馬東梅，梁　鴻，高明星

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)能源與交通工程學(xué)院，呼和浩特　010018)

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道路工程

砂—粘土抗剪強(qiáng)度的三軸試驗(yàn)研究

馬東梅，梁鴻，高明星

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)能源與交通工程學(xué)院，呼和浩特010018)

摘要：通過(guò)室內(nèi)不固結(jié)不排水的三軸壓縮試驗(yàn)，在最佳含水率的條件下對(duì)不同剪切速率，不同砂土摻量的紅粘土進(jìn)行研究。根據(jù)摩爾—庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則,運(yùn)用“理正土工試驗(yàn)軟件”繪制應(yīng)力莫爾圓包絡(luò)線求其抗剪強(qiáng)度的兩大主要參數(shù)：內(nèi)摩擦角Φ和粘聚力C。通過(guò)分析可得：紅粘土中砂土含量不變時(shí)，隨著剪切速率的增加，粘聚力C逐漸減小，內(nèi)摩擦角Φ逐漸增大，抗剪強(qiáng)度呈增大趨勢(shì)；剪切速率一定時(shí)，紅粘土中隨著砂土含量的增加，粘聚力C逐漸減小，內(nèi)摩擦角Φ逐漸增大，抗剪強(qiáng)度發(fā)生變化，在砂土與紅粘土質(zhì)量比為3:1時(shí)抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值，為514.932 5 kPa。

關(guān)鍵詞：紅粘土；內(nèi)摩擦角；粘聚力；剪切速率

1引言

土是巖石經(jīng)過(guò)化學(xué)和物理風(fēng)化作用后的產(chǎn)物，而紅粘土是一種呈黃褐、棕紅、棕褐等顏色的高塑性土,主要分布在未開發(fā)的西南部和人口稠密、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的南部地區(qū)。紅粘土具有干密度低，孔隙比大,含水量高，壓實(shí)性差，粘粒含量高,塑性指數(shù)大等特點(diǎn),與砂土相比紅粘土擁有良好的收縮性和流變性，液限一般大于50。而砂性土具有良好的通透性，內(nèi)摩擦力小，含水量合理范圍空間大,易壓實(shí)、壓實(shí)后水穩(wěn)性好、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，是良好的含水層，作為建筑地基時(shí)更容易壓密，沉降量小。砂性土的天然密實(shí)程度是控制工程地質(zhì)性質(zhì)的主要因素，因此成為土方填料的重要來(lái)源之一。

紅粘土在自然狀態(tài)下有較好的工程力學(xué)性質(zhì)，而抗剪強(qiáng)度是衡量其力學(xué)性質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)，黏聚力和內(nèi)摩擦角是說(shuō)明粘土抗剪強(qiáng)度的兩大主要參數(shù)。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)粘土抗剪強(qiáng)度的影響因素做了許多研究。如呂賓林等人通過(guò)三軸試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，研究了剪切速率對(duì)飽和黏土三軸不排水抗剪強(qiáng)度的影響，得出隨著剪切速率的增大，三軸固結(jié)不排水強(qiáng)度以及內(nèi)摩擦角不斷增大；高美奔，陳國(guó)慶，薛德敏(2013)討論了紅粘土抗剪強(qiáng)度的指標(biāo)(黏聚力C和內(nèi)摩擦角Φ)和砂土摻量之間的關(guān)系，通過(guò)室內(nèi)直剪試驗(yàn)表明隨著摻沙量的增加，紅粘土的黏聚力先增加后減小，內(nèi)摩擦角先逐漸增加然后逐漸減小；如則托合提·麥麥提敏等人通過(guò)同性質(zhì)土樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)與三軸壓縮試驗(yàn)對(duì)比，得出內(nèi)摩擦角Φ和黏聚力C相差較大，說(shuō)明了兩者之間的差異；黃文勝(2011)通過(guò)室內(nèi)直剪試驗(yàn),分析了土的抗剪強(qiáng)度與含水量及土的密度之間的關(guān)系，土的抗剪強(qiáng)度與土的物質(zhì)成分以及結(jié)構(gòu)特征等之間的關(guān)系；闞衛(wèi)明，劉愛(ài)民特別針對(duì)寧波粉質(zhì)黏土做固結(jié)快剪試驗(yàn)，得出隨著剪切速率的增加，內(nèi)摩擦角不斷減小。對(duì)于剪切速率較敏感的粉質(zhì)黏土在進(jìn)行固結(jié)快剪試驗(yàn)時(shí)，采用比較大的剪切速率為宜；畢慶濤、姜國(guó)萍、丁樹云研究了含水量對(duì)紅粘土抗剪強(qiáng)度的影響，通過(guò)室內(nèi)直剪試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)紅粘土黏聚力C與含水量存在階梯狀的相關(guān)關(guān)系，而且，伴隨著含水量的增加，紅粘土的內(nèi)摩擦角變化不明顯，呈微幅度波動(dòng)狀態(tài)；符必昌等人研究了紅土化作用并探討了紅粘土的工程地質(zhì)性質(zhì)。

