黏土-砂混合物力學特性試驗研究

(揚州大學建筑科學與工程學院 江蘇 揚州 225127)

引言

目前，國內外學者對純黏土的滲透性研究較多，而對黏土-砂混合物的滲透性研究較少。Taylor等[1]學者通過滲透試驗，得到重塑黏土的滲透系數k的對數值與孔隙比e呈線性關系；Nagaraj等[2]學者通過對含水率在液限附近的飽和重塑黏土的研究，確立了e/eL與滲透系數間的線性關系；Achari等[3]學者在先前試驗的基礎上進一步提高了滲透系數的預測精度。

國內學者費康[4]對摻入鋼珠的黏土試樣和摻細礫石黏土試樣進行了計算機斷層掃描，發現粒間孔隙數量和體積隨著粗骨料含量的增加而增大。隨粗骨料含量的增加，混合物的壓縮性先提高后降低。在不排水加荷下，高壓縮性試樣的孔隙水壓力較大，抗剪強度較小。隨著粗骨料含量的增加，混合土的內摩擦角逐漸增大。

現有研究主要探討了含砂量對黏土-砂混合物滲透性[4-7]的影響，吳子龍等[8]學者研究了純黏土與砂黏土混合物在滲透特性上的差異性。他們研究發現，黏土-砂混合物滲透系數的對數值與孔隙比之間呈現非線性關系，這與純黏土的滲透特性不一致，見圖1。

圖1 孔隙比e與滲透系數k的關系曲線圖

圖2 不同含砂量e-lgp曲線圖

一、黏土-砂混合物壓縮/直剪試驗研究實驗方案

此次壓縮/直剪試驗所用的試樣共分為5組，分別為純黏土和含砂量為20%、40%、60%、80%的黏土-砂混合物。試驗時控制5組試樣的干密度和含水率不變(即試樣中黏土顆粒、砂顆粒總質量和水質量均為常量)，通過改變黏土和砂顆粒的相對含量，使得砂粒質量占砂、黏土總質量的百分比分別為0、20%、40%、60%、80%。在壓縮實驗中對試樣分級依次施加荷載25kPa、50kPa、100kPa、200kPa、400kPa、800kPa，當試樣在每一級荷載下固結穩定后再施加下一級荷載，最后根據試驗數據繪制e-lgp曲線圖，并且得到壓縮指數Cc。在直剪實驗中對試樣分別在100kPa、200kPa、300kPa、400kPa的垂直壓力下排水固結穩定，然后快速施加水平剪切力直至試樣剪壞。記錄下每一垂直壓力下試樣剪壞時的剪應力，即該垂直壓力下試樣的抗剪強度，從而得到抗剪強度指標。由含砂量不同的5組試樣繪制不同的抗剪強度與含砂量關系曲線圖，通過比較各組試樣的抗剪強度指標來分析含砂量對黏土-砂混合物的抗剪強度的影響。

二、黏土-砂混合物的壓縮性試驗研究

從試樣壓縮指數和含砂量的關系圖(圖2)中可以看出黏土-砂混合物的壓縮指數隨著含砂量的增加，先是逐漸增大，然后逐漸減小。含砂量在10%到30%之間(大約20%附近)時，壓縮指數出現峰值，即此時的混合土壓縮指數最大，壓縮性最高。當含砂量在40%到60%范圍內時，土的壓縮指數下降得比較緩慢，土的壓縮性變化不太明顯。當含砂量繼續增加時，土的壓縮指數下降速度加快，土的壓縮性變化較明顯。

對此可以用黏土顆粒與砂顆粒的排列組合方式來解釋：當含砂量較少時，土的壓縮性主要由黏土控制。砂顆粒在土中處于懸浮狀態，尚未形成砂骨架，并且砂顆粒周圍易存在孔隙，在荷載作用下比純黏土更易產生壓縮變形，從而使得土的壓縮指數隨著含砂量的增加而增大，即土的壓縮性逐漸增高。當含砂量在20%附近時，土中的砂骨架逐漸開始形成。繼續增加含砂量，土中的砂骨架作用越來越大，土的壓縮性由砂骨架控制，土的整體愈發密實，從而使得土的壓縮指數隨著含砂量的增加而減小，即土的壓縮性逐漸降低。按照規律推測，含砂量增加到100%，即純砂土時，壓縮性降到最低。

