1)河北工业大学土木与交通学院,天津 300401; 2)河北工业大学河北省土木工程技术研究中心,天津 300401
1)School of Civil and Transportation Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, P.R.China 2)Technology and Research Center of Civil Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, P.R.China
geotechnical engineering; silt; static triaxial test; sand content; compaction degree; water content
DOI: 10.3724/SP.J.1249.2017.05501
基于静三轴试验,分析不同含砂量、压实度和含水率对粉土应力-应变曲线和抗剪强度指标的影响. 试验结果表明,相同围压下增加粉土中含砂量,粉土峰值强度呈增加趋势,且围压较低时不同含砂量粉土均呈现不同程度应变软化现象,增高围压水平时应变软化现象减弱; 增加含水率对粉土强度削弱明显,且最优含水率下粉土应变软化现象明显,粉土应变软化随含水率增加呈减弱趋势; 减少压实度时应变软化现象减弱并最终趋于消失,相同围压下压实度越高,粉土峰值强度越大,且围压水平越低,压实度对峰值强度的影响越明显; 同等条件下增加含砂量、提高压实度或减少含水率,均可显著提高粉土黏聚力,但对其内摩擦角影响较小,且压实度越高,含水率越小,含砂量越大,粉土的抗剪强度越高.
Based on the static triaxial test, the effects of sand content, compactness and water content on the stress-strain curve and shear strength were analyzed comprehensively. The tests indicate that under the same confining pressure, the sand content in silt increases with the peak strength remarkably. The silt with different sand content is characterized by strain softening while keeping low confining pressure. The strain softening phenomenon tends to be weakened when increasing confining pressure. The peak strength of silt decreases obviously with the increase of water content. Moreover, strain softening phenomenon for silt with optimum water content is obvious and the strain softening phenomenon tends to be weakened. The strain softening has been weakened and ultimately disappears with decrease of compaction degrees of silt. For the same confining pressure, the higher compaction degree is, the greater the peak strength of silt is. When lowering confining pressure, compaction degree plays a more important role in the effect of peak strength. While keeping the remained parameters identical, increasing sand content and enhancing compaction degrees or reducing water content in silt can significantly increase its cohesion, but don't obviously affect internal friction angle of silt. Generally, keeping higher compaction degree, less water content and more sand content can improve silt shear strength.
近年来,一些工程就地取材,将粉土用于路堤回填料,但粉土作为介于砂性土和黏性土之间的土体,黏粒含量较低,塑性指数小,强度偏低,其矿物组成、颗粒分布以及压实机理方面也不同于一般土且压实困难[1-5]. 由于人们对粉土的物理性能和工程性质缺乏科学、系统的认识,故揭示粉土的内部结构和工程特性已成当务之急. 同时,受降雨和蒸发等因素影响,路堤边坡粉土含水量变化对其强度和边坡稳定性影响是关注焦点[6-8]. Thevanayagam等[9-12]指出孔隙比是影响粉质砂土性质的重要因素; 肖军华等[13-14]研究压实度和含水率对黄河冲积粉土力学性质影响,结果表明,压实粉土黏聚力随压实系数减小或者含水率的增加显著降低,但对内摩擦角影响较小; 彭丽云等[15]基于对京九线路压实粉土力学特性试验,指出压实度和含水量是影响粉土路基的关键因素; 凌华等[16]研究含水率和围压对非饱和土强度影响,表明非饱和土强度随围压增大而增大,随含水率增大强度明显减小; 朱建群等[17]通过改变含粉粒砂土中粉粒含量,证实粉粒颗粒组成和结构对粉砂强度和变形产生重要影响,且表现出典型的应变软化特征; 房营光[18]研究了颗粒尺度效应对土体力学特性影响,发现随土体中砂粒体分比增加和粒径减小,土体变形特性明显增强; 谈云志等[19]指出初始状态如干密度和含水量等对粉土黏聚力的影响最大. 本研究借助室内静三轴试验手段,通过改变粉土中含砂量(0.5～0.075 mm颗粒成份)、压实度和含水率,分析其对粉土应力-应变曲线和抗剪强度指标的影响.
