绍兴重塑粉质黏土抗剪强度特性的试验研究

吴瑞潜 汤有志 林群仙 李少和 张少龙

(1.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000；2.浙江工业职业技术学院，浙江 绍兴 312000)

0 引言

在地基承载力、土坡和路基稳定性评价中,土的抗剪强度指标是重要的力学参数.许多学者研究发现，不同地区土体的抗剪强度指标与土体的黏粒含量和干密度的关系也大不相同.张睿敏[1]以上海地区某基坑工程中的不同黏粒含量砂性土作为研究的对象，表明黏粒的增加可以改善砂性土的级配，并对砂性土的抗剪强度产生较大影响；杨瑞雪等[2]通过黏粒含量对银川细砂强度影响的试验研究,发现干密度的增大能显著提高改性细砂的强度指标，黏粒含量可非常显著地提高细砂的黏聚力；蒋德旺等[3]对西藏林芝地区不同细粒含量的冰碛土进行三轴剪切试验，结果表明细颗粒迁移对土体结构和强度的改变具有重要意义；张晓丽等[4]通过研究黏粒含量对磁县段膨胀土抗剪强度的影响，得出了随着黏粒含量的增大,黏聚力逐渐减小,内摩擦角则先减后增的结论；李晨[5]进行了不同干密度对天津软土力学特性的试验，发现黏聚力与内摩擦角均随干密度增加而增大；申春妮等[6]进行了重塑非饱和土的抗剪强度特性的试验，研究表明干密度对非饱和土的内摩擦角几乎没有影响，黏聚力随干密度呈指数增加；杨俊等[7]研究了风化砂掺入比例及初始干密度对膨胀土抗剪强度特性的影响，结果表明随着初始干密度的增加，风化砂改良膨胀土的黏聚力增大，内摩擦角则先增大后减小再增大；陈铖等[8]进行了干密度和饱和度对花岗岩残积土抗剪强度影响的试验，结果表明风化花岗岩残积土的黏聚力、内摩擦角与干密度均呈线性正相关；王力等[9]、张奎等[10]、王春雨等[11]对西北地区黄土进行抗剪强度试验，研究表明随着黏粒含量的增长，黄土的黏聚力增大，内摩擦角先减小后增加，随着干密度增大，黏聚力和内摩擦角均增大.由上述可知，前人针对其他地区土体抗剪强度特性的研究相对较多，而对绍兴地区区域性土体的研究相对较少.

本文以绍兴某基坑底部的重塑粉质黏土为研究对象，基于全自动直剪仪，进行不同黏粒含量和干密度条件下的直剪试验，分析了不同黏粒含量和干密度对重塑粉质黏土的抗剪强度参数的影响，进一步认识了绍兴重塑粉质黏土的抗剪强度特性.

1 土样及试验方案

1.1 土样的基本物理性质

本试验所用土样取自绍兴某基坑开挖后的6号土层土体，土体总体呈灰绿色.土样的基本物理参数如表1所示.根据颗粒分析试验、密度计试验以及液、塑限试验结果可以判定该土样为：粉质黏土.

表1 土样的基本物理参数

液限ωL/%塑限ωL/%塑限指数IP/%最优含水量ωop/%相对密度ds18.530.211.720.32.72

1.2 试验土样的制备

通过向粉质黏土中添加黏土颗粒，分别制备干密度为1.4、1.5、1.6、1.7 g/cm3，含水率为19%的不同黏粒含量的重塑试样.首先将取回土样放入实验室的烘箱内进行烘干，设置温度为105 ℃，时间不小于8 h，将烘干的土样碾碎，分别过2 mm、1 mm、0.5 mm、0.25 mm、0.075 mm筛，制备一定量不同粒径的土颗粒.然后通过调配添加不同黏粒含量的土颗粒制备八组试样，再计算理论配水量使制备土样达到设定的含水率.配制完成后用双层保湿袋密封处理，放置恒温恒湿箱中静置24 h，使水分均匀迁移.为了研究不同黏粒含量下粉质黏土的强度指标变化，粒径大于0.075 mm的各粒组比例与原状样一致，所占总含量为23.2%，细粒(粉粒和黏粒)含量占76.8%.根据控制变量法原则，4组黏粒含量分别为：18%、23%、28%、33%，并将其编号为NL18、TL23、NL28、NL33.根据筛分法、水洗法和密度计法联合测试结果,定量确定4组试样的颗粒级配如表2所示.图1-图3所示为试验示意图.

