兩種粉質(zhì)黏土的靜強(qiáng)度特征對比分析＊

黃嘉偉 周正華

（南京工業(yè)大學(xué)，南京 211800）

引言

抗剪強(qiáng)度特征是土的一個(gè)重要力學(xué)性質(zhì)。隨著城市的不斷發(fā)展，南京和無錫地區(qū)大量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目即將或正在建設(shè)，而南京地區(qū)和無錫地區(qū)地基土存在一定差異，為配合新一輪城市規(guī)劃和建設(shè)，確保工程建設(shè)安全，需要對地基土物理參數(shù)存在的差異以及擾動(dòng)作用對兩地土抗剪強(qiáng)度造成的影響進(jìn)行分析。

我國東部地區(qū)發(fā)育有大量的粉質(zhì)粘土層，是由第四紀(jì)地質(zhì)歷史時(shí)期沖洪積形成的。該區(qū)域內(nèi)的粉質(zhì)黏土黏粒含量一般介于30%—50%，且粉粒含量大于砂粒組含量，具有強(qiáng)度差，壓縮性高的特征。國內(nèi)學(xué)者對粉質(zhì)黏土已開展了一定研究：黃博等[1]結(jié)合動(dòng)三軸儀，對京津高速鐵路沿線經(jīng)歷交通荷載長期作用前后的飽和粉質(zhì)黏土強(qiáng)度進(jìn)行對比試驗(yàn)，研究排水條件、施工擾動(dòng)及超固結(jié)等因素對土體振后不排水強(qiáng)度的影響；張英等[2]研究基于SEM和MIP的凍融循環(huán)對粉質(zhì)黏土強(qiáng)度影響機(jī)制；牛亞強(qiáng)等[3]通過對?6℃的凍結(jié)粉質(zhì)黏土在初始含水率12.5%—20%范圍內(nèi)進(jìn)行一系列的三軸試驗(yàn)，分析初始含水狀態(tài)對凍土變形和強(qiáng)度的影響規(guī)律。

對比兩地土的物理指標(biāo)（表1）可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)地區(qū)粉質(zhì)黏土物理特征存在差異，這說明不同地區(qū)土體的力學(xué)特性也必定存在一定差異[4]。通過對南京和無錫地區(qū)粉質(zhì)黏土靜強(qiáng)度特征對比分析，可以清楚地了解粘性土地基強(qiáng)度和變形機(jī)理。試驗(yàn)試樣分別取自南京和無錫地區(qū)，結(jié)合TSZ-2全自動(dòng)三軸儀，對兩種土的物理力學(xué)特性進(jìn)行分析。在試驗(yàn)中加入重塑試樣對比分析，在控制孔隙比、飽和程度相同的條件下將原狀與重塑土強(qiáng)度進(jìn)行比較，分析擾動(dòng)作用對兩地區(qū)土帶來的結(jié)構(gòu)性影響。

表1 兩種粉質(zhì)黏土基本物理指標(biāo)Table 1 Basic physical indexes of two kinds of silty clay

1 土的基本物理性質(zhì)

南京試驗(yàn)土樣取土深度范圍在10—14 m。無錫試驗(yàn)土樣取土深度范圍在7—12 m。通過整理兩個(gè)試驗(yàn)土樣取土地區(qū)工程地質(zhì)條件資料[5-6]，繪制兩地區(qū)大致土層分布情況（圖1）?？梢钥闯?，兩個(gè)取土地區(qū)均分布有較厚的粉質(zhì)黏土層。

圖1 取土位置土層分布Fig.1 Soil layer distribution at the borrow location

通過對試驗(yàn)結(jié)果的總結(jié)，繪制出無錫、南京地區(qū)粉質(zhì)黏土基本特性指標(biāo)表，如表1所示，各參數(shù)獲取的試驗(yàn)步驟參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GBT50123—1999》[7]。對同一試驗(yàn)中的4組平行試驗(yàn)數(shù)據(jù)近似結(jié)果求均值，作為其最終試驗(yàn)參數(shù)結(jié)果。