粉土力学特性试验采用TSZ-3.0型应变控制式三轴仪进行三轴不固结不排水试验,剪切速率0.9 mm/min,围压分别为100、200、300和400 kPa,并利用自制装置依据双向静压法制作粉土试样,试样直径和高度分别为39.1和80.0 mm.
粉土取自河北邢台地区,将其风干碾碎,通过筛分获得砂粒土(0.075 mm≤ds≤0.5 mm)和细粒土(ds≤0.075 mm), 其中, ds为粒径.配置砂的质量分数α分别为20%、30%和40%的3种土体,其物理性质如表1所示. 通过筛分和比重计试验,得到3种配置土体的颗粒级配曲线,如图1所示. 由图1可知, α为20%、30%和40%的粉土中ds≤0.002 mm的成分分别占17%、14%和12%,对应的Cu分别为23.3、33.3和50, Cc分别为3.0、3.2和3.6. 三种土均不能同时满足Cu≥5和Cc=1～3, 故3种土均为级配不良土. 根据《公路土工试验规程》[20]中规定可命名为含砂低液限粉土.
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图1 不同含砂量下粉土颗粒级配曲线
Fig.1 Grain size distribution of silt with different sand content
试验通过改变粉土中砂的质量分数α(20%、30%和40%)、试样压实度K(80%、85%和90%)和含水率w(最优含水率、14%和16%),综合分析上述因素对粉土性质的影响. 粉土试样按《公路土工试验规程》制备,即将3种配置好的含砂低液限粉土分别和水混合均匀,放入塑料袋密封,浸润24 h. 制样时,依规范对测定风干含水率的土加入不同的水来达到试验所需含水率,并基于不同的压实度称取所需湿土质量,将其分3次放入试筒内挤压成型.
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表1 试验粉土的物理性质指标
Table 1 Physical properties index of test silts
选取压实度为85%和最优含水率的粉土试样,通过改变砂粒土含量来分析不同围压下粉土试样的应力-应变变化曲线,结果如图2.由图可知,随着粉土中含砂量增加,4种围压下试样峰值强度均呈增加趋势,且围压较低如100或200 kPa,粉土中含砂量对峰值强度影响明显,而当围压较高如300或400 kPa时,试样应力-应变曲线差异性不大,此时粉土表现为压硬性特性. 主要原因是低围压时,剪切面上土颗粒翻滚和移动相对容易,含砂量越高咬合作用越明显,故含砂量越大,峰值强度越高; 而对于高围压,粉土试样达到破坏应变时对应的峰值强度不同,此时颗粒间咬合作用不会因为含砂量增多而表现突出,因此峰值强度差别不大.
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图2 不同含砂量时粉土的应力-应变曲线
Fig.2 Stress-strain curve of silt under different sand content
当轴向应变小于2.5%时,不同含砂量和围压下应力-应变曲线呈近似线性变化关系,相同应力水平下含砂量高对应的应变较小; 当围压较低如100 kPa时,不同含砂量时粉土均呈不同程度的应变软化现象,而当围压增加时,应变软化现象减弱,应力-应变曲线以呈近似双曲线形为主. 主要是由于围压增加使得土颗粒之间约束力增强,土体内部的裂隙和结构缺陷逐渐减小,空隙较快闭合,因此,围压较高时,应变软化现象不明显或基本消失,而围压较低时,却发生应变软化现象.
选取压实度为90%和含砂量为40%的粉土试样,通过改变粉土试样含水率分析其对应力-应变曲线的影响,结果如图3所示,由图可知:
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图3 不同含水率粉土的应力-应变曲线
Fig.3 Stress-strain curve of silt under different water content
1)相同围压时,随着含水率增加,粉土试样峰值强度随之降低,且低围压下含水率增加时峰值强度降幅明显,表明含水率越高土体强度越低,尤其是低围压下增加含水率对强度削弱作用明显,主要原因是含水率越大粒间水膜越厚,低围压下孔隙比较大且孔隙内自由水润滑作用明显,从而降低了双电层作用,导致粒间摩擦减小,强度降低; 另外,当含水率相同时,围压越高,峰值强度越大.
