砂類土力學強度試驗研究

，，

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

砂土主要是由砂粒和粉粒、粘粒及礫粒等粒徑混合的土。其工程性質及試驗方法、參數(shù)取值，對工程建設具有重要意義。粘聚力和內(nèi)摩擦角反應了土抗剪強度的指標，但是兩者的作用機理是不同的[1-3]。在砂土中，所含顆粒的最大和最小粒徑相差幾個數(shù)量級。砂土的工程性質受到粗細粒徑顆粒的共同制約，以非粘性顆粒為主導，粘性顆粒影響為輔。因此，從非粘性顆粒含量考慮對摩擦角影響，從粘性顆粒含量考慮對粘聚力影響的觀點出發(fā)，依靠粒徑等方便獲得的物理指標，可建立依靠砂土粒徑變化判定抗剪強度參數(shù)方法。

砂土作為土顆粒集合體，抗剪強度主要受砂粒含量、粉粒和粘粒含量、密實程度等影響[4]。目前，關于砂土剪切強度的研究，一方面從砂土粒度成分、密實程度、細粒含量等[5,6]方面分析抗剪機理[7]；另一方面從砂土的強度特性與顆粒破碎率程度、空間幾何形狀等進行分析[8]，研究認為顆粒破碎會改變顆粒粒徑、顆粒級配、密實程度、顆粒間接觸壓力等，從而使顆粒間接觸壓力重新調(diào)整，接觸壓力均勻化，阻礙了剪脹的發(fā)揮，從而降低砂土材料的抗剪強度。本文從砂土抗剪強度發(fā)揮機理出發(fā)，通過對砂土的密實程度、砂粒組及粉粒和粘粒組含量對其抗剪強度進行量化分析，研究砂土顆?；旌象w的表觀抗剪強度與顆粒粒組及密實度的關系。在特殊條件下，有助于快速有效獲取砂土體抗剪強度參數(shù)。

1 試驗方法

剪切試驗所用試樣為采用取砂器鉆孔取樣，如圖1。通過直剪試驗，測定砂土的抗剪強度指標。

圖1 取砂器取樣

2 砂土體抗剪強度影響

2.1 砂粒組含量對砂土內(nèi)摩擦角的影響

通過對不同類型的粗砂、中砂和細砂進行直剪試驗和統(tǒng)計分析，圖2所示為不同含量的粒徑在0.075～2 mm之間的砂土對應的內(nèi)摩擦角變化。隨著砂粒組含量的增大，內(nèi)摩擦角呈增大趨勢。在不考慮土體粘聚力的情況下，抗剪強度主要決定于內(nèi)摩擦力，包括土粒間相對滑動的阻力、滾動的阻力和土粒相互嵌接形成的咬合力。當剪切面上下部分顆粒發(fā)生相互移動時，首先必須克服咬合力，然后粒間摩擦阻力才起主要作用，對于砂土，顆粒越粗大，土體發(fā)生剪切變形所需要克服咬合力而爬的坡越長越陡，所需要的剪應力也越大。

圖2 砂粒組累積百分含量與內(nèi)摩擦角關系

2.2 粉粒和粘粒組含量對砂土粘聚力的影響

細粒土顆粒細小，含較多粘土礦物，粒間主要由結合水連接、膠結連接及微弱的毛細連接，其抗剪強度主要決定于粒間連結強度。圖3為所示為砂土中粒徑小于0.075 mm的顆粒含量與粘聚力對應關系。隨著試樣中小于0.075 mm顆粒含量增加，粘聚力呈增大趨勢。小粒徑的粉粒和粘粒充填在砂?？紫吨校纬烧惩粱|，主要提供粘聚力，摩擦力很小。砂土中隨著粉粒和粘粒含量增大，其力學性質將逐漸轉變?yōu)榉钦承灶w粒和粘性顆粒共同作用。

圖3 粉粒和粘粒累積百分含量與粘聚力關系

2.3 密實度對砂土內(nèi)摩擦角的影響

圖4為不同干密度砂土試樣對應的內(nèi)摩擦角變化。如圖所示，隨著試樣干密度的增大，內(nèi)摩擦角呈增大趨勢。當砂土密實度增加時，顆粒之間相互咬合變的更加緊密，故土體發(fā)生剪切時，土顆粒發(fā)生滑動、滾動需要克服的障礙則增加的更多，內(nèi)摩擦角越來越大。

2.4 密實度對砂土粘聚力的影響

圖5所示為不同干密度砂土試樣對應的粘聚力變化。砂粒主要礦物為原生礦物，其成分大多以石英、長石、云母等為主。一般意義上，對于組成砂粒的石英、長石等礦物顆粒是不可壓縮的，粉粒和粘粒充填在砂顆粒之間的孔隙。因此，砂土干密度的增加，除了粒間孔隙的減小，將直接導致的是細顆粒得到壓密。土的粘聚力是土顆粒-水-電系統(tǒng)間相互作用的結果，是顆粒間的引力和斥力的綜合作用。除了膠結之外，粘聚力都是來源于顆粒間各種內(nèi)部吸引而產(chǎn)生的正應力。也就是說，隨著干密度增大，粉粒和粘粒之間更加靠近，導致粘聚力隨之增大。

