砂—粘土抗剪強度的三軸試驗研究

馬東梅，梁　鴻，高明星

(內蒙古農業(yè)大學能源與交通工程學院，呼和浩特　010018)

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道路工程

砂—粘土抗剪強度的三軸試驗研究

馬東梅，梁鴻，高明星

(內蒙古農業(yè)大學能源與交通工程學院，呼和浩特010018)

摘要：通過室內不固結不排水的三軸壓縮試驗，在最佳含水率的條件下對不同剪切速率，不同砂土摻量的紅粘土進行研究。根據(jù)摩爾—庫侖破壞準則,運用“理正土工試驗軟件”繪制應力莫爾圓包絡線求其抗剪強度的兩大主要參數(shù)：內摩擦角Φ和粘聚力C。通過分析可得：紅粘土中砂土含量不變時，隨著剪切速率的增加，粘聚力C逐漸減小，內摩擦角Φ逐漸增大，抗剪強度呈增大趨勢；剪切速率一定時，紅粘土中隨著砂土含量的增加，粘聚力C逐漸減小，內摩擦角Φ逐漸增大，抗剪強度發(fā)生變化，在砂土與紅粘土質量比為3:1時抗剪強度達到最大值，為514.932 5 kPa。

關鍵詞：紅粘土；內摩擦角；粘聚力；剪切速率

1引言

土是巖石經(jīng)過化學和物理風化作用后的產物，而紅粘土是一種呈黃褐、棕紅、棕褐等顏色的高塑性土,主要分布在未開發(fā)的西南部和人口稠密、經(jīng)濟發(fā)達的南部地區(qū)。紅粘土具有干密度低，孔隙比大,含水量高，壓實性差，粘粒含量高,塑性指數(shù)大等特點,與砂土相比紅粘土擁有良好的收縮性和流變性，液限一般大于50。而砂性土具有良好的通透性，內摩擦力小，含水量合理范圍空間大,易壓實、壓實后水穩(wěn)性好、強度高等特點，是良好的含水層，作為建筑地基時更容易壓密，沉降量小。砂性土的天然密實程度是控制工程地質性質的主要因素，因此成為土方填料的重要來源之一。

紅粘土在自然狀態(tài)下有較好的工程力學性質，而抗剪強度是衡量其力學性質的一個重要指標，黏聚力和內摩擦角是說明粘土抗剪強度的兩大主要參數(shù)。國內一些學者對粘土抗剪強度的影響因素做了許多研究。如呂賓林等人通過三軸試驗和直剪試驗，研究了剪切速率對飽和黏土三軸不排水抗剪強度的影響，得出隨著剪切速率的增大，三軸固結不排水強度以及內摩擦角不斷增大；高美奔，陳國慶，薛德敏(2013)討論了紅粘土抗剪強度的指標(黏聚力C和內摩擦角Φ)和砂土摻量之間的關系，通過室內直剪試驗表明隨著摻沙量的增加，紅粘土的黏聚力先增加后減小，內摩擦角先逐漸增加然后逐漸減小；如則托合提·麥麥提敏等人通過同性質土樣進行直剪試驗與三軸壓縮試驗對比，得出內摩擦角Φ和黏聚力C相差較大，說明了兩者之間的差異；黃文勝(2011)通過室內直剪試驗,分析了土的抗剪強度與含水量及土的密度之間的關系，土的抗剪強度與土的物質成分以及結構特征等之間的關系；闞衛(wèi)明，劉愛民特別針對寧波粉質黏土做固結快剪試驗，得出隨著剪切速率的增加，內摩擦角不斷減小。對于剪切速率較敏感的粉質黏土在進行固結快剪試驗時，采用比較大的剪切速率為宜；畢慶濤、姜國萍、丁樹云研究了含水量對紅粘土抗剪強度的影響，通過室內直剪試驗分析發(fā)現(xiàn)紅粘土黏聚力C與含水量存在階梯狀的相關關系，而且，伴隨著含水量的增加，紅粘土的內摩擦角變化不明顯，呈微幅度波動狀態(tài)；符必昌等人研究了紅土化作用并探討了紅粘土的工程地質性質。

