長(zhǎng)春季凍區(qū)重塑粉質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度影響因素研究

李向群，劉子毅，上官云龍

吉林建筑大學(xué) 測(cè)繪與勘查工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118

0 引言

在工程中時(shí)常會(huì)用到填方土、回填土等擾動(dòng)土體，而天然狀態(tài)下粉質(zhì)黏土具有較大的靈敏度，還具有結(jié)構(gòu)性強(qiáng)、重塑后強(qiáng)度低等特點(diǎn)，所以對(duì)重塑后土體強(qiáng)度的研究具有實(shí)際意義.本文擬以長(zhǎng)春市寬城區(qū)土壤為研究對(duì)象，通過(guò)直剪試驗(yàn)，研究不同干密度、含水率及法向應(yīng)力對(duì)重塑粉質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度的影響，并分析其變化規(guī)律，為當(dāng)?shù)財(cái)_動(dòng)土的利用提供參考.

1 試驗(yàn)過(guò)程及方法

1.1 取樣所在地

溫帶大陸濕潤(rùn)氣候是長(zhǎng)春市明顯的氣候類(lèi)型.據(jù)記載最高氣溫可達(dá)40 ℃，最低溫度為-36.5 ℃，全年降水量約為600 mm～700 mm，其夏季較短，嚴(yán)冬漫長(zhǎng)，冰凍期5個(gè)月.

1.2 土樣制備

清理研究區(qū)自然地面雜物及浮土，取土面縱向挖深6 m處，鉆機(jī)鉆入，取出棕色粉質(zhì)黏土，將土破碎后配制成15 %，20 %，25 %和30 %等4種含水率分別進(jìn)行制備，并用保鮮袋密封養(yǎng)護(hù)24 h使其充分浸潤(rùn).實(shí)驗(yàn)裝置為ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀(南京寧曦土壤儀有限公司)，每種含水率以干密度1.3 g/cm3，1.4 g/cm3，1.5 g/cm3，1.6 g/cm3壓入內(nèi)徑61.8 mm、高20 mm的環(huán)刀，每組選取含水率、干密度相同的4個(gè)環(huán)刀樣，4組加載壓力按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范[1]從100 kPa遞增至400 kPa.快剪試驗(yàn)的剪切速率按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范[1]設(shè)置為0.8 mm/min，并設(shè)置將樣品控制在3 min～5 min內(nèi)達(dá)到8 mm的剪切量.試驗(yàn)過(guò)程按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范[1]進(jìn)行.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 含水率對(duì)粘聚力和內(nèi)摩擦角的影響

圖1表明，含水率增加，黏聚力顯著降低；含水率較低時(shí)，不同干密度下重塑土的粘聚力差距較大；當(dāng)含水率升至30 %時(shí)，4種干密度所對(duì)應(yīng)的粘聚力十分接近.圖2表明，含水率增加，重塑土的內(nèi)摩擦角隨之減?。划?dāng)干密度逐漸增大時(shí)，隨著含水率增大，內(nèi)摩擦角出現(xiàn)小幅回升趨勢(shì)，并最終趨近同一數(shù)值.

圖1 不同干密度ρd下粘聚力隨含水率的曲線Fig.1 Curves of cohesive force with moisture content under different dry densities ρd

圖2 不同干密度ρd下內(nèi)摩擦角隨含水率的曲線Fig.2 Curves of internal friction angle with moisture content under different dry densities ρd

2.2 干密度對(duì)粘聚力和內(nèi)摩擦角的影響

由圖3可見(jiàn)，粘聚力隨干密度的增加也會(huì)逐漸上升，顯然低含水率試樣的粘聚力變化出現(xiàn)驟升，含水率高的曲線則趨于平緩，因此擾動(dòng)粉質(zhì)黏土的含水率越低，土樣粘聚力受干密度的影響越敏感.

圖4表明，干密度遞增對(duì)內(nèi)摩擦角的影響并不明顯，含水率相同條件下，隨干密度的增加，內(nèi)摩擦角在小范圍內(nèi)波動(dòng).

2.3 不同法向應(yīng)力下抗剪強(qiáng)度隨含水率的變化曲線

圖5～圖8為干密度ρd分別等于1.3g/cm3，1.4g/cm3，1.5g/cm3和1.6g/cm3時(shí)，不同法向應(yīng)力σ下抗剪強(qiáng)度隨含水率的變化曲線.同一含水率下，法向應(yīng)力大的試樣抗剪強(qiáng)度也越大，但幅度有限，而同一法向應(yīng)力下，抗剪強(qiáng)度卻隨含水率的升高而顯著降低.由此可見(jiàn)，增加含水率對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的削弱遠(yuǎn)超過(guò)法向應(yīng)力.

