含黏風積沙的抗剪強度特性試驗研究

張龍菊 黎 亮 孫艷玲 王新剛，2*

（1塔里木大學水利與建筑工程學院，新疆阿拉爾 843300）（2浙江大學建筑工程學院，浙江杭州 310058）

塔克拉瑪干沙漠位于塔里木盆地中央，面積約33.7萬km2。由于該地區(qū)缺乏優(yōu)質的筑路材料，風積沙被作為主要的路基填料，然而風積沙具有顆粒松散、級配不良，保水性差等特點，在大量用于路基填料之前要深入研究其路用性能。

李曉芳［1］對不同含泥量、不同粒徑級配下的風積沙進行了直剪試驗，研究結果表明抗剪強度和內摩擦角都隨含泥量增加出現先增大后減小的現象。王毅等［2］結合甘肅營雙高速公路，對路基填筑材料風積沙進行了直接剪切試驗和三軸不固結不排水試驗，結果表明，內摩擦角隨風積沙的干密度增加而增大，三軸試驗測得的內摩擦角比直剪試驗所得內摩擦角要小一點。付兵先［3］通過不同含黏量條件下風積沙的直剪試驗得出，含泥量、含水量、干密度都是影響風積沙抗剪強度的重要因素。陳忠達等［4］以塔克拉瑪干沙漠公路為依托，對不同壓實方式下的沙基回彈模量進行測定，表明振動壓實處的回彈模量明顯高于靜力壓實處的回彈模量，挖方路段大于填方路段，通車運行后回彈模量增大。張生輝等［5］對不同含水量、不同干密度的風積沙回彈模量進行測定，表明風積沙應力與回彈變形之間基本上呈直線關系，風積沙為彈性體，并且在含水量相同時，回彈模量隨干密度增加而增大。王文娟［6］結合工程施工實例，研究了風積沙在干燥狀態(tài)壓實施工工藝，在壓實機械、虛鋪厚度、碾壓遍數及機械行走速率等方面對風積沙干壓提出了施工建議。平栓玲［7］結合巴新鐵路風積沙路基的工程實際，提出了風積沙注水碾壓法的路基施工工藝要點。通過試驗段風積沙路基的相對密度Dr和壓實指標K30，提出了最佳壓實時的機械組合形式和風積沙最佳的虛鋪厚度。柯誠等［8］采用室內擊實試驗和CBR試驗，研究了風積沙的擊實特性與強度特性，并結合工程實例，采用干壓法對現場風積沙進行碾壓，論述了風積沙碾壓的特殊性，總結了風積沙干壓的施工工藝流程。

由上述可知，在風積沙的路用性能研究方面取得了一定的成就，但對塔克拉瑪干沙漠腹地及邊緣風積沙的路用性能研究還不夠深入。為了探討該沙漠風積沙的剪切強度特性，本文在前人研究成果的基礎上，通過大量的直接剪切試驗，系統(tǒng)地研究初始干密度、含水量和含泥量對風積沙剪切強度特性的影響規(guī)律和作用機理。研究結果對沙漠地區(qū)風積沙路基的設計、施工及正常運營都具有很大的參考價值和指導意義。

1 風積沙剪切試驗

1.1 取樣

根據隨機抽樣方法，在塔克拉瑪干沙漠腹地及邊緣取得風積沙試樣。風積沙顆粒分析結果見表1。

從顆粒分析試驗結果可以看出，其粒徑主要分布在0.075～0.15 mm之間，質量百分比高達92%以上；大于0.15 mm的顆粒比較少，為6.3%；而小于0.075 mm的顆粒也只有1.6%；由此表明，風積沙的顆粒組成很細且均勻，級配不良。

表1 風積沙顆粒分析結果

1.2 試驗儀器

（1）ZJ型應變控制式直剪切儀：在不同的垂直壓力下，對土樣進行剪切，檢測土的剪應力和剪應變的關系，再根據庫侖定律，確定土的內摩擦角和粘聚力。

（2）標準擊實儀：由擊實筒和擊實錘組成。

（3）環(huán)刀：內徑61.8 mm，高20 mm。

（4）透水石：61 mm和63 mm

（5）其他儀器：電子天平、推土器、鋁盒、拌土盆、烘箱等。

1.3 試驗方案

本文設計正交直剪試驗，針對南疆塔克拉瑪干沙漠邊緣風積沙的地質條件，試驗共制備6種含水率、4種不同干密度試樣，4種不同含泥量的試樣，每組試樣做3次相同試驗條件下的直剪試驗，最后結果取平均值，對數據進行分析和對比。通過不同含水率，不同含泥量及不同干密度等狀態(tài)下的風積沙直剪試驗，揭示抗剪強度與含水率、干密度及含泥量之間的關系。

2 試驗結果及分析

2.1 干密度對抗剪強度的影響

為研究干密度對抗剪強度的影響，在干燥狀態(tài)下，對4種不同干密度的風積沙試樣進行了直接剪切試驗，試驗結果見表2。

根據表2的試驗結果，對風積沙直剪試驗的數據進行統(tǒng)計分析，得到試樣的抗剪強度指標粘聚力c和內摩擦角φ值，并繪制其抗剪強度、c和φ與干密度的關系曲線，見圖1、圖2和圖3。

表2 不同干密度的風積沙直接剪切試驗結果(干沙)