國外的Thomas研究了剪切速率對超固結黏土不排水強度的影響，并發(fā)現(xiàn)當剪切速率較小時，隨著固結比的增加，黏土不排水抗剪強度的速率敏感度逐漸降低；當應變速率>5%時，不排水強度的加荷速率的敏感度基本保持在9%左右；Blaek和Crony(1957),Williams(1957)等人和Aitehison(1967)將飽和土有效應力原理引進到非飽和土中,并且提出了非飽和土有效應力的概念,并且用其解答非飽和土的強度問題。

擬結合學者的研究，通過三軸壓縮試驗分析不同砂土摻量、不同剪切速率在不固結不排水條件下對紅粘土抗剪強度的影響。然后從黏聚力和內摩擦角兩個主要參數(shù)指標進行分析說明，得出相關的結論，以便在解決實際工程問題中起到重要的作用。

2試驗及結果分析

2.1試樣的制備與試驗方法

該試驗以呼和浩特地區(qū)粘性土為研究對象，土樣于呼和浩特市南二環(huán)施工路段路旁取土，土粒最大粒徑為2.0 cm，無礫石，暗紅色，略顯濕，可塑。向紅粘土中摻加的砂土從呼和浩特周邊獲取。依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40-2007)對試驗用粘土、砂土進行了基本特性分析得出，試驗紅粘土最大干密度1.815 g/cm3，最佳含水率為15.3%；試驗砂土最大干密度1.93 g/cm3，最佳含水率為11.9%。利用同樣的方法依次得到土體的最大干密度和最佳含含水率如表1。

表1　土體物理指標

按紅粘土與砂土質量比為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1和純粘土5種配比以及剪切速率為4.500 0 mm/min、2.000 0 mm/min、1.500 0 mm/min、0.900 0 mm/min、0.400 0 mm/min的條件下進行試驗。每一種土樣可制作15個試件，試件的直徑和高度均相同，直徑為4.0 cm,高為8.1 cm。分別采用50 kPa、100 kPa、150 kPa的圍壓進行三軸試驗。

為了提高試驗的精準度，制作試件前至少提前12 h進行悶料。三軸試驗的操作步驟嚴格按照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40—2007)進行。

2.2試驗數(shù)據(jù)處理及分析

根據(jù)摩爾—庫侖破壞準則，和最小二乘法原理對試驗過程中記錄的數(shù)據(jù)進行處理。運用“理正土工試驗軟件”繪制應力莫爾圓，求出抗剪強度的兩大參數(shù)：黏聚力C和內摩擦角Φ。統(tǒng)計結果如表2所示。

表2　c、φ值統(tǒng)計表

通過整理數(shù)據(jù)分析摻砂土量和剪切速率與黏聚力C和內摩擦角Φ的變化規(guī)律,以及砂土含量、剪切速率與抗剪強度的關系。

(1)砂土摻量與黏聚力C的關系

從圖1可以看出，紅粘土的三軸不固結不排水試驗，在剪切速率為0.400 0~4.500 0 mm/min的范圍隨著砂土摻量的增加，紅粘土的黏聚力逐漸減小。由此可得，當剪切速率不變時，在砂土含量為0~50%的區(qū)間內，由于砂土不具有粘著性，所以隨著砂土摻量的增加，紅粘土的粘著性逐漸減小，粒團間的膠結作用降低，因此紅粘土的黏聚力C隨著砂土摻量的增加，呈下降規(guī)律。

圖1　砂土摻量與黏聚力C關系曲線圖

(2) 砂土摻量與內摩擦角Φ的關系

由圖2可以看出，在剪切速率為0.400 0~4.500 0 mm/min的范圍內，隨著砂土摻量的增加，內摩擦角Φ逐漸增大，基本呈直線上升趨勢。由此可得，紅粘土三軸不固結不排水試驗，當剪切速率不變時，在砂土含量為0~50%的區(qū)間內，隨著砂土含量的增加，土體顆粒間的相互咬合作用增強，相互移動能力減弱，所以隨著砂土摻量的增加，土體的內摩擦角Φ呈增大趨勢。

圖2　砂土摻量與內摩擦角關系曲線圖

(3)剪切速率與黏聚力C的關系

由圖3可以看出，在紅粘土三軸不固結不排水試驗中，當砂土含量一定時，在剪切速率為0.400 0~4.500 0 mm/min的區(qū)間內，隨著剪切速率的增加，黏聚力C逐漸減小，整體呈下降趨勢。

