淺談不同含水率對黏土強度指標(biāo)的影響

王 超

(包頭市公路規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014040)

1 研究的目的和意義

土的強度指標(biāo)是工程建設(shè)的重要依據(jù)之一，如果掌握了不同環(huán)境因素下土的物理指標(biāo)性質(zhì)，將會對工程建設(shè)產(chǎn)生重大意義，對工程建設(shè)的安全性及經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

2 研究的主要內(nèi)容

筆者通過采集包頭市境內(nèi)達(dá)茂地區(qū)的黏土，用于制備不同含水率條件下的黏土試樣，采用三軸試驗儀器進(jìn)行試驗，得出不同含水率條件下的黏土各種強度指標(biāo)的變化規(guī)律。

3 黏土的基本特性分析

3.1 試樣土的選取

以包頭市境內(nèi)達(dá)茂地區(qū)的黏土為研究對象。

3.2 常規(guī)土工試驗

3.2.1 含水率試驗。根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTG 3430—2020)中的要求，采用烘干法進(jìn)行土的含水率試驗，首先進(jìn)行現(xiàn)場取樣并裝盒保存，放入實驗室烘箱，在恒溫105℃～110℃下進(jìn)行不少于8h的烘干。天然含水率的計算公式如下：

(1)

式中：ω——含水率(%)，計算至0.1；

m——濕土質(zhì)量(g)；

ms——干土質(zhì)量(g)。

由表1可知，黏土天然含水率為17.5%。

表1 天然含水率試驗記錄

3.2.2 界限含水率試驗。根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTG 3430—2020)中土的界限含水率試驗方法，制備三種不同含水率的土樣，進(jìn)行液塑限試驗，得出含水率與錐入深度的關(guān)系曲線如下。

表2 液限塑限聯(lián)合試驗記錄

圖1 含水率與錐入深度關(guān)系

根據(jù)計算及圖表的關(guān)系曲線可得出：液限wl=39.6%，塑限wp=26.2%，塑性指數(shù)Ip=13.4%。

3.2.3 顆粒分析試驗。根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTG 3430—2020)中采用篩分法進(jìn)行土的顆粒分析試驗，取2kg代表性土樣進(jìn)行篩分實驗，實驗數(shù)據(jù)如下。

表3 顆粒分析結(jié)果

由圖2得出，黏土的不均勻系數(shù)Cu為8.71，曲率系數(shù)Cc為1.78。

圖2 顆粒級配曲線

3.2.4 密度試驗。 依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTG 3430—2020)中采用環(huán)刀法進(jìn)行土的密度試驗，測定黏土的濕密度及干密度，計算公式如下：

(2)

(3)

式中：ρ——濕密度(g/cm3)，計算至0.001；

m1——環(huán)刀與土合質(zhì)量(g)；

m2——環(huán)刀質(zhì)量(g)；

V——環(huán)刀體積(cm3)；

ρd——干密度(g/cm3)，計算至0.001；

ω——含水率(%)。

由表4可知，黏土的干密度ρd為1.432g/cm3。

表4 環(huán)刀試驗記錄

3.2.5 擊實試驗。 根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTG 3430—2020)中采用輕型擊實法進(jìn)行土的擊實試驗，試樣所需加水量計算公式如下：

(4)

式中：mw——所需的加水量(g)；

mi——含水率ωi時的土樣質(zhì)量(g)；

ωh——土樣原有含水率(%)；

ω——要求達(dá)到的含水率(%)。

表5 擊實試驗記錄

由圖3可知土的最佳含水量和最大干密度分別為15.3%和1.415g/cm3。

圖3 含水量與干密度關(guān)系曲線

4 黏土的三軸試驗設(shè)計

4.1 試驗方法

本次實驗設(shè)計為得出土的總抗剪強度指標(biāo)，采用不固結(jié)不排水(UU)試驗，在試驗過程中施加圍壓和軸壓直至破壞，整個過程均不允許試樣排水。

4.2 試樣選取與試件制備

原土選取包頭市達(dá)茂旗境內(nèi)的黏土，選取風(fēng)干土樣10kg，充分碾碎并過2mm的篩，將實驗所需的土樣加入經(jīng)計算所得的加水量，拌合充分后制備試件。實驗所選取的土樣最佳含水量為15.3%，在最佳含水率兩側(cè)選取不同的含水率進(jìn)行實驗分析，本次試驗選用了13%、15.3%、18%和20%四種不同含水率的土進(jìn)行制備試件。每組4個試件，試件尺寸為Φ39.1×80(mm) 。在擊實器內(nèi)分層擊實，分4層擊實，各組土層數(shù)量相等，并在各層面上用切土刀刨毛以利于兩層面之間結(jié)合。

5 結(jié)果與分析

5.1 黏土的三軸試驗結(jié)果

表6 三軸試驗

5.2 分析數(shù)據(jù)、繪制三軸試驗的摩爾圓及強度包線并得到抗剪強度參數(shù)

圖4 13%含水率三軸實驗抗剪強度包絡(luò)線

圖5 15.3%含水率三軸實驗抗剪強度包絡(luò)線

圖6 18%含水率三軸實驗抗剪強度包絡(luò)線

圖7 20%含水率三軸實驗抗剪強度包絡(luò)線

5.2.1 含水率與黏聚力的關(guān)系的分析(見圖8)。當(dāng)含水率逐漸增大到最佳含水率時，土粒間水膜受到相鄰?fù)亮Ｖg的電分子引力以及土中化合物的膠結(jié)作用逐漸增大，使得黏聚力逐漸增大；當(dāng)含水率超過最佳含水率時，隨著水膜的增厚使土粒之間的電分子引力以及膠結(jié)作用的逐漸減小使得黏聚力逐漸減小。

圖8 含水率與黏聚力的關(guān)系

5.2.2 含水率與內(nèi)摩擦角的關(guān)系的分析(見圖9)。隨著含水率的逐漸增大時，水分在較粗顆粒之間起著潤滑作用，使土粒之間摩擦力及咬合力降低，即使得內(nèi)摩擦角逐漸減小。

圖9 含水率與內(nèi)摩擦角的關(guān)系

6 結(jié)論及展望

6.1 結(jié)論

①隨著含水率逐漸增大時(10%～20%)，黏聚力先增大后減小。②隨著含水率逐漸增大時(10%～20%)，內(nèi)摩擦角逐漸減小。③隨著含水率逐漸增大時(10%～20%)，黏土的抗剪強度先增大后減小。

6.2 展望

筆者通過試驗對包頭市達(dá)茂旗境內(nèi)黏土進(jìn)行分析得出一些結(jié)論，取得了部分成果，對日后的工程施工具有一定的幫助與指導(dǎo)作用，但由于水平有限，論文中必然有許多不足之處，總結(jié)如下：①土的抗剪強度實驗成果一般有兩種表示方法，由于時間和試驗設(shè)備有限的關(guān)系，筆者只用了較簡單的總應(yīng)力法進(jìn)行研究，希望在以后的研究中能考慮用有效應(yīng)力法進(jìn)行研究。②筆者在試驗選擇的部分因素范圍略小，雖然也能顯示出一些趨勢，但希望在以后的研究中能夠加大范圍，獲得更加全面的分析。