含水率和干密度對(duì)砂壤土抗剪強(qiáng)度的影響

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(華北水利水電大學(xué)，河南鄭州450045)

砂壤土是水利行業(yè)采用三角坐標(biāo)定名細(xì)粒土的其中一種土類。作為黃河大堤堤身的填筑土，在運(yùn)行期堤身長(zhǎng)期位于地下水位以上，土體屬于非飽和土，受到降雨影響時(shí)，土體含水率增加、強(qiáng)度降低，引起堤身頂部塌陷滑動(dòng)、土體流失、斷面減少，最終導(dǎo)致大堤決口[1-3]。因此，研究含水率和干密度對(duì)黃河大堤堤身土體抗剪強(qiáng)度的影響特性，對(duì)保障黃河大堤安全性具有重要的實(shí)際意義。多數(shù)學(xué)者的研究主要集中于含水率或干密度對(duì)黃土、殘積土及黏土強(qiáng)度特性的影響研究，如李永樂(lè)等[4]采用改進(jìn)的非飽和土三軸儀，研究了不同含水率條件下的非飽和土抗剪強(qiáng)度特性。薛振聲等[5]采用不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)，研究了含水率對(duì)粉質(zhì)黏土強(qiáng)度的影響。王闖等[5]對(duì)三峽庫(kù)區(qū)某邊坡殘坡積土進(jìn)行不同含水率下的直剪試驗(yàn)，研究了含水率對(duì)其剪應(yīng)力、位移以及強(qiáng)度的影響規(guī)律。張寧寧等[7]采用TS-526真三軸儀改造的平面應(yīng)變儀,研究了非飽和黃土的變形和強(qiáng)度隨著含水率的變化情況。劉星志等[8]通過(guò)GEO-Experts 壓力板儀試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，研究了不同干密度下非飽和紅土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨含水率、基質(zhì)吸力的變化特性。

僅少數(shù)學(xué)者[9-15]同時(shí)從含水率和干密度著手，研究了巖溶地區(qū)黃壤、固化黃土、紅黏土、殘積土等抗剪強(qiáng)度隨含水率和干密度的變化規(guī)律，分別得出了相應(yīng)的量化關(guān)系式。黃河堤防鄄城段作為堤身主要填筑材料的砂壤土，應(yīng)具有良好的抗變形能力和抗?jié)B透能力，以確保堤身能夠長(zhǎng)期處于穩(wěn)定狀態(tài)，這就需要深入地分析含水率和干密度對(duì)砂壤土抗剪強(qiáng)度的影響。筆者以山東黃河堤防鄄城縣右岸某一堤段所取的砂壤土原狀樣為依托，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)及理論分析，研究含水率和干密度對(duì)砂壤土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響規(guī)律。研究成果可為預(yù)測(cè)黃河下游堤防的穩(wěn)定性提供參考依據(jù)，同時(shí)對(duì)確保大堤的安全性具有實(shí)際意義。

1 試樣的制備及方法選取

1.1 土樣的選取及制備

試驗(yàn)用土取自山東黃河堤防鄄城縣右岸272—278堤段臨河堤肩，通過(guò)鉆孔取自不同深度的原狀樣。試驗(yàn)所用的試樣是通過(guò)人工切削原狀土樣制成的，其標(biāo)準(zhǔn)試樣的尺寸為39.1 mm×80 mm。取60組原狀土樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，測(cè)得原狀土樣基本物理指標(biāo)見(jiàn)表1。其中，土體顆粒粒度成分中粉粒占81.2%,黏粒占8.8%,砂粒占10%，由三角坐標(biāo)分類知堤身填土屬于重粉質(zhì)砂壤土。

表1 原狀土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方案選取

本次試驗(yàn)采用KTG全自動(dòng)三軸壓縮儀進(jìn)行固結(jié)不排水剪(CU)試驗(yàn)。由擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)得砂壤土的最優(yōu)含水率ωop=16.5%，試驗(yàn)中采用固結(jié)快剪法，剪切速率為0.3%/min ,剪切歷時(shí)約為66 min，設(shè)置三級(jí)圍壓：軸向應(yīng)變達(dá)到10%時(shí)，一級(jí)圍壓取50 kPa；軸向應(yīng)變達(dá)到6%時(shí)，二級(jí)圍壓取200、300 kPa；軸向應(yīng)變達(dá)到4%時(shí)，三級(jí)圍壓取400、800 kPa。試驗(yàn)過(guò)程中確保最后一級(jí)圍壓作用下的剪切累計(jì)應(yīng)變量不超過(guò)20%。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度變化的影響

選取室內(nèi)土工試驗(yàn)的60組三軸試驗(yàn)成果，統(tǒng)計(jì)分析得到山東黃河堤防鄄城縣局右岸堤段原狀砂壤土含水率的變化對(duì)黏聚力、內(nèi)摩擦角的影響規(guī)律，見(jiàn)圖1、2。

圖1 含水率對(duì)黏聚力的影響

圖2 含水率對(duì)內(nèi)摩擦角的影響

由圖1可知，含水率和黏聚力呈三次函數(shù)關(guān)系，見(jiàn)式(1)，且表現(xiàn)出很好的相關(guān)性。當(dāng)含水率在16.5%附近時(shí)，黏聚力達(dá)到最大值，含水率大于最優(yōu)含水率16.5%后，黏聚力開(kāi)始有下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著含水率增加到一定值后，土中自由水逐漸增多使得彎液面逐漸消失，毛細(xì)水壓力減少，此時(shí)自由水的大量存在也削弱了土顆粒之間的相互吸引力，表現(xiàn)為基質(zhì)吸力的降低，最終導(dǎo)致黏聚力的減小。

C=0.0096ω3-0.7593ω2+17.591ω-88.58

(1)