圖3　剪切速率與黏聚力關系曲線圖

(4)剪切速率與內摩擦角Φ關系

由圖4可知：紅粘土三軸不固結不排水試驗。

當砂土的含量一定時，在剪切速率為:0.400 0~4.500 0 mm/min的區(qū)間內，隨著剪切速率的增加，內摩擦角Φ逐漸增大，直線呈上升趨勢。由于剪切速率較快，剪切破壞迅速，粒與粒組重新組合，增強顆粒間的咬合作用，所以在剪切速率為1.500 0~4.500 0 mm/min時，內摩擦角增加較快，呈直線上升。

(5)砂土摻量與抗剪強度的關系

基于前面分析得出的內摩擦角和黏聚力與剪切速率的關系曲線圖，根據(jù)最小二乘法原理，將內摩擦角Φ和黏聚力C與砂土含量x的關系擬合為多項式函數(shù)，對數(shù)函數(shù)以及一次函數(shù),如表3所示。

圖4　剪切速率與內摩擦角關系曲線圖

擬合函數(shù)砂土含量/%C/kPa相關系數(shù)(R2)Φ/°相關系數(shù)(R2)0.00-1.5200x1+43.7800.99470.0857x12+1.6743x1+23.8800.991720.00-0.2071x22-0.1071x2+35.3400.9799-0.1214x22+1.8986x2+24.5600.994825.00-1.1500x3+29.5300.9747-0.0643x32+1.5957x3+25.6200.994833.33-0.1643x42-0.3243x4+20.3800.99542.9194ln(x4)+26.1250.985750.00-0.4143x52+0.7057x5+13.2000.99580.0500x52+0.8500x5+28.5200.9904

根據(jù)已擬合的函數(shù)關系式，求一階導數(shù)，得出x的值，然后分別代入公式τ=σtanΦ+C中，求得抗剪強度τ值，如表4。

表4　τ值統(tǒng)計表

根據(jù)表4數(shù)據(jù)分析，得出砂土摻量與抗剪強度的關系曲線圖，如圖5。

圖5　砂土摻量與抗剪強度的關系曲線圖

根據(jù)圖5可知，隨著砂土摻量的增加，抗剪強度波動變化；當砂土摻量為20%時，紅粘土抗剪強度微幅減小，但是砂土摻量為25%時，紅粘土的抗剪強度增加；當砂土摻量為25%~50%時，紅粘土的抗剪強度迅速減小，在該區(qū)間內，由于砂土摻量逐漸增大，紅粘土的粘粒減少,所以抵抗剪切破壞的承載能力減小,但在計算極值過程中垂直應力采用了實際工程中的應力700 kPa,有可能遠遠大于試樣的承載能力，所以造成在計算過程中出現(xiàn)無解和負值的現(xiàn)象。基于分析可知，砂土摻量為25%時，抗剪強度達到最大值即τ=514.932 5 kPa，說明適量的摻加砂土可以改變紅粘土的強度特性。綜上可得，砂土含量為0~50%的范圍內，紅粘土與砂土質量比為3∶1時,土體抵抗剪切破壞的強度達到最大值，即該配比為最優(yōu)配比。

(6)剪切速率與抗剪強度的關系

基于前面分析得出的內摩擦角和黏聚力與砂土含量的關系曲線圖，根據(jù)最小二乘法原理，將內摩擦角Φ和黏聚力C與剪切速率v的關系擬合為多項式函數(shù)，對數(shù)函數(shù)以及一次函數(shù),按照剪切速率擬合的函數(shù)關系式如表5所示。

