邢國起 肖洪天 李大勇

摘要：以濰坊中南部地區(qū)可作為高層基礎(chǔ)持力層的粉土作為研究對象，通過室內(nèi)試驗(yàn)，獲得粉土顆粒級(jí)配曲線、粉土試樣的基本物理力學(xué)特性指標(biāo)，以及不同含水率和壓實(shí)度條件下粉土試樣的軸向變形與偏應(yīng)力。對試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，粉土試樣顆粒級(jí)配較好，能夠達(dá)到較高的壓實(shí)度；根據(jù)小于最優(yōu)含水率時(shí)不同含水率條件下的屈服應(yīng)力，確定了粉土層應(yīng)變硬化與軟化的臨界點(diǎn)位置，認(rèn)為含水率、壓實(shí)度及圍壓是影響抗剪強(qiáng)度的主要因素；最終獲得了小于最優(yōu)含水率時(shí)區(qū)域性粉土剪切極限狀態(tài)線擬合方程，并發(fā)現(xiàn)極限狀態(tài)線的斜率M（s）及其在偏應(yīng)力軸上的截距μ（s）均為與含水率無關(guān)的常數(shù)。

關(guān)鍵詞：粉土；含水率；壓實(shí)度；屈服應(yīng)力；極限狀態(tài)線

中圖分類號(hào)：TU411文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：

16721683（2014）02005405

Research on Silt Intensity in the Plain Area of Southcentral Weifang

XING Guoqi1，2，XIAO Hongtian1，LI Dayong1

（1.Shandong Province Key Laboratory of Geotechnical and Structural Engineering，

Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China；

2.College of architectural engineering，Weifang University，Weifang 261061，China）

Abstract：The silt in the plain area of southcentral Weifang can be used as the bearing stratum of the foundation for highrise buildings.

Laboratory experiments were conducted to obtain the grading curve of silt，physical properties of silt，and the axial deformation and deviatoric stress of silt under different moisture contents and degrees of compaction.The test results showed that the silt has a good grading to reach a relatively high degree of compaction.According to the yield stress under different water contents which were less than the optimal water content，the critical point of strain hardening and softening was determined.Water content，degree of compaction，and confining pressure were the main influence factors of the shear strength.The fitting equation of shear limit state for the regional silt was obtained when the water content was less than the optimal water content，and M（s）（slope） and μ（s）（intercept） were all constants which were independent of water content.

Key words：silt；water content；degree of compaction；yield stress；line of limit state

地質(zhì)勘探表明，濰坊地區(qū)地表下大約2 m左右分布著厚度較大的粉土層，其中北部地區(qū)粉土屬于黃河三角洲成因，為高含鹽粉土[1]，不少學(xué)者對其進(jìn)行了理化性質(zhì)[25]以及動(dòng)力力學(xué)與靜力力學(xué)性質(zhì)的研究[612]，為該粉土層的工程利用奠定了基礎(chǔ)；而濰坊中南部地區(qū)粉土屬于沖洪積平原成因，與北部地區(qū)粉土層在物理力學(xué)性質(zhì)上相差較大：北部地區(qū)由于靠近沿海，粉土層屬于飽和粉土，土中存在自由水，極易振動(dòng)液化失水，地基承載力較低，不能作為基礎(chǔ)持力層；而中南部地區(qū)的粉土則是在水力作用下經(jīng)長途搬運(yùn)、沉積而形成的第四紀(jì)松散河流堆積物，位于地下水位以上（地下水位大約位于地表下10 mm左右，粉土層厚度大約8 m左右），屬于非飽和粉土。工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)在外力作用下該粉土層構(gòu)成的基坑側(cè)壁位移較小，由此判斷中南部粉土層具有較高的強(qiáng)度，可作為高層基礎(chǔ)持力層。不過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，尚未發(fā)現(xiàn)對該粉土性質(zhì)的研究。因此本文以該區(qū)域某深基坑選取的粉土為研究對象，分析了影響粉土強(qiáng)度特性的因素，為進(jìn)一步建立該地區(qū)粉土的實(shí)用本構(gòu)關(guān)系方程奠定了基礎(chǔ)。

