非飽和砂土似黏聚力影響因素的實驗研究

趙延林，吳 昊，丁志剛

(黑龍江科技大學 建筑工程學院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

我國幅員遼闊，砂土地層分布廣泛，這些地層在地表之下以細砂和中砂為主，厚度為5～20 m不等。在我國現(xiàn)行規(guī)范中，在砂土基坑設計時，都將砂土視作無黏性土，即黏聚力為零。而砂土在非飽和狀態(tài)下存在類似于黏聚力的一種力，習慣上稱之為似黏聚力或表觀黏聚力[1]。對似黏聚力的研究，不僅可以解決工程應用的理論缺失，也能夠大大降低一些工程成本。

影響非飽和砂土似黏聚力的因素有很多，如顆粒大小、顆粒級配、孔隙比、含水率等。近年來，國內外學者通過大量的實驗對非飽和砂土的似黏聚力進行了初步研究。H.Louati等[2]通過實驗證明，非飽和砂土的砂土顆粒間存在毛細管橋，毛細管橋的存在使砂土存在黏聚力。崔頔[3]通過無側限實驗方法，研究了非飽和砂土的表觀黏聚力與砂土粒度含水率的定性關系，得出非飽和砂土的表觀黏聚力會隨著含水量的增加而升高，隨著砂土的粒度減小而升高的變化規(guī)律。王海東等[4]利用WF循環(huán)單剪實驗，研究了含水率、法向應力對非飽和砂土在單向剪切作用下的強度參數的影響，研究表明：含水率對非飽和砂土的黏聚力和抗剪強度具有很大的影響。蔡國慶等[5]運用等速率單軸拉伸方法，在不同的含水率和干密度之下，進行了非飽和砂土的抗拉強度實驗，結果表明：非飽和細砂的抗拉強度隨著含水率的增大，表現(xiàn)出先增大后減小再增大的變化情況，隨著干密度的增大，其抗拉強度一直增大的規(guī)律。李淑娥[6]通過一系列的三軸實驗，對海砂土進行了剪切強度實驗，研究表明：海砂土的黏聚力隨著含水率的增大，先增大后減小，12%為界限含水率，且海砂土的強度參數隨著干密度的增大而增大。

筆者主要通過直剪實驗，研究含水率、顆粒級配與含土量等因素對非飽和砂土似黏聚力的影響規(guī)律，為砂性土深基坑設計提供理論依據。

1 實驗方案

為保證加載過程中試樣的含水率保持不變，采用直剪快剪實驗來分析含水率w、顆粒級配(Cc=1，以Cu表示)、摻土量ρ等因素對非飽和沙土似黏聚力的影響規(guī)律，具體實驗方案見表1、表2。

表1 含水率與顆粒級配實驗方案

表2 摻土量實驗方案

2 試樣制備

實驗砂土樣與黏土樣取自哈爾濱市某深基坑工程。砂樣取回后，去除砂樣其中的多余雜質，再將砂土放入純凈水中沖洗數次，直至沖洗的水清澈不渾濁。黏土樣為粉質黏土(通過液塑限實驗測得粉質黏土的塑限為15.7%，液限為28.5%，塑性指數12.8；通過密度計法測得粉質黏土的黏粒含量為17%)，取回后，挑揀出其中的雜質后晾曬，再用篩網篩分出純凈黏土樣。將純凈砂土樣和黏土樣放入烘干箱中烘干，烘干箱溫度設置為105 ℃；再將烘干后的砂土樣用10、5、2、1、0.5、0.25、0.075 mm的篩屜逐屜篩分；然后按配比配制Cu=4、Cu=5、Cu=6與Cu=7四種顆粒級配的砂土樣，最后將配置好的砂土樣分別放入密封袋內封存?zhèn)溆?。在試樣制備的過程中，為了保證實驗數據的準確性，采取現(xiàn)用現(xiàn)配的原則。每次制備試樣時取500 g砂土樣，根據砂土樣的質量計算出各試樣的含水量與摻土量，見表3、表4。

表3 含水率試樣制備方案

表4 摻土量試樣制備方案

3 實驗結果分析

3.1 含水率對非飽和砂土似黏聚力的影響

非飽和砂土似黏聚力隨含水率變化曲線如圖1所示，其中，c為非飽和砂土似黏聚力。

圖1 c-w關系曲線Fig. 1 Relationship curve of c-w

從圖1中數據可以看到，當2%≤w≤10%時，非飽和砂土似黏聚力隨含水率的增加而增加，且增加幅度較大。以Cu=4的試樣為例，w=2%時，c=1.58 kPa；w=6%時，c=3.37 kPa，相較于w=2%時增加113.3%；w=10%時，c=6.57 kPa，相較于w=2%時增加315.8%。當含水率w=10%時，非飽和砂土似黏聚力達到峰值。當含水率10%