國(guó)外的Thomas研究了剪切速率對(duì)超固結(jié)黏土不排水強(qiáng)度的影響，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)剪切速率較小時(shí)，隨著固結(jié)比的增加，黏土不排水抗剪強(qiáng)度的速率敏感度逐漸降低；當(dāng)應(yīng)變速率>5%時(shí)，不排水強(qiáng)度的加荷速率的敏感度基本保持在9%左右；Blaek和Crony(1957),Williams(1957)等人和Aitehison(1967)將飽和土有效應(yīng)力原理引進(jìn)到非飽和土中,并且提出了非飽和土有效應(yīng)力的概念,并且用其解答非飽和土的強(qiáng)度問(wèn)題。

擬結(jié)合學(xué)者的研究，通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)分析不同砂土摻量、不同剪切速率在不固結(jié)不排水條件下對(duì)紅粘土抗剪強(qiáng)度的影響。然后從黏聚力和內(nèi)摩擦角兩個(gè)主要參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析說(shuō)明，得出相關(guān)的結(jié)論，以便在解決實(shí)際工程問(wèn)題中起到重要的作用。

2試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1試樣的制備與試驗(yàn)方法

該試驗(yàn)以呼和浩特地區(qū)粘性土為研究對(duì)象，土樣于呼和浩特市南二環(huán)施工路段路旁取土，土粒最大粒徑為2.0 cm，無(wú)礫石，暗紅色，略顯濕，可塑。向紅粘土中摻加的砂土從呼和浩特周邊獲取。依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)對(duì)試驗(yàn)用粘土、砂土進(jìn)行了基本特性分析得出，試驗(yàn)紅粘土最大干密度1.815 g/cm3，最佳含水率為15.3%；試驗(yàn)砂土最大干密度1.93 g/cm3，最佳含水率為11.9%。利用同樣的方法依次得到土體的最大干密度和最佳含含水率如表1。

表1　土體物理指標(biāo)

按紅粘土與砂土質(zhì)量比為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1和純粘土5種配比以及剪切速率為4.500 0 mm/min、2.000 0 mm/min、1.500 0 mm/min、0.900 0 mm/min、0.400 0 mm/min的條件下進(jìn)行試驗(yàn)。每一種土樣可制作15個(gè)試件，試件的直徑和高度均相同，直徑為4.0 cm,高為8.1 cm。分別采用50 kPa、100 kPa、150 kPa的圍壓進(jìn)行三軸試驗(yàn)。

為了提高試驗(yàn)的精準(zhǔn)度，制作試件前至少提前12 h進(jìn)行悶料。三軸試驗(yàn)的操作步驟嚴(yán)格按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)進(jìn)行。

