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摘要:在实际工程应用中,含水率对不同黏粒含量砂性土的抗剪强度有着重要的影响。本文通过配制不同黏粒含量的砂性土,测得在不同含水率条件下不同黏粒含量砂性土的抗剪强度指标。研究成果表明:随着含水率的减小,抗剪强度逐渐增大,且其中内摩擦角的增大较平缓,黏聚力的增大较明显。而当砂性土的黏粒含量为15%时,其抗剪强度随着含水率的减小呈现先增大后减小的趋势,存在“峰值现象”。最后,从“峰值现象”产生的机理分析表明,含黏粒砂性土的抗剪强度受到土体颗粒间弯月形水的数量、其面积大小和含水率大小三个方面的影响。
关键词:黏粒含量;含水率;砂性土;抗剪强度
在实际工程应用中,纯砂土地层是很难见到的,黏性土一般被夹杂在砂性土层中。对于非饱和砂性土的研究,前人大多针对粉细砂进行了探讨,且综合考虑黏粒含量和含水率两个变化量对砂性土力学性状的影响的研究更加较少[1-2]。针对在不同含水率条件下,不同颗粒级配的砂性土的抗剪强度如何变化,本文通过改变含水率大小,探究不同的黏粒含量对砂性土抗剪强度指标的影响,建立黏粒含量与非饱和砂性土强度指标的关系,并分析其可能的机理,为后续的工程设计提供合理的勘察数据和技术支持,对工程实践具有重要的现实意义。
由于剪切强度是研究土体力学性质的指标之一,因此,对非饱和土体剪切强度进行研究是有必要的,其结果有助于对基坑降水过程中土体的稳定性进行分析[3-5]。本文选用操作较简便,影响因素较少的四联式电动直剪仪,通过不排水剪切试验对不同含水率条件下不同黏粒含量的非饱和砂性土的抗剪强度进行研究。本试验为控制含水率和黏粒含量两个变量的直剪试验,含水率分别控制在0%(干燥状态)、5%、10%、15%、20%以及饱和状态,黏粒含量分别控制在0%、5%、10%、15%、20%,法向应力分别控制在50kPa、100kPa、150kPa、200kPa,共计120组直剪试验。另外,为保证所得剪切数据的准确性与对比性,相同条件下的直剪试验做了3组对比试验,故总计直剪试验组数为360组。
研究结果表明,不同黏粒含量的砂性土在不同含水率条件下的剪切强度和净固结压力呈现出较好的线性关系。随着含水率的不断减小,砂性土的抗剪强度大部分呈现出不断增大的状态。而黏粒含量为15%的砂性土随着含水率的不断减小,其抗剪强度先增大后减小,出现了“峰值现象”,其峰值所对应的含水率大小为10%,表明了对黏粒含量为15%的砂性土而言,含水率的减小并不会对抗剪强度的增大保持持续的影响作用。砂性土的抗剪强度指标随着含水率的减小而增大。在饱和状态下,黏粒含量为5%砂性土的黏聚力为4.56kPa,含水率为0%(干燥状态下)时,黏粒含量为5%砂性土的黏聚力为16.15kPa,而内摩擦角的大小随着含水率的减小呈现出小幅度的增长。表明了在砂性土的抗剪强度指标中,含水率对黏聚力产生的影响更大。这是因为含水率越小,土体中的含水量越少,土体中土颗粒的吸水量也越少,导致了土颗粒之间的粘结度变得更紧密,进一步表现为随着含水率的减小黏聚力显著增大。而当黏粒含量为15%时,其抗剪强度指标随着含水率的减小呈先增大后减小的趋势,这是因为在含水率减小的过程中,抗剪强度的大小出现了“峰值现象”,因此,含水率对抗剪强度指标的影响也出现了相同的效果。
在岩土体工程实践的过程中,含水率的变化对土体的强度和稳定性都有很大的影响。若是单一地将饱和状态下土体的强度特征应用到与土体饱和度有相关性的工程实践当中,如基坑降水工程,虽然能够保证工程的稳定性和安全性,但是在一定程度上会造成工程量和工程材料的浪费,致使工程的效益性降低。所以,掌握含水率对土体强度的影响规律,既能保证在工程实践中的安全稳定性,又能满足工程的效益性。