1粉土基本物理性能

1.1試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)采用的土樣采集于濰坊中南部某深基坑7 m深處粉土。粉土試樣X衍射試驗(yàn)及能譜分析表明，其礦物成分以α石英為主，含有少量姜石及鐵質(zhì)氧化物等，主要化學(xué)成分為C、O、Si、Al、Fe等，試樣平均含鹽量為0098%，屬于非鹽漬類粉土。

1.2土樣顆粒級(jí)配

按照土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 501231999）[13]中的篩析法（d≥0075 mm）與密度計(jì)法（d<0075 mm）進(jìn)行粉土顆粒級(jí)配試驗(yàn)，結(jié)果顯示：粒徑位于0005～0075 mm之間的粉粒含量平均超過70%，粒徑小于0005 mm的粉粒含量平均不超過9%，粒徑大于0075 mm的粉粒含量平均不超過30%。由土樣顆粒級(jí)配曲線（圖1）得到的不均勻系數(shù)平均值為76，因此土樣屬于級(jí)配較好粉土，能夠得到較大的壓實(shí)系數(shù)。

圖1粉土顆粒級(jí)配曲線

Fig.1Grading curve of silt

1.3原狀粉土基本物理指標(biāo)

對濰坊中南部地區(qū)某深基坑開挖前進(jìn)行了鉆孔取樣，孔深1500～3500 m。巖土勘察表明，粉土呈黃褐色，稍濕，密實(shí)度為中密―密實(shí)狀態(tài)，干強(qiáng)度及韌性低。通過對原狀粉土進(jìn)行常規(guī)物理性質(zhì)試驗(yàn)，得到粉土的基本物理指標(biāo)見表1。

2粉土強(qiáng)度

2.1試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備采用TSZ 3020型應(yīng)變控制式三軸儀，全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集。按照土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，粉土試樣的直徑為391 mm和高度為80 mm。粉土試樣剪切速率按照UU試驗(yàn)要求采用0399 3 mm/min。

2.2試驗(yàn)方案

由于原狀粉土難以獲取，很易受到擾動(dòng)，粉土試樣制樣費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難度較大。本次試驗(yàn)選取了深基坑7 m深度處的粉土，將其風(fēng)干后得到了風(fēng)干狀態(tài)粉土試樣。測得風(fēng)干狀態(tài)下粉土試樣的天然含水率為37%。本次試驗(yàn)選用的含水率分別為37%、11%、13%、15%及17%，粉土試驗(yàn)的壓實(shí)度選用80%、90%及95%，分別進(jìn)行100 kPa、200 kPa、300 kPa及400 kPa圍壓下的三軸剪切試驗(yàn)。粉土原狀土樣采用碾壓、烘干、過篩等步驟，按照文獻(xiàn)[14]介紹的方法以及土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 501231999）進(jìn)行擊實(shí)制樣。

2.3試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1圍壓對變形與強(qiáng)度的影響

圖2給出了壓實(shí)度K=90%，含水率ω=37%、13%、15%及17%時(shí)粉土試樣在不同圍壓下的軸向變形（ε1）與偏應(yīng)力（σ1-σ3）關(guān)系曲線。從圖2中可以看出風(fēng)干狀態(tài)下（ω=37%）的粉土試樣呈現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象；隨著含水率的增大（ω=13%、15%及17%）各圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)應(yīng)變硬化狀態(tài)。由此可以總結(jié)如下規(guī)律，一定含水率條件下，存在著一個(gè)特定的屈服應(yīng)力值，當(dāng)圍壓大于該屈服應(yīng)力值時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)硬化現(xiàn)象；當(dāng)圍壓低于該含水率條件下的屈服應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)軟化現(xiàn)象。通過本試驗(yàn)得到不同含水率條件下的屈服應(yīng)力值分別為ω=37%，（σ1-σ3）s=400 kPa；ω=13%、15%、17%，（σ1-σ3）s=100 kPa。分析其他壓實(shí)度（K=80%、95%）和含水率條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，也得到類似的規(guī)律。據(jù)此可初步計(jì)算出不同含水率時(shí)粉土持力層的應(yīng)變硬化與軟化分界點(diǎn)的位置。例如，壓實(shí)度K=90%，含水率ω=13%時(shí)粉土層的硬化與軟化分界點(diǎn)的位置位于地表下h=（σ1-σ3）s/γ=6 m左右。

