高溫多雨對(duì)粉質(zhì)黏土力學(xué)性質(zhì)的影響

高均昭， 唐東旗

(許昌學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 許昌 461000)

高溫多雨對(duì)粉質(zhì)黏土力學(xué)性質(zhì)的影響

高均昭， 唐東旗

(許昌學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 許昌 461000)

研究溫度和含水量對(duì)粉質(zhì)黏土的粘聚力和內(nèi)摩擦角的影響，分析粉質(zhì)黏土在高溫多雨下力學(xué)性質(zhì)的變化。現(xiàn)場(chǎng)取土樣140個(gè)，采用人工控制溫度和含水量分別分析了溫度和含水量對(duì)粘聚力和內(nèi)摩擦角的影響。研究發(fā)現(xiàn)，原狀土伴隨著含水量不斷增大，粘聚力和內(nèi)摩擦角不斷下降，粘聚力下降幅度在50%～60%之間，內(nèi)摩擦角下降幅度在15%～20%。就原狀土而言，伴隨著溫度的增大，粘聚力和內(nèi)摩擦角總體是下降5%～10%；原狀土對(duì)于含水率和溫度較為敏感。

粉質(zhì)黏土；內(nèi)摩擦角；粘聚力；含水率；抗剪強(qiáng)度；直剪試驗(yàn)

1 研究背景

近年來(lái)，隨著高層建筑的增加，深基坑工程越來(lái)越多，對(duì)深基坑工程的安全控制研究也隨之增加。但全國(guó)各地的案例表明，深基坑工程事故似乎大多發(fā)生在高溫多雨的夏季。溫度和含水量對(duì)土體的力學(xué)性質(zhì)影響究竟有多大，基于此開(kāi)展的研究似乎不多。

胡海英等研究了黏土的抗剪強(qiáng)度跟含水量的變化關(guān)系，結(jié)果顯示: 隨壓實(shí)含水量增加粘聚力并非單調(diào)變化。壓實(shí)黏土注水飽和后，壓縮變形顯著增加，抗剪強(qiáng)度和粘聚力則明顯下降。而且壓實(shí)含水量越小的土體在其他條件相同時(shí)，因飽和引起的壓縮變形，抗剪強(qiáng)度和粘聚力損失較大，內(nèi)摩擦角受浸水飽和的影響較小[1]。張存根等研究了粉質(zhì)黏土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo),并且探究了含水量變化對(duì)粘聚力、內(nèi)摩擦角的影響,研究粉質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨含水量變化而變化的規(guī)律。粉質(zhì)黏土的內(nèi)摩擦角伴隨著含水率的增加呈線性降低。其中采用控制含水量的辦法制備擾動(dòng)土樣，采取多組數(shù)據(jù)以減小誤差，并且繪制圖形觀察在不同的垂直壓力下隨著含水率變化粘聚力的變化。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出內(nèi)摩擦角與含水量的關(guān)系，并且列出函數(shù)關(guān)系式子[2]。傅蜀燕等研究含水量和應(yīng)力對(duì)土的抗剪強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)表明：在最大干密度和最優(yōu)含水率時(shí)候粉質(zhì)黏土在強(qiáng)度最大，在最優(yōu)含水率以前隨含水率越大抗剪強(qiáng)度越大，在最優(yōu)含水率以后隨含水率越大抗剪強(qiáng)度越小[3]。許四法等通過(guò)直剪和基質(zhì)吸力試驗(yàn)，探索含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度及內(nèi)摩擦角和粘聚力的影響。研究表明：隨著基質(zhì)吸力的增長(zhǎng)，非飽和土的抗剪強(qiáng)度持續(xù)增大，表明基質(zhì)吸力對(duì)抗剪強(qiáng)度有較大影響；伴隨著含水率增加，土的內(nèi)摩擦角減?。辉诤瘦^小時(shí)，粘聚力增長(zhǎng)，當(dāng)含水率增加到一定值時(shí)，土的粘聚力快速下降[4]。

由上述可知，土體的抗剪強(qiáng)度是和含水率跟溫度有關(guān)的，而土體的抗剪強(qiáng)度主要是由內(nèi)摩擦角和粘聚力所體現(xiàn)，含水率跟和溫度對(duì)于抗剪強(qiáng)度不是簡(jiǎn)單地此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，測(cè)量土體的工程穩(wěn)定性質(zhì)顯出重要的意義。

土體的抗剪強(qiáng)度的研究對(duì)工程有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文結(jié)合許昌地區(qū)的實(shí)際地質(zhì)條件，以許昌市魏都區(qū)的三鼎大廈工程為例,采用直剪儀,進(jìn)行快剪試驗(yàn)，對(duì)土體的的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)[5]。其次，對(duì)土體抗剪強(qiáng)度不同含水率不同溫度的條件下各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行橫縱向?qū)Ρ?。取含水率?6%、18%、20%、22%、24%、26%、28%的土樣各五份，分別在15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃的溫度下測(cè)得土體的c、(φ)值，相同土樣求得平均值，以減少誤差[6]。根據(jù)許昌市的往年各個(gè)季節(jié)的最高日均溫度分別為春季15 ℃，夏季30 ℃，秋季27 ℃，冬季9 ℃。該基坑主要暴露在春夏秋三季，根據(jù)近兩年的氣溫觀察，夏季的的最高日均氣溫在35 ℃左右，因此將溫度范圍控制在20～35 ℃[7]。