通过以上研究表明,当非饱和砂性土的黏粒含量为15%时,在低含水率的情况下会出现一阀值,当含水率大于此阀值时,土体的抗剪强度的大小随含水率的减小而增大,而当含水率小于此阀值时,土体抗剪强度的大小随含水率的减小而减小,抗剪强度呈现出“峰值现象”。由于受外加荷载的影响,土体会呈现出不同的力学特性,为了分析上述试验现象的产生机理,本质上可以从其微观结构产生的变化着手,从而解释其宏观上的反映。
在非饱和土力学中,假设两个相同大小的球状土体颗粒和一个采用“环形逼近”概念表示的水-气交界面,作为非饱和土体中水-气交界面的理想几何形状。两个相同大小的球状土颗粒间存在弯月形水,而含水率是通过弯月形水影响着土体的抗剪强度大小。随着含水率的减小,含黏粒砂性土从饱和状态转化为非饱和的状态,土体将呈现出气、水、土三相共同存在的结构体系,当空气进入时,土颗粒间逐渐形成弯月形水,同时,弯月形水外部的大气压与其内部的水压之差逐渐增大。当含水率减小至某个值时,土颗粒间的弯月形水会出现收缩并且最终崩解,这将使得压力差的作用面积减小,此时对土体抗剪强度大小的影响以压力差的作用面积大小为主要因素,从而出现非饱和含黏粒砂性土的抗剪强度大小随含水率的减小而不断减小的现象,并形成上述的“峰值现象”。
随着土体中黏粒含量的增大,砂性土的内部结构逐步受到黏土颗粒的影响,砂土颗粒被黏土颗粒包围进而变为悬浮的颗粒,导致土体颗粒之间的接触面积减少。同时,随着黏粒含量的不断增大,非饱和含黏粒砂性土的持水能力逐渐加强。因此,仅在某一特定配比范围内的非饱和含黏粒砂性土中才会出现“峰值现象”,而上述试验结果表明,黏粒含量为15%的砂性土正好位于此范围内。
本文用不同黏粒含量砂性土作为研究的对象,通过室内一系列的试验,探讨了不同黏粒含量的砂性土的基本物理性质特征,并对不同黏粒含量的砂性土的抗剪强度展开了详细的分析。所得主要结论如下。
(1)通过基本物理性质试验可知,黏粒的增加可以改善砂性土的级配,并且所加黏粒含量为15%时,达到最佳效果。
(2)根据不同黏粒含量的剪切试验结果,在含水率不变的情况下,土体净固结压力越大,其剪切应力越大。本试验含黏粒砂性土的抗剪强度和净固结应力呈现出较好的线性关系,拟合度约为0.99。随着含水率的减小,抗剪强度逐渐增大,且其中内摩擦角的增大较平缓,黏聚力的增大较明显。而当砂性土的黏粒含量为15%时,随着含水率的减小,其抗剪强度呈现出先增大后减小的现象,峰值所对应的含水率为10%。
(3)从抗剪强度及指标随含水率变化的机理分析,含黏粒砂性土的抗剪强度受到土体颗粒间弯月形水的数量、其面积大小和含水率大小三方面的影响。随着含水率的减小,形成弯月形水的数量达到最多,压力差的作用面积也达到最大,当含水率继续减小,弯月形水逐渐收缩并最终崩解,弯月形水的数量随之减少,压力差的作用面积也减小。在含水率、弯月形水的数量及其作用面积三个因素的综合影响下,含黏粒15%的砂性土的抗剪强度呈现出“峰值效应”。条件下比在高含量的条件下对渗透系数的影响要大。
[1]文宝萍,胡艳青.颗粒级配对非饱和粘性土基质吸力的影响规律[J].水文地质工程地质,2008,(6):50~55.
[2]蒲彦.影响砂土抗剪强度的主要因素[J].低温建筑技术,2010,145(7):54~56.
[3] 朱现磊,申文敏,姜振飞等.深基坑桩锚联合支护系统数值分析与监测[J].工程勘察,2019,47(3):62~66.
[4] 姚攀峰.再论非饱和土的抗剪强度[J].岩土力学,2009,30(8):2315~2318.
[5] 苏立君,张宜健,王铁行.不同粒径级砂土渗透特性试验研究[J].岩土力学,2014,35(5):1289~1294.