)黏土的內(nèi)摩擦角隨著干密度的增大而增大.主要原因是由于干密度在增大過程中，土顆粒間的接觸趨于緊密，孔隙比逐漸減小，土顆粒周圍的強結(jié)合水膜變薄，一部分強結(jié)合水轉(zhuǎn)化成了自由水，使得土體間潤滑作用減小，內(nèi)摩擦角增加.

圖12所示為重塑粉質(zhì)黏土黏粒含量在23%時，不同干密度下，抗剪強度指標的變化情況的三維坐標圖.圖中顯示為不同干密度、內(nèi)摩擦角以及黏聚力之間形成了一個傾斜向上的曲面.這體現(xiàn)了干密度、內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力之間呈動態(tài)變化的過程，也直觀反映出隨著干密度的增加，土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角都呈增大趨勢.

3 結(jié)論

本文通過配制不同黏粒含量和干密度的粉質(zhì)黏土試樣作為研究對象，通過室內(nèi)物理性質(zhì)試驗、固結(jié)快剪試驗等一系列的試驗，探討了不同黏粒含量和干密度的粉質(zhì)黏土的基本物理性質(zhì)特征，并對不同黏粒含量和干密度的粉質(zhì)黏土的抗剪強度及強度指標進行了對比分析，得出了以下主要結(jié)論：

圖11不同黏粒含量時干密度與內(nèi)摩擦角的關(guān)系

圖12干密度與黏聚力和內(nèi)摩擦角的三維模型圖

(1)在試驗的黏粒含量范圍內(nèi)，土體的抗剪強度隨著黏粒含量的增加而減小，正應(yīng)力的增加，加大了黏粒含量對土體抗剪強度的影響.在干密度范圍內(nèi)，土體的抗剪強度隨著干密度的增加而增大，正應(yīng)力的增大，提升了干密度對土體抗剪強度的影響；

(2)隨著黏粒含量的增加，重塑粉質(zhì)黏土抗剪強度減小，內(nèi)摩擦角減小，黏聚力增大，且干密度的增加會削弱黏粒含量對土體黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響；

(3)重塑粉質(zhì)黏土抗剪強度、黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨著干密度的增大增加，黏粒含量的增加對干密度與土體黏聚力和內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系影響不大.