含砂量在10%到30%之間存在一臨界值。當含砂量小于該臨界值時，由于砂顆粒在黏土中處于懸浮狀態，未形成砂骨架，且砂顆粒周圍存在孔隙，在荷載作用下更易產生壓縮變形，土的壓縮指數隨著含砂量的增加而增大，達到峰值時壓縮指數約為純黏土時的1.1-1.2倍；當含砂量大于該臨界值時，土中砂骨架的作用逐漸體現，土的壓縮性逐漸由砂骨架控制，土的壓縮指數隨著含砂量的增加而減小，土的壓縮性逐漸降低，含砂量為80%時的壓縮指數大約只有峰值時的一半。

表1 含砂量與壓縮系數表

三、黏土-砂混合物的抗剪強度試驗研究

圖3 粘聚力和含砂量的關系曲線圖圖

圖4 內摩擦角和含砂量的關系曲線圖

從(圖3，圖4)中可以看出，混合土的粘聚力c隨含砂量的增加而減小；內摩擦角隨含砂量的增加而增大。具體來看，當含砂量在0-20%附近時，隨著含砂量的增加，粘聚力的下降幅度和內摩擦角的增長幅度均較小，曲線平緩；當含砂量在20%至60%范圍內時，幅度較大，曲線較陡；當含砂量超過60%后曲線又趨于平緩。

對此可以從混合物結構組合特征以及顆粒間作用的角度作出如下解釋：

當含砂量在0-20%內時，土中砂顆粒含量較低，未形成砂骨架，混合土以黏土顆粒為主。隨著含砂量增加，黏土、砂顆粒間的摩擦力增大，內摩擦角增大(增幅不大)，由于砂顆粒含量較低，混合土的粘聚力c基本無變化(稍有降低)，此時混合土的抗剪強度由黏土控制。

當含砂量在20%-60%內時，土中存在砂骨架作用，顆粒間的摩擦作用增強，內摩擦角增幅較大。由于砂顆粒含量的增加，使得黏土顆粒間的聯結力減小，即混合土的粘聚力明顯減小，故圖中該段粘聚力下降幅度較大，此時混合土的抗剪強度由黏土、砂顆粒共同承擔。

當含砂量高于60%后，土中黏土顆粒含量較低，砂顆粒含量較高，砂顆粒之間直接接觸且顆粒間孔隙較大，混合土的密實度較低，粘聚力逐漸降低到最小值。黏土顆粒間、黏土和砂顆粒間的摩擦力較低，混合土的內摩擦角基本不再增大，此時混合土的抗剪強度由砂顆粒控制。

四、結論

(一)不同含砂量下室內壓縮實驗

通過室內壓縮試驗，對五組含砂量不同的試樣土的壓縮指數進行分析，可以得到如下結論：

含砂量在10%到30%之間存在一臨界值。當含砂量小于該臨界值時，由于砂顆粒在黏土中處于懸浮狀態，未形成砂骨架，且砂顆粒周圍存在孔隙，在荷載作用下更易產生壓縮變形，土的壓縮指數隨著含砂量的增加而增大，達到峰值時壓縮指數約為純黏土時的1.1-1.2倍；當含砂量大于該臨界值時，土中砂骨架的作用逐漸體現，土的壓縮性逐漸由砂骨架控制，土的壓縮指數隨著含砂量的增加而減小，土的壓縮性逐漸降低，含砂量為80%時的壓縮指數大約只有峰值時的一半。

(二)不同含砂量下室內直剪實驗

通過直剪試驗，得到了不同垂直壓力下抗剪強度與含砂量的關系以及粘聚力和內摩擦角與含砂量的關系，具體結論如下：

1)在較低的垂直壓力作用下，隨著含砂量的增加，混合土的抗剪強度先是逐漸增大，然后逐漸減小，界限含砂量在40%-60%之間；在較高的垂直壓力作用下，混合土的抗剪強度隨著含砂量的增加而逐漸增大，純黏土與80%含砂量混合土的抗剪強度相差20kPa左右，80%含砂量混合土比純黏土的抗剪強度提高了10%左右。

2)混合土的粘聚力c隨含砂量的增加而逐漸減小。開始降幅較小，當含砂量超過20%時，粘聚力下降的速度明顯加快，變化明顯，60%含砂量混合土的粘聚力只有純黏土粘聚力的10%左右，而當含砂量達到80%時，粘聚力c已基本喪失。

3)混合土的內摩擦角隨含砂量的增加而逐漸增大。開始增幅較小，當含砂量超過20%時，內摩擦角增大的速度明顯加快。當含砂量達到60%以后內摩擦角基本無變化，含砂量為80%時的內摩擦角比純黏土增加了3°左右。