圖2為含水率分別為2%～6%、6%～10%時非飽和砂土似黏聚力增長率變化曲線。

圖2 c增長率曲線Fig. 2 Curve of growth rate of c

由圖2a可知，當含水率介于2%～6%時，非飽和砂土似黏聚力的增長率隨顆粒級配的增加呈現(xiàn)先增加后減小的變化規(guī)律，增長率的變化范圍為45.98%～ 55.23%，其中Cu=5時增長率最大，Cu=7時增長率最小。由圖2b可知，當含水率介于6%～10%時，非飽和砂土似黏聚力的增長率隨顆粒級配的增加也呈現(xiàn)先增加后減小的變化規(guī)律，增長率的變化范圍為46.63%～50.92%，其中Cu=6時，增長率最大，Cu=7時增長率最小。

3.2 顆粒級配對非飽和砂土似黏聚力的影響

非飽和砂土似黏聚力隨顆粒級配變化曲線如圖3所示。

圖3 Cu-c關系曲線Fig. 3 Relationship curve of Cu-c

從圖3可以看出，非飽和砂土的黏聚力隨著曲率系數Cu的增大而近似于線性減小，良好級配(Cu=4、5)比不良級配(Cu=6、7)的似黏聚力大。這是由于非飽和砂土的孔隙直徑越大，土顆粒間的彎月面越大，液面張力越小。良好級配的非飽和砂土由于細粒組分的存在，減小了土顆粒間的孔隙直徑，使彎月面更小，液面張力更大，所以良好級配的似黏聚力更大。以w=10%的試樣為例，Cu=4時，c=6.57 kPa；Cu=5時，c=5.95 kPa，相較于Cu=4時減小9.4%；Cu=6時，c=4.87 kPa，相較于Cu=4時減小25.9%；Cu=7時，c=3.26 kPa，相較于Cu=4時減小50.4%。從圖中還可以看到，w=6%、w=10%與w=12%三種情況下的變化曲線基本平行，表明顆粒級配與含水率對非飽和砂土似黏聚力的交互影響作用不顯著。

圖4為非飽和砂土黏聚力變化量隨含水率的變化曲線。由圖4可知，非飽和砂土黏聚力的變化量隨著含水率的增大先增大后減小，w=10%時的黏聚力變化量最大，w為6%、11%、12%時的黏聚力變化量較大，含水率w為2%、13%時的黏聚力變化量較小。

圖4 c減少量隨w變化曲線Fig. 4 Curve of reduction of c and w

3.3 摻土量對非飽和砂土似黏聚力的影響

不同含水率下?lián)酵亮繉Ψ秋柡蜕巴了起ぞ哿Φ挠绊懬€如圖5所示。

圖5 不同含水率下ρ-c關系曲線Fig. 5 Relation curves of ρ-c under different water content

由圖5可知，隨著摻土量的增加，非飽和砂土的似黏聚力基本呈現(xiàn)出線性增長，且摻土量對非飽和砂土似黏聚力的影響較大。這是由于摻土量越大，砂土中的黏粒含量越多，非飽和砂土的似黏聚力越大。以顆粒級配Cu=4、含水率w=10%的試樣為例，摻土量10%時，似黏聚力為c=14.14 kPa；摻土量20%時，似黏聚力為c=17.64 kPa，相對于摻土量10%時增加24.8%；摻土量30%時，似黏聚力為c=23.74 kPa，相對于摻土量10%時增加67.9%；摻土量40%時，似黏聚力為c=30.58 kPa，相對于摻土量10%時增加116.3%；摻土量50%時，似黏聚力為c=34.14 kPa，相對于摻土量10%時增加141.4%。

同時，從圖5中還可以看出，含水率為2%、10%、12%時，似黏聚力最大值與最小值的差值分別為8.139、20.002、27.391 kPa，表明含水率越高，摻土量對非飽和砂土的似黏聚力的影響越大；含水率越低，摻土量對非飽和砂土的似黏聚力的影響越小。由此可見，含水率與摻土量對非飽和砂土似黏聚力的交互影響作用顯著。

不同顆粒級配下?lián)酵亮繉Ψ秋柡蜕巴了起ぞ哿Φ挠绊懬€如圖6所示。

圖6 不同顆粒級配下ρ-c關系曲線Fig. 6 Relation curve of ρ-c under different grain size distribution

由圖6可知，當含水率相同時，在任意摻土量條件下良好級配(Cu=4)砂土試樣的似黏聚力均比不良級配(Cu=7)的大；而且Cu=4與Cu=7的2條變化曲線基本平行，表明顆粒級配與摻土量對非飽和砂土似黏聚力的交互影響作用不顯著。

4 結 論

(1)當2%≤w≤10%時，非飽和砂土似黏聚力隨含水率的增加而增加，且增加幅度較大。含水率w=10%時，非飽和砂土似黏聚力達到峰值。當10%

(2)非飽和砂土的黏聚力隨著顆粒級配曲率系數的增大而接近于線性減小，良好級配比不良級配的黏聚力大。

(3)隨著摻土量的增加，非飽和砂土的似黏聚力基本呈現(xiàn)出線性增長，且摻土量對非飽和砂土似黏聚力的影響較大。

(4)含水率與摻土量對非飽和砂土似黏聚力的交互影響作用顯著，顆粒級配與含水率、摻土量對非飽和砂土似黏聚力的交互影響作用不顯著。