含水率對靈敏性非飽和重塑粉土強(qiáng)度的影響

聶磊鑫+吳霞+彭秀生

摘 要：黃河中、下游區(qū)域粉土地層普遍存在，有些地區(qū)粉土靈敏度較高，其力學(xué)特征受含水率影響比較突出。為了盡量減少基坑工程事故，提高工程安全性，本項目開展不同含水率條件下靈敏性粉土強(qiáng)度試驗(yàn)，探討含水率對靈敏性粉土強(qiáng)度的影響規(guī)律，積累試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析成果的同時，以期為基坑土壓力時變性、粉土與地下結(jié)構(gòu)物界面剪切特性等方面的研究打下基礎(chǔ)。研究成果可為不同含水率條件下靈敏性非飽和粉土強(qiáng)度試驗(yàn)與分析提供借鑒，為工程實(shí)踐提供參考，對于提高基坑工程以及整個建筑工程的安全性很有價值。

關(guān)鍵詞：非飽和重塑粉土；含水率；三軸試驗(yàn)；抗剪強(qiáng)度

引言：

《土力學(xué)》[1]規(guī)定：塑性指數(shù)且粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過全重的50%的土，稱之為粉土。這類土既不具有砂土透水性大、容易排水固結(jié)、抗剪強(qiáng)度較高的優(yōu)點(diǎn)，又不具有粘性土防水性能好、不容易被水沖蝕流失、具有較大粘聚力的優(yōu)點(diǎn)。在許多工程問題上，表現(xiàn)出較差的工程性質(zhì)。本項目在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)的粉土是取自工地的，工地取來的粉土未經(jīng)擾動的情況下，密度、含水率以及其它一些物理性質(zhì)都是固定的，但是往往室內(nèi)試驗(yàn)要改變原狀土的一些物理性質(zhì)指標(biāo)如，含水率、干密度，這就需要實(shí)驗(yàn)人員把現(xiàn)場取來的整塊的粉土打碎后烘干再加水配成所要的含水率后，再進(jìn)行試驗(yàn)，這時相對于原狀土來說，土的自身固有結(jié)構(gòu)狀態(tài)已經(jīng)被人為破壞，因此相對于原狀土，我們做了不同含水率下重塑粉土的強(qiáng)度試驗(yàn)及研究如下。

一、試驗(yàn)方案[2]-[5]

本試驗(yàn)用土取自鄭州市慶元廣場基坑工程，取土深度6.5m，按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》分類方法，試驗(yàn)用土為砂質(zhì)粉土，天然含水率15.6%，天然干密度1.65。

重塑土樣制備：將原狀粉土碾碎后過1mm篩，制作重塑土樣。三軸試驗(yàn)所需土樣為直徑39.1mm、高度80mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，重塑土樣使用擊實(shí)器壓制而成，重塑土樣干密度與原狀土相同。試樣制備方法如下：首先，在試樣對開模中分5至8層擊實(shí)，使每層質(zhì)量大致相同，每裝一層用擊錘在一定高度做自由落體運(yùn)動，共10次，以使其壓密；然后，把接觸面輕微刮擦一下，使每兩層接觸緊密，以免造成裝樣分層現(xiàn)象，制成直徑為39. 1 mm、高度為80. 0mm的試樣。并準(zhǔn)確測量試樣的高度、直徑及質(zhì)量，并將質(zhì)量和尺寸誤差不滿足要求的土樣剔除報廢，并重做，直至滿足要求。

自然風(fēng)干法制備不同含水率的重塑土樣：采用自然風(fēng)干方法，不時稱重穩(wěn)定質(zhì)量，然后將其放入保濕缸中養(yǎng)護(hù)2～3天，待試樣內(nèi)部水分均勻后即可用于試驗(yàn)。使用此法時切忌使試樣暴曬，以避免試樣出現(xiàn)裂紋而破壞試樣的原狀結(jié)構(gòu)。從而得到含水率為9%、13%、15%、17%、19%、21%、25.2%（飽和含水率）七組土樣，每組土樣4個，其中3個用于三軸試驗(yàn)，1個用于測量土的含水率。

二、試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)處理與分析

（1）圍壓對粉土試樣強(qiáng)度的影響

以初始制樣含水率9%、13%、15%、17%、19%、21%、25.2%（飽和含水率）七組重塑粉土試樣為例，繪制不同圍壓（50 kPa，100 kPa和200 kPa）下重塑粉土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，隨著圍壓增大，主應(yīng)力差的峰值隨之增大，主應(yīng)力差相同時相應(yīng)的應(yīng)變越小；隨著圍壓的增大，主應(yīng)力差的峰值對應(yīng)的應(yīng)變隨之增大。

（2）含水率對重塑粉土力學(xué)強(qiáng)度的影響

圖2-2和圖2-3分別是重塑粉土的黏聚力和內(nèi)摩擦角與其含水率變化關(guān)系曲線，從圖中可以看出，重塑粉土的粘聚力和內(nèi)摩擦角都呈下降趨勢。由以上兩圖分析：含水率由9%增加到25.2%，其c值由60.84 kPa下降到7.82 kPa，強(qiáng)度下降了87.15%；而其Φ值由37.19°降低到28.82°，只降低了22.51%。可見含水率的變化對粘聚力的影響更明顯一些。

結(jié)論：

（1）通過對本實(shí)驗(yàn)結(jié)果的研究分析，得出重塑粉土強(qiáng)度隨含水率的變化規(guī)律。對于含水率相同的試樣來說，其抗剪強(qiáng)度隨著圍壓的增大而顯著增大。試樣的抗剪強(qiáng)度隨著含水率的上升而下降，粘聚力相對內(nèi)摩擦角下降更為明顯。

（2）粉土的應(yīng)力應(yīng)變表現(xiàn)為弱應(yīng)變軟化型，粉土破壞后仍有較大的強(qiáng)度。

（3）對于制備不同含水率的土樣仍需很多的相關(guān)實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新，具有挑戰(zhàn)性。

（4）粉土與含水率的關(guān)系是十分復(fù)雜的，本文只是分析了重塑粉土與含水率的關(guān)系，未與原狀土之間的比較分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉忠玉. 土力學(xué) [M]. 中國電力出版社，2007；138-142.

[2]羅軍，王桂堯，匡波. 含水量對粉土強(qiáng)度影響的研究 [J]. 路基工程，2010.

[3]羅小龍. 含水率對粘性土體力學(xué)強(qiáng)度的影響[J]. 贛州地質(zhì)工程勘察院.

[4]宋丹青，張洪瑞，馮興波. 飽和粉土變形特性三軸試驗(yàn)[J]. 河南科技大學(xué)學(xué)報，2017.

作者簡介：

聶磊鑫，（1995.11.10-）男，漢族，河南省商丘市人，鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，專業(yè)：土木工程；

吳霞，（1996.8.21-）女，漢族，四川省西昌市人，鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，專業(yè)：土木工程；

彭秀生，（1997.3.12-）男，漢族，江西省萍鄉(xiāng)市人，鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，專業(yè)：土木工程。