表2 土样的颗粒级配

粒组粒组百分含量/%粒组百分含量/%粒组百分含量/%>0.0750.075～0.05<0.05NL1823.258.818NL2323.263.823NL2823.248.828NL3323.243.833

图1筛分实验

图2密度计实验

图3水洗实验

1.3 试验仪器与方案

本次试验采用固结快剪实验，所用的仪器为南京泰克奥公司生产的全自动直剪仪如图3所示.试样制备规格为直径6.18 cm，高2 cm的环刀状土样，分三层击实，每层击实完毕后，接触面都用刮刀拉毛处理.每种土样通过控制击实功，达到相同干密度.试样制备好后，将其放入饱和容器里抽气饱和8 h以上，使其饱和度达到95%以上.所有试样制作严格按照《土工试验规程》[12]操作.试验中所制备的16组土样每组各做6个，一共96个土样，将每组4个试样分别施加50、100、200、300 kPa的正应力进行固结，直到变形量≤0.01 mm/2h，其余2个用于测量土的含水率.剪切前，在放置试样的上盒四周裹上一层湿纱布(目的是为防止剪切过程中土样失水).剪切速率控制为0.8 mm/min，所有试验在3～5 min剪完，抗剪强度值取τ-s曲线上峰值强度，没有明显峰值的取剪切位移为4 mm所对应的抗剪强值.根据库仑定律[13]，可以确定土样的抗剪强度指标,主要实验结果及参数见表3.

图4全自动直剪仪

2 实验结果及分析

2.1 黏粒含量和干密度对抗剪强度的影响

图5所示在干密度为1.5 g/cm3时，土样的黏粒含量与抗剪强度的关系曲线图.从图中可以看出，在固结快剪实验中，在正应力不断增大过程中，随着黏粒含量的增加，土体的抗剪强度不断减小.当正应力为50 kPa，黏粒含量从18%增加到33%，土体的抗剪强度减小了2.6 kPa，变化幅度很小.而当正应力增加到300 kPa， 黏粒含量从18%增加到33%，土体的抗剪强度减少了43.6 kPa.这表明，土体所承受的正应力在不断增大过程中，抗剪强度对土样中黏粒变化的敏感程度增大，正应力的增加，会加大黏粒含量对土体抗剪强度的影响.

表3 土样在不同黏粒含量和干密度下的抗剪强度指标

干密度黏粒组别黏聚力/kPa内摩擦角/°1.4NL1815.622.5NL2318.121.3NL2823.519.0NL3328.716.11.5NL1823.225.7NL2325.323.5NL2827.721.1NL3331.017.21.6NL1824.327.9NL2327.426.4NL2832.924.8NL3335.921.31.7NL1825.329.4NL2329.227.2NL2834.925.9NL3338.421.8

图5不同正应力时黏粒含量与抗剪强度的关系图

图6显示试样黏粒含量在23%时，干密度与抗剪强度的关系曲线图.图表显示，随着正应力不断增加，干密度与抗剪强度有较强的相关性.当正应力为50 kPa,干密度从1.4 g/cm3增加到1.7 g/cm3时，抗剪强度变化了17.3 kPa,而当正应力增加到300 kPa，干密度从1.4 g/cm3增加到1.7 g/cm3时，抗剪强度变化了48.3 kPa.这表明在试验的干密度范围内，正应力的增大，增强了干密度对土体抗剪强度的影响.

图6不同正应力时，干密度与抗剪强度的关系图

2.2 抗剪强度指标随黏粒含量的机理分析

图7所示是粉质黏土试样的黏聚力与黏粒含量的关系曲线图，从四种不同的干密度曲线可以看出，在固结快剪试验中，土样黏粒含量越高，土体的黏聚力越大.主要原因在于黏粒含量越多，颗粒与颗粒间的接触面积增大，颗粒间的分子吸引力和胶结力变大，所以土样的黏聚力随着黏粒含量的增大而增大.从图7还可以看出，干密度对黏粒含量与黏聚力之间的关系也产生了影响，随着干密度的增加，黏粒含量对黏聚力的影响逐渐变小.这表明干密度的增加会削弱黏粒含量对土体黏聚力的影响.