2)低围压时最优含水率(12.2%)以下粉土应变软化现象明显; 随着含水率增大,如14%和16%,粉土应变软化趋势减弱; 总体上,当轴向应变较小时,主应力差值和应变之间表现良好的线性关系.
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图4 不同压实度下粉土的应力-应变曲线
Fig.4 Stress-strain curve of silt under different compactness
选取最优含水率和含砂量为40%的粉土试样,通过改变压实度K分析其对试样的应力-应变曲线的影响,结果如图4,由图4可知,同一围压下压实度越高,粉土峰值强度越大,初始切线模量越大,主要原因是压实度决定了试样孔隙比大小,压实度大则孔隙比小,土颗粒之间咬合作用加强,故峰值强度和初始切线模量大; 另外,当围压相对较低如100 kPa时,压实度为90%的试样峰值强度明显高于压实度为80%和85%时对应的峰值强度.
压实度对粉土试样的应力-应变曲线影响明显,当压实度较大如为90%时,不同围压下试样均表现出明显的应变软化特性; 随着压实度减小,如为85%时,应变软化现象只在加载末端出现,继续减小压实度达到80%时,不同围压下应变软化现象基本消失,应力-应变曲线无明显峰值并呈现硬化的变化趋势,且围压越高硬化越明显,峰值强度越大.
图5为不同压实度和不同含水率下含砂量对粉土黏聚力及内摩擦角影响. 由图5可知,随着粉土试样中含砂量的增加,粉土黏聚力总体上呈现增加趋势,而对内摩擦角影响较小,不同含砂量时其值变化幅度约为2°～3°,表明黏聚力是影响粉土抗剪强度的主要因素. 原因主要是当含砂量增加时意味着细粒土含量的降低,此时砂粒土对于细粒土有置换作用,由图1中颗粒级配曲线可知,试样含砂量越高,其不均匀系数越大,粒组变化范围越广,土中越是含有粗细不同的粒组,细粒能较好的填充于粗粒的孔隙中,孔隙比较小,颗粒间充分接触,因而剪切过程中拥有较好的密实性和整体性; 此外,由于含砂量的增大使得土颗粒之间机械咬合能力提高. 相反,砂粒含量减小意味着细粒含量增多,使得盈余的细颗粒不仅填充于粗颗粒间隙中还存在于粗粒与粗粒的接触面上,产生滚珠作用,因而降低了土体机械咬合力. 基于粉土试样加载过程表面裂纹分析,砂粒对剪切破坏面具有一定约束作用,剪切作用下土体会产生细小裂纹,砂粒增多能提高摩擦力减小裂纹间相对滑动. 因此,总体上增加粉土中含砂量会导致土体抗剪强度增大.
含砂量为20%时,分析不同压实度时粉土含水率对其抗剪强度指标的影响,如图6所示. 由图可知,含砂量和压实度相同时,随着粉土试样中含水率的增加,土体黏聚力和内摩擦角均呈减小趋势,但内摩擦角降幅较小,约为2°～3°,表明不同含水率下粉土黏聚力是影响抗剪强度的主要因素.
随着含水率增加土颗粒周围结合水膜变厚,由于水分在内外结合水膜处的粘滞效应不同,当水膜增厚时由结合水膜产生的胶结作用逐渐减弱,故凝聚力降低; 当含水率持续增加时,土体中产生了更多的自由水,而细粒土之间的连结力随着水分增加会被削弱,导致土体黏聚力下降. 且由图1颗粒级配曲线可知,粉土试样虽然细粒含量多,但粒径单一且黏粒含量缺乏,细粒土颗粒的存在导致孔隙增多,随含水率升高,水分进入孔隙中,对土体颗粒产生润滑作用,削弱颗粒之间相互作用,导致黏结力降低,因此含水率增大,土体抗剪强度降低.