以相對密度結(jié)果為例，對同一試驗(yàn)的4組平行試驗(yàn)結(jié)果離散性分析。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，無錫土樣相對密度平均值為2.456，標(biāo)準(zhǔn)差值為0.019，變異系數(shù)值為0.008。其計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)小于兩類之間的變異系數(shù)值0.046。可以推測兩類土存在較為顯著的差異。

按照《土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》[7]的甲種密度計(jì)法（d<0.075 mm）進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，同一種土的顆分試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，取3次試驗(yàn)均值作為試驗(yàn)結(jié)果。兩地區(qū)粉質(zhì)黏土的顆粒級配曲線如圖2所示。

圖2 顆粒級配曲線對比Fig.2 Comparison of particle grading curves

試驗(yàn)結(jié)果顯示，兩種土粉粒含量占土粒組成的大部分，無錫土樣粉粒含量為62.94%，黏粒含量為37.06%；南京土樣粉粒含量為76.84%，黏粒含量為23.16%。將粉粒粒徑結(jié)果進(jìn)行對比，無錫土樣粗粉粒（0.075—0.01 mm）含量為 60%，細(xì)粉粒（0.01—0.005 mm）含量為40%；南京土樣粗粉粒含量為64.17%，細(xì)粉粒含量為35.83%，粗細(xì)粉粒所占比例存在較大差異，兩地區(qū)土都主要由粗粉粒組成。經(jīng)計(jì)算，南京地區(qū)粉質(zhì)黏土的不均勻系數(shù)Cu=6，曲率系數(shù)Cc=1.74；無錫地區(qū)粉質(zhì)黏土的不均勻系數(shù)Cu≈7，曲率系數(shù)Cc=1.18。按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]進(jìn)行分類判別，兩種土均為級配良好的粉質(zhì)黏土。

兩地區(qū)土的壓縮曲線情況如圖3所示。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，無錫土樣壓縮系數(shù) a1?2=0.108 MPa?1，南京土樣壓縮系數(shù) a1?2=0.205 MPa?1，兩種土均屬中壓縮性土，且兩種土初始孔隙比相差較小。對比以上指標(biāo)可以看出，無錫土樣與南京土樣相比，具有含水率低、密度高、孔隙比小、壓縮性低的特征。

圖3 e-lgP 曲線對比Fig.3 Comparison of e-lgP curves

2 飽和土抗剪強(qiáng)度

采用固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)（CU試驗(yàn)）測定土的靜強(qiáng)度，具體試驗(yàn)步驟參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[7]。土樣高度為80 mm，直徑為39.1 mm。原狀土固定在切土器上下盤之間，用鋼絲鋸和切土刀切削至規(guī)定的直徑。重塑土樣控制含水率、孔隙比與原狀土一致，分5層擊實(shí)，各層土料質(zhì)量相等，接觸面刨毛。無錫土樣重塑樣含水率控制為26%，孔隙比控制為0.574；南京土樣含水率控制為19%，孔隙比控制為0.441。試驗(yàn)土樣飽和采取水頭飽和與反壓飽和相結(jié)合的方式，裝樣結(jié)束后，逐級施加反壓至300 kPa，當(dāng)B≥0.98時(shí)認(rèn)為試樣飽和。試樣等向固結(jié)，當(dāng)孔隙水壓力消散95%以上時(shí)，認(rèn)定固結(jié)完成。試驗(yàn)剪切速率控制在0.006 mm/min。當(dāng)主應(yīng)力差出現(xiàn)峰值，繼續(xù)剪切5%軸向應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)束；若未出現(xiàn)，剪切至軸向應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。

每種土分別在3個(gè)不同的圍壓下進(jìn)行剪切試驗(yàn)測定抗剪強(qiáng)度。試驗(yàn)中圍壓的選擇通過卡薩格蘭德法在圖3中繪制并計(jì)算來確定。試驗(yàn)中無錫土樣圍壓大小設(shè)置為 100 kPa、200 kPa、300 kPa；南京土樣圍壓大小設(shè)置為 250 kPa、300 kPa、400 kPa。在每個(gè)圍壓情況下又設(shè)置3組平行試驗(yàn)，篩除差異明顯的試驗(yàn)土樣數(shù)據(jù)，取其中近似數(shù)據(jù)求均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。