圖3 不同含水率ω下粘聚力隨干密度的曲線Fig.3 Curves of cohesive force with dry density under different moisture contents ω

圖4 不同含水率ω下內(nèi)摩擦角隨干密度的曲線Fig.4 Curves of internal friction angle with dry density under different moisture contents ω

圖5 干密度ρd1.3 g/cm3時(shí)不同法向應(yīng)力σ下抗剪強(qiáng)度隨含水率的曲線Fig.5 Curves of shear strength with moisture content at dry density ρd of 1.3 g/cm3 under different normal stresses σ

圖6 干密度ρd1.4 g/cm3時(shí)不同法向應(yīng)力σ下抗剪強(qiáng)度隨含水率的曲線Fig.6 Curves of shear strength with moisture content at dry density ρd of 1.4 g/cm3 under different normal stresses σ

圖7 干密度ρd1.5 g/cm3時(shí)不同法向應(yīng)力σ下抗剪強(qiáng)度隨含水率的曲線Fig.7 Curves of shear strength with moisture content at dry density ρd of 1.5 g/cm3 under different normal stresses σ

圖8 干密度ρd1.6 g/cm3時(shí)不同法向應(yīng)力σ下抗剪強(qiáng)度隨含水率的曲線Fig.8 Curves of shear strength with moisture content at dry density ρd of 1.6 g/cm3 under different normal stresses σ

2.4 不同法向應(yīng)力下抗剪強(qiáng)度隨干密度的變化

圖9～圖12為含水率ω分別為等于15 %，20 %，25 %，30 %時(shí)不同法向應(yīng)力σ下抗剪強(qiáng)度隨干密度的變化曲線.同一干密度下，法向應(yīng)力大的試樣抗剪強(qiáng)度大幅增加，呈正相關(guān)，而同一法向應(yīng)力下，抗剪強(qiáng)度也隨干密度的升高而不斷增大.

圖9 含水率ω 15 %時(shí)不同法向應(yīng)力σ下抗剪強(qiáng)度隨干密度的曲線Fig.9 Curves of shear strength with dry density at moisture content ω of 15 % under different normal stresses σ

圖10 含水率ω 20 %時(shí)不同法向應(yīng)力σ下抗剪強(qiáng)度隨干密度的曲線Fig.10 Curves of shear strength with dry density at moisture content ω of 20 % under different normal stresses σ

圖11 含水率ω 25 %時(shí)不同法向應(yīng)力σ下抗剪強(qiáng)度隨干密度的曲線Fig.11 Curves of shear strength with dry density at moisture content ω of 25 % under different normal stresses σ

圖12 含水率ω 30 %時(shí)不同法向應(yīng)力σ下抗剪強(qiáng)度隨干密度的曲線Fig.12 Curves of shear strength with dry density at moisture content ω of 30 % under different normal stresses σ

3 結(jié)論

(1) 初始含水率對(duì)擾動(dòng)粉質(zhì)黏土的穩(wěn)定性具有重大影響.同一密度下，隨含水率的增加，粘聚力呈驟減趨勢(shì)，且在含水率較低時(shí)尤為明顯；重塑土的內(nèi)摩擦角隨含水率增加而遞減.含水率增大時(shí)，試驗(yàn)表明，內(nèi)摩擦角出現(xiàn)小幅回升.當(dāng)干密度增大時(shí)，粘聚力也會(huì)逐漸增加，含水率偏低的土樣受干密度的影響更大；內(nèi)摩擦角受干密度的影響并不敏感，整體呈現(xiàn)波動(dòng)，波動(dòng)的度數(shù)范圍控制在個(gè)位數(shù).上述結(jié)論與霍晨琛等[2]人、申春妮等[3]人的研究成果相似.

(2) 含水率一定時(shí)，法向應(yīng)力大的試樣抗剪強(qiáng)度也越大，但幅度有限.工程上可以通過(guò)適當(dāng)增加豎向荷載，以提高粉質(zhì)黏土土體穩(wěn)定性.然而，同一干密度下，隨含水率的升高導(dǎo)致自由水增多，結(jié)合水膜增厚，同一法向應(yīng)力下，抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)驟降.由此可見(jiàn)，土體抗剪強(qiáng)度對(duì)含水率的變化更為敏感.干密度一定時(shí)，法向應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度也呈正相關(guān)，且保持含水率相同時(shí)，若干密度增大，土體中孔隙減少，各土粒間摩擦增大，咬合更緊，抗剪強(qiáng)度也隨干密度升高而不斷增大.