2.3.2含水率對變形與強(qiáng)度的影響

圖3給出了壓實(shí)度K=90%，σ3=200 kPa、400 kPa時(shí)，不同含水率條件下軸向變形與偏應(yīng)力之間的關(guān)系曲線。從圖3中可以看出：低圍壓時(shí)（σ3=200 kPa），風(fēng)干狀態(tài)下的粉土試樣呈現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象；隨著含水率的增大，逐漸趨向應(yīng)變硬化現(xiàn)象；高圍壓時(shí)（σ3=400 kPa），風(fēng)干狀態(tài)下的粉土試樣應(yīng)變軟化現(xiàn)象弱化，同一圍壓時(shí)隨著含水率增大，抗剪強(qiáng)度減小。

圖2壓實(shí)度90%時(shí)圍壓對粉土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系影響

Fig.2The influence of confining pressure on stressstrain of

silt when degree of compaction is 90%

從土樣顆粒級(jí)配試驗(yàn)中可以看出粉土細(xì)粒徑含量較多，因此即使壓實(shí)度較大，由于細(xì)小顆粒之間形成的空隙缺乏黏粒填充，壓實(shí)后細(xì)顆粒之間仍然存在較多的空隙與氣體，造成粉土試樣最大干密度相對其他砂土與黏土來說較小。粉土顆粒之間的聯(lián)結(jié)作用主要是由膠結(jié)作用與靜電引力引起的，毛細(xì)水聯(lián)結(jié)也起到一定的作用。粉土中的黏粒含量較少，所產(chǎn)生的固化內(nèi)聚力也較小，當(dāng)含水率低時(shí)，粉土不易保持原狀，很容易破碎；隨著含水率增大，由毛細(xì)水引起的聯(lián)結(jié)力呈現(xiàn)減弱態(tài)勢，加上粉土顆粒級(jí)配未達(dá)到良好狀態(tài)，勢必造成顆粒之間的摩阻力較小。

圖3壓實(shí)度90%時(shí)含水率對粉土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系影響

Fig.3 The influence of water content on stressstrain of

silt when degree of compaction is 90%

2.3.3壓實(shí)度對變形與強(qiáng)度的影響

圖4、圖5給出了含水率ω=37%、17%時(shí)，σ3=200 kPa、400 kPa時(shí)，不同壓實(shí)度下軸向變形與偏應(yīng)力之間的關(guān)

圖4含水率3.7%時(shí)壓實(shí)度對粉土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系影響

Fig.4The influence of degree of compaction on stressstrain of

silt when water content is 37%

系曲線。由圖4可以看出，低圍壓作用下應(yīng)變曲線呈現(xiàn)軟化現(xiàn)象，且隨著壓實(shí)系數(shù)的增大，抗剪強(qiáng)度值增大。高圍壓作用下應(yīng)變曲線呈現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象，圍壓大于400 kPa時(shí)，壓實(shí)系數(shù)的增大對抗剪強(qiáng)度影響不大。含水率為ω=17%（圖5），低圍壓時(shí)壓實(shí)系數(shù)越大，抗剪強(qiáng)度增大幅度較大；隨著圍壓的增大，壓實(shí)系數(shù)對粉土試樣的抗剪強(qiáng)度影響越來越小。通過試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，含水率增大將使得粉土試樣在較大圍壓作用下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系服從雙曲線形式。

圖5含水率17%時(shí)壓實(shí)度對粉土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系影響

Fig.5 The influence of degree of compaction on stressstrain of

silt when water content is 17%

〖HJ]