圖4為南京、無錫兩地區(qū)土的原狀和重塑樣靜三軸試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系圖。

為方便比較兩種土之間抗剪強(qiáng)度的差異性，選取300 kPa圍壓作用下的試驗(yàn)結(jié)果曲線進(jìn)行對比分析，整合繪制結(jié)果如圖5所示。

通過圖4、圖5可以很明顯地看出，兩種土的原狀樣和重塑樣的表現(xiàn)存在較大差異。無錫地區(qū)的原狀土樣呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化狀態(tài)，而南京地區(qū)的原狀土樣則呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化狀態(tài)；南京土樣原狀樣孔隙壓力增長幅度遠(yuǎn)高于無錫土樣原狀樣，而無錫土樣試樣的強(qiáng)度則遠(yuǎn)高于南京土樣。如圖5所示，在300 kPa圍壓作用下，無錫土樣原狀樣的主應(yīng)力差峰值達(dá)58.9 kPa，南京土樣原狀樣的主應(yīng)力差峰值僅為30.3 kPa。

圖4 南京、無錫地區(qū)原狀和重塑粉質(zhì)黏土應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of undisturbed and remolded silty clays in Nanjing and Wuxi areas

圖5 300 kPa 圍壓下兩種土原狀和重塑粉質(zhì)黏土靜三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Static triaxial test results of two kinds of undisturbed soil and remolded silty clay under 300 kPa confining pressure

對比分析兩種土的重塑樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖可以看出，兩種土重塑樣都表現(xiàn)為應(yīng)變硬化狀態(tài)，重塑后強(qiáng)度都有降低，但無錫重塑土樣強(qiáng)度降低幅度遠(yuǎn)高于南京重塑土樣。對比主應(yīng)力差峰值變化情況可以發(fā)現(xiàn)，無錫土樣原狀樣主應(yīng)力差峰值強(qiáng)度對應(yīng)的軸向應(yīng)變值約為8.5%，而重塑樣剪切至試驗(yàn)結(jié)束即軸向應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)，仍然未出現(xiàn)主應(yīng)力差峰值；南京土樣除強(qiáng)度在重塑后有一定的降低外，主應(yīng)力差峰值出現(xiàn)位置對應(yīng)的軸向應(yīng)變與原狀土差異很小。這表明擾動(dòng)作用對無錫土樣造成的影響較大，擾動(dòng)作用引起土體變形特性發(fā)生改變；擾動(dòng)作用對南京地區(qū)土體造成的影響相對較小。

對靜三軸試驗(yàn)結(jié)果整理，繪制固結(jié)不排水強(qiáng)度包線圖，得到兩種土原狀樣和重塑樣的總應(yīng)力指標(biāo)c、φ值。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

從表2可以明顯看出，無錫重塑土樣和原狀土樣相比黏聚力降低了7.23 kPa，重塑土樣黏聚力僅為原狀樣的56.68%，這表明無錫土樣在重塑后黏聚力大幅下降。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，無錫土樣在進(jìn)行過重塑后，其顆粒間的微觀結(jié)構(gòu)被改變，土體結(jié)構(gòu)遭受破壞，結(jié)構(gòu)間的聯(lián)結(jié)作用降低，從而導(dǎo)致黏聚力下降。南京重塑樣較原狀樣黏聚力僅降低了0.76 kPa，重塑試樣黏聚力為原狀樣的92.37%，與原狀樣近似。這表明重塑對南京土樣顆粒間的微觀結(jié)構(gòu)影響較小，未對土體結(jié)構(gòu)間的聯(lián)結(jié)作用產(chǎn)生較大破壞。

表2 固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Table 2 Consolidated undrained shear strength index