土体黏粒含量与内摩擦角的关系曲线图如图8所示.在不同干密度下，重塑粉质黏土的内摩擦角随黏粒含量的增大而逐渐减小.原因在于，随着土体中黏粒含量的增大，重塑粉质黏土的内部结构受到黏土颗粒的影响，粉质黏土的孔隙逐渐被黏土颗粒填充，土体内部颗粒排列整齐，导致内摩擦角随着黏粒含量的增大而减小.而当干密度不断增大时，内摩擦角随着黏粒含量增大的趋势逐渐减缓.这表明重塑粉质黏土的干密度能够削弱黏粒含量对内摩擦角的影响.

图7不同干密度时黏粒含量与黏聚力的关系图

图8不同干密度时黏粒含量与内摩擦角的关系图

图9所示为重塑粉质黏土干密度为1.6 g/cm3时，不同黏粒含量下，抗剪强度指标变化情况的三维坐标图.图中可以直观看出不同黏粒含量与内摩擦角和黏聚力形成了一个倾斜的曲面，曲面反映出随着黏粒含量的增加，土体的内摩擦角减小，黏聚力增大的动态变化过程.

图9黏粒含量与黏聚力和内摩擦角的三维模型图

2.3 抗剪强度指标随干密度变化的机理分析

图10所示为不同黏粒含量下，土体黏聚力与干密度的关系曲线图.试验研究结果显示，随着土体的黏粒含量的增加，黏聚力与干密度呈递增的关系，但增大的趋势逐渐平缓.产生这种现象的主要原因是绍兴6号土层粉质黏土孔隙比较大，干密度的增加，使得土中的孔隙减小，土颗粒间的接触点逐渐增多且连接愈来愈紧密，颗粒间的分子引力和黏结力也逐渐增强，所以在试验的干密度范围内，土体的黏聚力随着干密度的增大而增大.

图10不同黏粒含量时干密度与黏聚力的关系图

图11所示为土体的内摩擦角与干密度的关系曲线图.由图可得，在不同的黏粒含量下，重塑粉质黏土的内摩擦角随着干密度的增大而增大.主要原因是由于干密度在增大过程中，土颗粒间的接触趋于紧密，孔隙比逐渐减小，土颗粒周围的强结合水膜变薄，一部分强结合水转化成了自由水，使得土体间润滑作用减小，内摩擦角增加.

图12所示为重塑粉质黏土黏粒含量在23%时，不同干密度下，抗剪强度指标的变化情况的三维坐标图.图中显示为不同干密度、内摩擦角以及黏聚力之间形成了一个倾斜向上的曲面.这体现了干密度、内摩擦角和内聚力之间呈动态变化的过程，也直观反映出随着干密度的增加，土体的黏聚力和内摩擦角都呈增大趋势.

3 结论

本文通过配制不同黏粒含量和干密度的粉质黏土试样作为研究对象，通过室内物理性质试验、固结快剪试验等一系列的试验，探讨了不同黏粒含量和干密度的粉质黏土的基本物理性质特征，并对不同黏粒含量和干密度的粉质黏土的抗剪强度及强度指标进行了对比分析，得出了以下主要结论：

图11不同黏粒含量时干密度与内摩擦角的关系

图12干密度与黏聚力和内摩擦角的三维模型图

(1)在试验的黏粒含量范围内，土体的抗剪强度随着黏粒含量的增加而减小，正应力的增加，加大了黏粒含量对土体抗剪强度的影响.在干密度范围内，土体的抗剪强度随着干密度的增加而增大，正应力的增大，提升了干密度对土体抗剪强度的影响；

(2)随着黏粒含量的增加，重塑粉质黏土抗剪强度减小，内摩擦角减小，黏聚力增大，且干密度的增加会削弱黏粒含量对土体黏聚力和内摩擦角的影响；

(3)重塑粉质黏土抗剪强度、黏聚力和内摩擦角均随着干密度的增大增加，黏粒含量的增加对干密度与土体黏聚力和内摩擦角之间的关系影响不大.