由圖2可知，含水率和內(nèi)摩擦角同樣也呈三次函數(shù)關(guān)系，見(jiàn)式(2)，且表現(xiàn)出較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2=0.801 5。隨含水率的增大內(nèi)摩擦角減小，含水率和內(nèi)摩擦角表現(xiàn)出非線性關(guān)系，當(dāng)含水率較大時(shí)內(nèi)摩擦角值明顯減小。其原因是土顆粒周圍的結(jié)合水存在。含水率增大，弱結(jié)合水水膜增厚，結(jié)合水的抗剪阻力減小，顆粒之間相互移動(dòng)需要克服的粒間阻力必然也會(huì)減小，內(nèi)摩擦角減小，含水率繼續(xù)增大，離土顆粒較遠(yuǎn)的水越來(lái)越接近液態(tài)水直到變成自由水，潤(rùn)滑作用增強(qiáng)，土顆?？梢宰杂梢苿?dòng)，因此，土體的內(nèi)摩擦角會(huì)隨含水率的增大逐漸減小。

φ=-0.0014ω3+0.1098ω2-3.285ω+54.08

(2)

圖3為最優(yōu)含水率16.5%下不同圍壓的(σ1-σ3)～ε1關(guān)系曲線。由圖3可知，(σ1-σ3)～ε1關(guān)系曲線呈現(xiàn)應(yīng)變硬化趨勢(shì)，且應(yīng)變硬化程度隨圍壓的增加而越明顯，同時(shí)圍壓越大，變形模量越大，試樣在破壞時(shí)相應(yīng)的塑性變形也會(huì)越大；試樣在剪切過(guò)程中主應(yīng)力差(σ1-σ3)隨圍壓σ3的增加而明顯增大，這說(shuō)明最優(yōu)含水率狀態(tài)下圍壓的增加可以增強(qiáng)土體抵抗剪切破壞的能力。

圖3 最優(yōu)含水率下不同圍壓的(σ1-σ3)～ε1關(guān)系曲線

2.2 抗剪強(qiáng)度隨干密度的變化

同樣選取室內(nèi)土工試驗(yàn)的60組三軸試驗(yàn)結(jié)果來(lái)統(tǒng)計(jì)分析砂壤土干密度的變化對(duì)黏聚力、內(nèi)摩擦角的影響規(guī)律，見(jiàn)圖4、5。

由圖4可知，干密度的增大使得土樣孔隙比減小，有利于土顆粒之間黏結(jié)力、分子力和吸引力的增加，同時(shí)土顆粒的排布越密，土顆粒之間的咬合力和摩擦力越大，即土樣干密度越大，黏聚力越大。

由圖5可知，砂壤土的內(nèi)摩擦角隨著干密度的增大而增大，但增大的速度要遠(yuǎn)比黏聚力相對(duì)干密度增大的速度小。其原因是當(dāng)試樣干密度較小時(shí)，土顆粒之間的孔隙比較大，土體內(nèi)部孔隙的增多為土顆粒提供了大量的移動(dòng)空間，使土顆粒在移動(dòng)時(shí)所受到的摩擦阻力較小，即內(nèi)摩擦角增大幅度較小，當(dāng)試樣干密度增大時(shí)，土顆粒間的孔隙比減小，土體變密，摩擦強(qiáng)度增大，內(nèi)摩擦角增加；同時(shí)砂壤土的土顆粒屬于細(xì)粒，呈圓球形狀，摩擦強(qiáng)度本身并不大，因此干密度的增大對(duì)試樣內(nèi)摩擦角影響也相對(duì)較小。

圖4 干密度對(duì)黏聚力的影響

圖5 干密度對(duì)內(nèi)摩擦角的影響

圖6為最大干密度1.70 g/cm-3下不同圍壓的(σ1-σ3)～ε1關(guān)系曲線。由該曲線可知，三級(jí)周圍壓力作用下均呈現(xiàn)應(yīng)變硬化趨勢(shì)：其中，第一級(jí)圍壓、第三級(jí)圍壓試樣破壞形式為強(qiáng)硬化型，第二級(jí)圍壓試樣破壞形式為弱硬化型；隨圍壓的增大土體承受剪切破壞的能力有所提高，同時(shí)隨著剪切位移的增加，3種圍壓下試樣的剪應(yīng)力差值明顯增大，而且高圍壓對(duì)試樣剪應(yīng)力的影響較大。

圖6 最大干密度下不同圍壓的(σ1-σ3)～ε1關(guān)系曲線

3 結(jié)論

以山東黃河堤防鄄城縣右岸272—278堤段的原狀砂壤土樣為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行室內(nèi)三軸試驗(yàn)，研究含水率和干密度對(duì)砂壤土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響。

a) 最優(yōu)含水率作用下圍壓的增加可明顯提高土體的抗剪強(qiáng)度。

b) 最大干密度作用下，試樣在剪切過(guò)程中的主應(yīng)力差(σ1-σ3)隨圍壓σ3的增加而明顯增大，表明圍壓的增加可以增強(qiáng)土體抵抗剪切破壞的能力。

c) 砂壤土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)——黏聚力、內(nèi)摩擦角分別與含水率呈三次函數(shù)關(guān)系，都表現(xiàn)出隨著含水率的增大先增后減的變化趨勢(shì)，其中，最優(yōu)含水率附近黏聚力達(dá)到最大值，含水率對(duì)內(nèi)摩擦角的影響相對(duì)于黏聚力較小。

d) 砂壤土的干密度與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)間呈線性函數(shù)關(guān)系，干密度越大，黏聚力和內(nèi)摩擦角越大；同樣地，干密度對(duì)內(nèi)摩擦角的影響要小于對(duì)黏聚力的影響。