3 非飽和土抗剪強(qiáng)度

隨著城市建設(shè)的迅猛發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)、生活中會(huì)大量的抽取地下水，非飽和土力學(xué)成為越來越多學(xué)者研究的方向。非飽和土工程性質(zhì)上較飽和土存在很大的差異，飽和度的變化可能會(huì)引起這兩種土的強(qiáng)度發(fā)生巨大變化，可能導(dǎo)致地表發(fā)生沉降或隆起，對上部建筑物造成破壞。國內(nèi)學(xué)者對非飽和土進(jìn)行了一定研究，林鴻州等[9]研究了粘性土基質(zhì)吸力與含水率之間的關(guān)系，得出粘性土的土水特征曲線的一些規(guī)律；沈珠江[10]推廣了廣義吸力概念，把飽和擾動(dòng)土的孔隙狀態(tài)定義為穩(wěn)定狀態(tài)，提出了廣義吸力的喪失將促使欠壓縮土和超壓縮土均向穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展的理論。

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用南京、無錫地區(qū)烘干土進(jìn)行制樣，通過不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)（UU試驗(yàn)），試驗(yàn)步驟參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[7]，并結(jié)合顆粒級配曲線圖對比分析，探究顆粒級配和含水率兩個(gè)因素對南京、無錫地區(qū)非飽和土抗剪強(qiáng)度特性的影響。設(shè)置兩種土試樣的含水率分別為：10%、13%、16%、19%、22%、25%、28%，單一含水率又設(shè)置3組平行試驗(yàn)。控制非飽和土樣干密度一致。兩種土的非飽和土樣不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 非飽和土樣不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Unconsolidated and undrained triaxial test results of unsaturated soil samples

通過圖6可以看出，在同一軸向應(yīng)力作用下，含水率越低非飽和土樣的抗剪強(qiáng)度越高；在相同含水率的情況下，無錫地區(qū)的非飽和重塑土樣抗剪強(qiáng)度高于南京土樣，抗剪強(qiáng)度約為南京土樣的1.64—1.3倍，兩地非飽和土不固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度存在較大的差異。不固結(jié)不排水試驗(yàn)土樣在控制含水率、孔隙比、干密度相同的條件下，兩種土樣的差異性可能是由土顆粒含量不同導(dǎo)致的[11]。結(jié)合圖2顆分試驗(yàn)結(jié)果，已確定無錫土樣粉粒含量為62.94%，南京土樣含量為76.84%；無錫地區(qū)土粗粉粒（0.075—0.01 mm）含量為 60%，細(xì)粉粒（0.01—0.005 mm）含量為 40%；南京土樣粗粉粒含量為64.17%，細(xì)粉粒含量為35.83%?？梢园l(fā)現(xiàn)，在相同含水率下，非飽和土樣的粉粒含量越高，該土樣的黏聚力越低。

對比凌華等[12]試驗(yàn)結(jié)果：在普通三軸儀上進(jìn)行非飽和土的強(qiáng)度試驗(yàn)，非飽和土的強(qiáng)度隨含水量的增大而減少。湯連生[13]從非飽和土粒間吸力特征進(jìn)行研究，表明粒徑越大，對應(yīng)峰值抗剪強(qiáng)度的基質(zhì)吸力越小。Gan等[14]從馬德里的灰色粘性土抗剪強(qiáng)度與基質(zhì)吸力的關(guān)系曲線可知，基質(zhì)吸力越大，抗剪強(qiáng)度越高。這些研究結(jié)論與試驗(yàn)所得規(guī)律結(jié)果相符可以對本文非飽和土試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行解釋。

4 結(jié)論

由于埋深、先期固結(jié)條件、低含水率、低孔隙比等因素的差異性，導(dǎo)致無錫粉質(zhì)黏土樣比南京粉質(zhì)黏土樣具有更高靜強(qiáng)度。在擾動(dòng)作用影響下，無錫飽和土樣會(huì)產(chǎn)生較大影響，引起土體變形特性發(fā)生改變，但南京土樣受擾動(dòng)作用影響相對較小。在非飽和狀態(tài)下，兩種土的抗剪強(qiáng)度均隨含水率的增加而降低；非飽和粉質(zhì)黏土的抗剪強(qiáng)度與顆粒粒徑存在一定關(guān)聯(lián)，即土顆粒粒徑越大，土體基質(zhì)吸力越小，土體抗剪強(qiáng)度越高。