圖4 干密度與內(nèi)摩擦角關系

圖5 干密度與粘聚力關系

3 砂土體抗剪強度機理分析

3.1 含砂率與抗剪強度的關系

砂土其結構特征主要以大粒徑的砂粒形成骨架，提供摩擦力，幾乎不提供粘聚力，且在其抗剪強度中占主導作用；低含量細粒徑的粉土、粘土充填在砂?？紫吨?，形成基質，主要提供粘聚力。

已有的砂土抗剪強度試驗結果表明，砂土中的非粘性顆粒和粘性顆粒含量變化存在一個區(qū)間，該區(qū)間內(nèi)摩擦角和粘聚力變化明顯，且砂土抗剪強度控制機制會發(fā)生質的變化(圖6)。研究結果表明[9]，控制砂土抗剪強度作用機制變化的非粘性顆粒和粘性顆粒含量為P1=54%和P2=79%(以砂粒含量為準)。當砂土中的非粘性顆粒含量P>P2 時，其的抗剪強度主要由砂顆粒的摩擦強度提供；當非粘性顆粒含量Ps=P1～P2 時，砂土的抗剪強度部分由粘性顆粒提供，部分由非粘性顆粒的摩擦強度提供；當粗粒含量P

圖6 摻砂率對砂土抗剪強度的控制界限[9-14]

3.2 密實度與抗剪強度的關系

土的密實度越大，其抗剪強度就越高。對于非粘性顆粒土來說，密度越大則顆粒之間的咬合作用越強，接觸面積越大，因而摩阻力就越大；對于非粘性顆粒來說，密度越大則意味著顆粒間的距離越小，帶電粒子之間的吸引力越大，結合水膜越薄，因而粘聚力也就越大[15]。因此，相對密度不變的條件下，砂土作為一種粗細顆?；旌贤?，其干密度基本是隨砂粒含量的增大而增大，當砂粒含量增加時，由于砂粒相對粉粒和粘粒較大，同體積的砂顆粒代替同體積的粉粒和粘粒的個數(shù)多，從而使土體單位體積土重增大。

在粉粒和粘粒較多的情況下，而砂顆粒被細的粉粒和粘粒包裹，砂粒料還不能起骨架作用，此時試樣的干密度主要取決于細的粉粒和粘粒，粗砂粒對其干密度影響較小，干密度值增加較緩慢； 當粗砂粒含量增加到一定程度后，砂顆粒開始起骨架作用，粉粒和粘粒填充粗骨料形成的空隙, 使試樣逐漸密實，干密度值增加較快，這就是干密度隨砂粒含量增大而增大的主要原因。砂粒含量繼續(xù)增大一定程度后，干密度增加逐漸變慢甚至有減小趨勢，這是由于砂粒含量增大，空隙增加，細粒土不足以填充砂粒所形成的空隙而使干密度有減小的趨勢，如圖7。

圖7 砂粒累積百分含量與干密度關系

3.3 抗剪強度預測

通過對不同干密度和砂粒組含量對內(nèi)摩擦角、不同干密度和粉粒組、粘粒組含量對粘聚力影響進行回歸分析，得到以下關系式：

φ1=16.496+0.183P1

必須要讓基層民警了解并分清他們的服務職能，什么應該做，什么不應該做?；鶎泳瘎展ぷ髡叻找膊荒苁率露脊埽粚儆诨鶎泳瘎展ぷ髡吖茌牱秶粦撛綑?，這樣會導致群眾對于基層警務工作者工作的不滿。加強對于基層警務工作者的崗位培訓，讓基層警務工作者了解目前的法律政策、自己的職能范圍和與群眾溝通交流的技巧等，讓基層警務工作者在履行自身職責時更有底氣和依據(jù)，并且在與群眾交流過程中更容易得到群眾的肯定。

(1)

φ2=23.153+6.541ρd

(2)

c1=6.819+0.196P2

(3)

c2=6.386+0.818ρd

(4)

式中：φ1，φ2為內(nèi)摩擦角；c1，c2為粘聚力；P1為砂土中的砂粒組含量；P2為砂土中的粉粒和粘粒組含量；ρd為干密度；

(5)

(6)

從式(6)可以看出，砂土作為一種混合土，在大量試驗基礎上，其抗剪強度和一般土石混合體的抗剪強度有一定的相似性，通過回歸分析砂土的抗剪強度與所含顆粒不同粒徑、密實度關系，特殊條件下，可以有效快速判定砂土剪切指標。

4 結語

(1)在試驗范圍內(nèi)，根據(jù)統(tǒng)計結果隨著砂粒組含量的增大內(nèi)摩擦角呈線性增大趨勢，粉粒和粘粒含量增加將導致粘聚力呈線性增大趨勢。隨著試樣干密度的增大，內(nèi)摩擦角和粘聚力均呈增大趨勢。

(2)砂土中的非粘性顆粒和粘性顆粒含量變化存在一個對應的內(nèi)摩擦角和粘聚力變化的區(qū)間，即控制砂土抗剪強度作用機制變化的砂粒組含量變化的區(qū)間為P=54%～79%。

(3)通過回歸分析砂土的抗剪強度與所含顆粒不同粒徑、密實度關系，特殊條件下，可以有效快速判定砂土剪切指標。