表5　C、Φ與v擬合函數(shù)統(tǒng)計表

根據(jù)已擬合的函數(shù)關系式，求一階導數(shù)，得出v值，然后分別代入公式τ=σtanΦ+C中，得出抗剪強度τ值，如表6所示。

表6　τ值統(tǒng)計表

通過表6數(shù)據(jù)分析繪制剪切速率與抗剪強度的關系。如圖6所示。

圖6　剪切速率與抗剪強度的關系曲線圖

分析得出，剪切速率為0.400 0~4.500 0 mm/min的范圍內，隨著剪切速率的增加，紅粘土的抗剪強度呈增大趨勢。但是求解極值過程中，速率的極大值出現(xiàn)負值，可能是由于計算過程中垂直應力采用實際工程中的一般應力700 kPa,遠遠超過試驗中試樣的極限承載能力，所以出現(xiàn)負值；并且隨著剪切速率的增加，試樣破壞迅速，未體現(xiàn)出抵抗剪切破壞的能力，所以在1.500 0 mm/min和4.500 0 mm/min時不存在抗剪強度。

3結論

土的黏聚力和內摩擦角是決定土抗剪強度的2個指標，對于同一種土，在相同試驗條件下兩者均為常數(shù)。內摩擦角主要反映顆粒間的相互移動和咬合作用，而黏聚力則反映土粒間的各種物理化學作用力，包括庫侖力、范德華力、膠結作用力等等，這些力的大小由顆粒間的距離和顆粒間膠結物質的膠結力共同決定。研究砂土摻量和剪切速率對紅粘土黏聚力和內摩擦角的影響，目的是研究砂土摻量和剪切速率對紅粘土抗剪強度的影響。

通過前面分析可得以下結論。

(1)當紅粘土中砂土的含量一定時，隨著剪切速率的增加，黏聚力C逐漸減小，內摩擦角Φ逐漸增大，抗剪強度呈增大趨勢。

(2)當剪切速率一定時，紅粘土中隨著砂土含量的增加，黏聚力C逐漸減小，內摩擦角Φ逐漸增大，抗剪強度呈波動變化，當砂土與紅粘土的質量比為3∶1時，抗剪強度達到最大值，為514.932 5 kPa。

4需要進一步研究的問題

基于粘粒含量和剪切速率對紅粘土抗剪強度指標的影響和在現(xiàn)實道路方面已取得部分研究成果，為了更好地發(fā)揮在道路方面的應用和以后的發(fā)展，同時也為了解決道路中遇到的一些實際問題，應對不同區(qū)域的紅粘土在固結快剪和慢剪條件下的三軸試驗特性進行進一步研究。

參考文獻：

[1]呂賓林,王金文,蔡德鉤.剪切速率對黏土不排水強度影響的試驗研究[J].鐵道筑，2013，(1).

[2]高美奔,陳國慶,薛德敏.砂—紅粘土抗剪強度室內試驗與分析[J].土工基礎，2013，(5).

[3]黃文勝.土的抗剪強度試驗成果與其它指標的關系及影響因素分析[J]．西北水電，2011，(3)：82-86.

[4]闞衛(wèi)明，劉愛民．剪切速率對粉質黏土抗剪強度的影響[J]．中國港灣建設，2008，(2):23-26．

[5]畢慶濤，姜國萍，丁樹云．含水量對紅粘土抗剪強度的影響[J]．地球與環(huán)境，2005，(B10):144-147．

[6]符必昌，黃英，方麗萍．紅土化作用及紅土的工程地質分類[J]云南地質，1997，16(6)：197-206．

Triaxial test research of shear strength of sand - clay

MA Dong-mei,LANG Hong,GAO Ming-xing

(Engineering College for Energy and Transportation,Inner Mongolia Agricultural University，Huhehaote 010018,China)

Abstract:By Indoor undrained triaxial compression tests under conditions of optimum moisture content for different shear rates, different clay content of red clay were studied. According to Moore - Coulomb failure criterion, the use of "positive soil test management software" to draw two main parameters stress Mohr circle envelope seeking its shear strength: the angle of internal friction and cohesion Φ C. By analyzing available: red clay sand content in the same time, with increasing shear rate, C decreases cohesion and internal friction angle Φ increases, the shear strength increases; shear rate a Timing, red sandy clay content increases, C decreases cohesion and internal friction angle Φ increases, the shear strength decreases.

Keywords:red clay；internal friction angle；cohesion；shear rate

中圖分類號：U411

文獻標識碼：C

文章編號：1008-3383(2016)01-0001-04

作者簡介：馬東梅(1990-)，女，內蒙古錫林郭勒人，研究方向：道路工程。

收稿日期：2015-10-01