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图5 含砂量对粉土抗剪强度指标影响
Fig.5 The effect of sand content in silt on shear strength index
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图6 含水率和抗剪强度指标的关系
Fig.6 Relationship of water content and strength index
为进一步量化含水率对土体黏聚力的影响,表2给出了不同含水率下黏聚力的降低率. 由表2可知,当试样含水率从最优含水率增至14%时,黏聚力降幅要明显小于含水率由14%增至16%时,表明含水率过高将明显降低土体黏聚力.
选取粉土试样含砂量20%,分析不同含水率时压实度变化对粉土黏聚力和内摩擦角的影响,结果如图7所示. 由图7可知,当含水率和含砂量一定时,提高压实度导致粉土黏聚力增大; 压实度增加,土体内摩擦角亦呈增大趋势,但变幅不大,约为1°～3°. 故压实度的变化主要通过改变黏聚力来影响土体抗剪强度. 压实度对于黏聚力和摩擦角增长的幅度有所不同,究其原因,压实度增大,土颗粒增多,颗粒间胶结作用明显增强,然而压实度的增加一方面会使得土颗粒摩擦挤压效应增强,内摩擦角增大,但是土颗粒之间的摩擦挤压也会使得土颗粒产生一定程度的破碎,使得内摩擦角降低,因此内摩擦角的变化应为两者共同作用的结果,故压实度由85%增至90%时,黏聚力显著增加,而内摩擦角增加相对缓慢.
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表2 不同含水率下黏聚力降低率
Table 2 Cohesion reduction rate of silt under different water contents
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图7 压实度和抗剪强度指标的关系
Fig.7 Relationship of compactness and strength index
为了进一步分析压实度对粉土抗剪强度指标的影响,表3给出了不同含水率和不同含砂量时压实度分别从80%增至85%和由85%增至90%时黏聚力增长率. 从表3可见,压实度从85%到90%黏聚力增幅远远大于压实度从80%到85%的增幅,说明压实度从85%到90%对于土体强度提高较明显.
压实度小即土体密实程度小,随着压实度增大,土体密实程度不断增大,土颗粒距离减少,孔隙减少,颗粒之间接触点增多,粒间咬合作用明显增大,故随着压实度增大,土体抗剪强度增大.
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表3 粉土黏聚力随压实度的变化
Table 3 Variation of cohesion of silts with different compaction degrees
1)相同围压下增加粉土中含砂量,粉土峰值强度均呈现增加趋势,且围压较低时不同含砂量粉土均呈现不同程度的应变软化现象,含砂量对峰值强度的影响更加敏感,当围压水平较高时应变软化现象减弱,此时粉土表现为压硬性特性.
2)增加粉土试样含水率,其峰值强度降低明显,表明含水率越高土体强度越低. 低围压下增加含水率对强度削弱作用明显,低围压且最优含水率下粉土应变软化现象明显,随含水率持续增加,粉土应变软化呈现减弱趋势.
3)压实度对粉土试样的应力-应变曲线影响明显,相同围压下压实度越高,粉土峰值强度越大,且围压水平越低,压实度对峰值强度的影响越明显; 当压实度为90%时,粉土应力-应变曲线表现出明显的应变软化特性; 随着压实度减小,应变软化趋势减弱并最终基本消失. 因此,压实度是影响粉土强度的重要因素.
4)同等条件下增加含砂量、提高压实度或减少含水率,均可显著增加粉土黏聚力,而含砂量(20%、30%和40%)、含水率(12.2%、14%和16%)和压实度(80%、85%和90%)对粉土内摩擦角变化影响较小,表明粉土的抗剪强度主要由黏聚力决定,且压实度越高、含水率越小、含砂量越大,粉土的抗剪强度越高.
深圳大学学报理工版
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（1984年创刊 双月刊）
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