2 原狀土數(shù)據(jù)定性分析

2.1 原狀土計(jì)算

原狀土c值，φ計(jì)算結(jié)果，如表1所列。

表1 原狀土C值，Φ計(jì)算結(jié)果

2.2 原狀土分析表格

(1) 原狀土在相同溫度下的內(nèi)摩擦力和粘聚力關(guān)于含水率的變化曲線。

原狀土在溫度為15 ℃時(shí)候，伴隨著含水率的增加，粘聚力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，趨勢(shì)線斜率為-0.605(圖1(a))。原狀土在溫度為15 ℃時(shí)候，伴隨著含水率的增加，內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，趨勢(shì)線斜率為-0.232 32(圖1(b))。

原狀土在溫度為20 ℃時(shí)候，伴隨著含水率的增加，粘聚力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，趨勢(shì)線斜率為-0.906 96(圖1(c))。原狀土在溫度為20 ℃時(shí)候，伴隨著含水率的增加，內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，趨勢(shì)線斜率為-0.192 32(圖1(d))。

原狀土在溫度為30 ℃時(shí)候，伴隨著含水率的增加，粘聚力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，趨勢(shì)線斜率為-0.532 5(圖1(e))。原狀土在溫度為15 ℃時(shí)候，伴隨著含水率的增加，內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，趨勢(shì)線斜率為-0.144 64(圖1(f))。

圖1 含水率趨勢(shì)圖

(2) 原狀土在相同含水量的內(nèi)摩擦力和粘聚力關(guān)于溫度的變化曲線。

原狀土在含水率為16%時(shí)候，伴隨著溫度的增加，粘聚力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，趨勢(shì)線斜率為-0.041 52(圖2(a))。原狀土在含水率為16%時(shí)候，伴隨著溫度的增加，內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，趨勢(shì)線斜率為-0.122 8(圖2(b))。

原狀土在含水率為22%時(shí)候，伴隨著溫度的增加，粘聚力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，趨勢(shì)線斜率為-0.065 6(圖2(c))。原狀土在含水率為22%時(shí)候，伴隨著溫度的增加，內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，趨勢(shì)線斜率為-0.110 4(圖2(d))。

原狀土在含水率為28%時(shí)候，伴隨著溫度的增加，粘聚力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，趨勢(shì)線斜率為-0.052 2(圖2(e))。原狀土在含水率為22%時(shí)候，伴隨著溫度的增加，粘聚力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，趨勢(shì)線斜率為-0.077 2(圖2(f))。

圖2 溫度趨勢(shì)圖

根據(jù)多個(gè)圖表的趨勢(shì)圖可以看出，在含水率一定的情況下，隨著溫度的增加，粉質(zhì)黏土的粘聚力下降是在5%～10%以?xún)?nèi)，內(nèi)摩擦角也是下降在5%～10%，下降趨勢(shì)比較緩和[8]。

3 結(jié)束語(yǔ)

粉質(zhì)黏土的工程性質(zhì)取決于粉質(zhì)黏土的強(qiáng)度，抗剪強(qiáng)度是土體的主要力學(xué)性質(zhì)。綜上試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)[9]：

(1) 伴隨著含水量不斷增大，原狀土的粘聚力不斷下降，且下降幅度在50%～60%之間。

(2) 對(duì)于原狀土而言，影響其強(qiáng)度的主要是粘聚力的變化，而內(nèi)摩擦角總體下降，但是變化影響較小，內(nèi)摩擦角下降幅度在15%～20%。

(3) 對(duì)于原狀土而言，伴隨著溫度的增大，粘聚力和內(nèi)摩擦角總體是呈現(xiàn)下降趨勢(shì)的，但是下降不明顯，下降幅度在5%～10%。

因此，含水率對(duì)于粉質(zhì)黏土的影響是最大的，溫度因素影響較小。

[1] 胡海英,王 釗. 含水量對(duì)壓實(shí)黏土的變形及強(qiáng)度性能的影響[J].公路,2007(2):1～6.

[2] 張存根,張懷靜.粉質(zhì)黏土含水量與抗剪強(qiáng)度參數(shù)關(guān)系的試驗(yàn)研究[J].華北科技學(xué)院學(xué)報(bào),2011(2):27～29.

[3] 傅蜀燕,袁 坤,彭勝利,等.含水率對(duì)高液限細(xì)粒土礫與粉質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度影響比較研究[J].水利科技與經(jīng)濟(jì),2014(2):10～12.

[4] 許四法,王志健,胡 琦,等.重塑非飽和粉質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2015(2):227～231.

[5] 任永強(qiáng),何昌榮,孫 磊.非飽和粘性土-水特性試驗(yàn)研究[J].高速鐵路技術(shù)，2013(4)：12～14.

[6] 劉 亮,張國(guó)良,劉 琳.高含水量黏土土基壓實(shí)預(yù)控方法簡(jiǎn)述[J].科技信息，2010(23)：47～48.

[7] 劉佳龍.非飽和土滲透性函數(shù)確定方法探討[D].宜昌：三峽大學(xué)，2015.

[8] 張獻(xiàn)民，莊旭瑞，張宇輝.含水量對(duì)土石混合介質(zhì)剪切波傳播速度的影響分析[J].公路交通科技，2010(12)：16～20.

[9] 史文兵，廖義玲，唐曉玲.貴陽(yáng)紅黏土抗剪強(qiáng)度與含水量關(guān)系的探討[J].路基工程，2011(4)：80～86.

2016-06-24；修改日期：2016-07-14

高均昭(1974-)，男，河南臨潁人，碩士，許昌學(xué)院教授．

P642.22

A

1673-5781(2016)05-0673-03