3粉土試樣屈服特性

文獻(xiàn)[15]研究得到非飽和土在qp平面上的極限狀態(tài)線函數(shù)關(guān)系式為：

q=M（s）p+μ（s）（1）

式中：M（s）和μ（s）分別為極限狀態(tài)線的斜率和q軸上的截距，兩者都與吸力有關(guān)。

圖6為壓實(shí)度為90%時(shí)400 kPa圍壓時(shí)不同含水率時(shí)的極限狀態(tài)線。由圖6可知，不同含水率時(shí)的極限狀態(tài)線為直線，并且M（s）是與含水率無關(guān)的常數(shù)，該結(jié)論與文獻(xiàn)[15]得出的M（s）與吸力無關(guān)且為常數(shù)的結(jié)論一致，本次試驗(yàn)得到的M（s）=30。極限狀態(tài)線在偏應(yīng)力軸上的截距μ（s）表示的是含水率對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。本次試驗(yàn)由于進(jìn)行的是粉土的剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)采用的含水率小于粉土試樣最優(yōu)含水率（ω=193%），即含水率位于最優(yōu)含水率的左側(cè)，可以看出截距μ（s）也是常數(shù)。因此，粉土試樣的極限狀態(tài)線擬合方程為：

q=30p-12003（2）

由該擬合方程得到μ（s）=1497 kPa。

對粉土而言，除了以上qp平面內(nèi)的屈服，還存在qω、pω平面內(nèi)的屈服。圖7、圖8分別給出了圍壓對粉土試樣在qω、pω平面內(nèi)破壞時(shí)屈服軌跡的影響。由此可以得出，粉土試樣的含水率位于最優(yōu)含水率左側(cè)時(shí)，隨著含水率的增大，圍壓小于400 kPa時(shí)粉土試樣破壞屈服時(shí)的平均應(yīng)力p與偏應(yīng)力q均呈減小趨勢；圍壓較大時(shí)，含水率的增大使得粉土試樣破壞屈服的平均應(yīng)力p與偏應(yīng)力q呈先減小后增大再減小的趨勢。

圖6含水率影響下的qp平面內(nèi)的屈服軌跡

Fig.6The yield locus of qp plane under the

influence of water content

圖7圍壓影響下的qω平面內(nèi)的屈服軌跡

Fig.7The yield locus of qωplane under the

influence of confining pressure

圖8圍壓影響下的pω平面內(nèi)破壞內(nèi)的屈服軌跡

Fig.8The yield locus of pωplane under the

influence of confining pressure

4結(jié)論

（1）通過對濰坊中南部地區(qū)粉土試樣進(jìn)行顆粒級(jí)配試驗(yàn)，得到土樣顆粒級(jí)配曲線的不均勻系數(shù)平均值為76，屬于級(jí)配較好粉土，試驗(yàn)證實(shí)能夠得到較大的壓實(shí)系數(shù)。

（2）粉土試樣在不同含水率時(shí)存在著一個(gè)屈服應(yīng)力值，當(dāng)圍壓大于該屈服應(yīng)力值時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)硬化現(xiàn)象，當(dāng)圍壓低于該含水率條件下的屈服應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)軟化現(xiàn)象。

（3）粉土試樣在低圍壓剪切時(shí)（σ3=100 kPa、200 kPa），風(fēng)干狀態(tài)下的粉土試樣呈現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象，隨著含水率的增大，逐漸趨向應(yīng)變硬化現(xiàn)象。高圍壓剪切時(shí)（σ3=300 kPa、400 kPa），風(fēng)干狀態(tài)下的粉土試樣應(yīng)變軟化現(xiàn)象弱化，同一圍壓時(shí)隨著含水率增大，抗剪強(qiáng)度減小。

（4）粉土試樣在低圍壓剪切時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈軟化現(xiàn)象，隨著壓實(shí)系數(shù)的增大，抗剪強(qiáng)度增大。高圍壓剪切時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈應(yīng)變硬化現(xiàn)象，圍壓大于400 kPa時(shí)，壓實(shí)系數(shù)的增大對抗剪強(qiáng)度影響不大。

（5）粉土試樣在不同含水率時(shí)的極限狀態(tài)線為直線，并且M（s）是與含水率無關(guān)的常數(shù)。由于試驗(yàn)含水率小于粉土試樣最優(yōu)含水率（ω=193%），也即含水率位于最優(yōu)含水率的左側(cè)，截距μ（s）隨含水率不發(fā)生變化也為常數(shù)。

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