由圖1可以看出，隨著豎向壓力的增大，各種干密度的風積沙試樣的抗剪強度明顯增大，在同一級豎向壓力下，各種干密度試樣的抗剪強度沒有明顯變化，符合庫侖強度理論。

由圖2和圖3可以看出，試樣的抗剪強度指標c和φ值都隨干密度的增大而增大。

出現上述現象的原因是：在含水率，含泥量一定的情況下，干密度越大，風積沙的密實度越大，土顆粒間的摩擦強度、咬合力就越大，在剪切強度特性上就會出現剪切強度增大、內摩擦角和粘聚力增加，反之，則隨之減小。

圖1 抗剪強度—干密度關系曲線

圖2 粘聚力—干密度關系曲線

圖3 內摩擦角—干密度關系曲線

2.2 含水率對抗剪強度的影響

為研究風積沙的含水率對其抗剪強度的影響，對6種不同含水率的風積沙試樣進行了直接剪切試驗，試驗結果剪表3。

根據表3的試驗結果，對風積沙直剪試驗的數據進行統(tǒng)計分析，得到試樣的抗剪強度指標c和φ值，并繪制其抗剪強度、c和φ與含水率的關系曲線，見圖4、圖5和圖6。

表3 不同含水率試樣的直接剪切試驗結果

圖4 抗剪強度—含水率關系曲線

圖5 粘聚力—含水率關系曲線

圖6 內摩擦角—含水率關系曲線

由圖4可知，同一干密度條件下，隨含水率增加，其抗剪強度呈現先增大后減小的趨勢，在每一級豎向壓力下，當含水率約為9%時，抗剪強度達到最大值，說明此時風積沙抵抗剪切破壞的能力最大，所以在風積沙地基工程施工中其含水率不能過大或過小，有一個最優(yōu)含水率。

由圖5和圖6可以看出，粘聚力c隨含水率的增加而增加，曲線起伏較大；內摩擦角φ則隨含水率的增加而減小，但曲線比較平緩，變化不太明顯。

這主要是因為在干密度、含泥量等條件一定的情況下，在含水率不大時，隨含水率增加，風積沙顆粒間的結合水膜厚度增加，顆粒間的聯結力增加；當含水量增加到一定程度時，顆粒間結合水膜過大，顆粒間的聯結力則下降。由于水的潤滑作用，顆粒間的摩擦一直雖含水率增大而減小。所以在剪切強度特性上風積沙表現出：隨含水量增加，抗剪強度和粘聚力都呈現出先增大后減小的趨勢，內摩擦角則一直減小。

2.3 含泥量對抗剪強度的影響

為研究風積沙的含泥量對其抗剪強度的影響，對4種不同含泥量的風積沙試樣進行了直接剪切試驗，試驗結果見表4。

根據表4的試驗結果，對風積沙直剪試驗的數據進行統(tǒng)計分析，得到試樣的抗剪強度指標c和φ值，并繪制其剪切強度、c和φ與含泥量的關系曲線，見圖7、圖8和圖9。

表4 不同含黏量試樣的直接剪切試驗結果

圖7 抗剪強度—含泥量關系曲線

圖8 粘聚力—含泥量關系曲線

圖9 內摩擦角—含泥量關系曲線

由圖7可知，在每一級豎向壓力下，風積沙的抗剪強度都隨含泥量的增加而增加，豎向壓力越大，抗剪強度增加趨勢越明顯。

由圖8和圖9可以看出，隨含泥量的增加，風積沙的粘聚力C明顯增大，而內摩擦角φ則呈下降趨勢。

這主要是因為在干密度和含水率一定的情況下，含泥量增加，風積沙顆粒間的聯結力明顯增加，而顆粒間的摩擦僅有一定量的減小，所以就導致了風積沙抗剪強度和粘聚力明顯增加，而其摩擦角減小的現象。

3 結論

通過塔克拉瑪干邊緣含黏風積沙在4種不同干密度、4種不同含泥量和6種不同含水率條件下的直接剪切試驗，并對試驗結果進行分析對比，得出以下幾個結論：

1）含黏風積沙的抗剪強度特性與干密度、含水率和含泥量具有很大的相關性，但各影響因素作用機理和影響規(guī)律不盡相同；

2）隨干密度增加，含黏風積沙的抗剪強度增加，近似呈直線變化；粘聚力C和內摩擦角φ隨干密度增加也都呈現增加趨勢，但變化曲線有很大不同：粘聚力與干密度呈先緩后陡的下凸關系曲線，當干密度小于1.55 g/cm3時，粘聚力增加速率緩慢，當干密度大于1.55 g/cm3時，粘聚力急劇增加；而內摩擦角與干密度呈先陡后緩的上凸關系曲線，當干密度小于1.60 g/cm3時，內摩擦角急劇增加，當干密度大于1.60 g/cm3時，內摩擦角增加趨勢趨于平緩。

3）隨含水率增加，含黏風積沙的抗剪強度和粘聚力先增大后減小：當含水率小于9%時，隨含水率增加而增加，當含水率為9%時，抗剪強度和粘聚力都達到最大值，分別為80 kPa和11.5 kPa，當含水率大于9%時，隨含水率增加而減小；而內摩擦角隨含水率增加而減小，當含水率小于5%時變化比較劇烈，含水率大于5%時，變化趨勢比較平緩。

4）隨含泥量增加，風積沙的抗剪強度近似呈平緩的直線增加；粘聚力隨含泥量增加呈上凸曲線增加，當含泥量小于20%時，粘聚力隨含泥量增加急劇增加，當含泥量大于20%時，增加趨勢平緩；而內摩擦角隨含泥量的增加而減小，近似呈平緩的直線變化。