2.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

根據(jù)摩爾—庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則，和最小二乘法原理對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。運(yùn)用“理正土工試驗(yàn)軟件”繪制應(yīng)力莫爾圓，求出抗剪強(qiáng)度的兩大參數(shù)：黏聚力C和內(nèi)摩擦角Φ。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2　c、φ值統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)整理數(shù)據(jù)分析摻砂土量和剪切速率與黏聚力C和內(nèi)摩擦角Φ的變化規(guī)律,以及砂土含量、剪切速率與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系。

(1)砂土摻量與黏聚力C的關(guān)系

從圖1可以看出，紅粘土的三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)，在剪切速率為0.400 0~4.500 0 mm/min的范圍隨著砂土摻量的增加，紅粘土的黏聚力逐漸減小。由此可得，當(dāng)剪切速率不變時(shí)，在砂土含量為0~50%的區(qū)間內(nèi)，由于砂土不具有粘著性，所以隨著砂土摻量的增加，紅粘土的粘著性逐漸減小，粒團(tuán)間的膠結(jié)作用降低，因此紅粘土的黏聚力C隨著砂土摻量的增加，呈下降規(guī)律。

圖1　砂土摻量與黏聚力C關(guān)系曲線圖

(2) 砂土摻量與內(nèi)摩擦角Φ的關(guān)系

由圖2可以看出，在剪切速率為0.400 0~4.500 0 mm/min的范圍內(nèi)，隨著砂土摻量的增加，內(nèi)摩擦角Φ逐漸增大，基本呈直線上升趨勢(shì)。由此可得，紅粘土三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)，當(dāng)剪切速率不變時(shí)，在砂土含量為0~50%的區(qū)間內(nèi)，隨著砂土含量的增加，土體顆粒間的相互咬合作用增強(qiáng)，相互移動(dòng)能力減弱，所以隨著砂土摻量的增加，土體的內(nèi)摩擦角Φ呈增大趨勢(shì)。

圖2　砂土摻量與內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線圖

(3)剪切速率與黏聚力C的關(guān)系

由圖3可以看出，在紅粘土三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)中，當(dāng)砂土含量一定時(shí)，在剪切速率為0.400 0~4.500 0 mm/min的區(qū)間內(nèi)，隨著剪切速率的增加，黏聚力C逐漸減小，整體呈下降趨勢(shì)。

圖3　剪切速率與黏聚力關(guān)系曲線圖

(4)剪切速率與內(nèi)摩擦角Φ關(guān)系

由圖4可知：紅粘土三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)。

當(dāng)砂土的含量一定時(shí)，在剪切速率為:0.400 0~4.500 0 mm/min的區(qū)間內(nèi)，隨著剪切速率的增加，內(nèi)摩擦角Φ逐漸增大，直線呈上升趨勢(shì)。由于剪切速率較快，剪切破壞迅速，粒與粒組重新組合，增強(qiáng)顆粒間的咬合作用，所以在剪切速率為1.500 0~4.500 0 mm/min時(shí)，內(nèi)摩擦角增加較快，呈直線上升。

(5)砂土摻量與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系

基于前面分析得出的內(nèi)摩擦角和黏聚力與剪切速率的關(guān)系曲線圖，根據(jù)最小二乘法原理，將內(nèi)摩擦角Φ和黏聚力C與砂土含量x的關(guān)系擬合為多項(xiàng)式函數(shù)，對(duì)數(shù)函數(shù)以及一次函數(shù),如表3所示。

圖4　剪切速率與內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線圖

擬合函數(shù)砂土含量/%C/kPa相關(guān)系數(shù)(R2)Φ/°相關(guān)系數(shù)(R2)0.00-1.5200x1+43.7800.99470.0857x12+1.6743x1+23.8800.991720.00-0.2071x22-0.1071x2+35.3400.9799-0.1214x22+1.8986x2+24.5600.994825.00-1.1500x3+29.5300.9747-0.0643x32+1.5957x3+25.6200.994833.33-0.1643x42-0.3243x4+20.3800.99542.9194ln(x4)+26.1250.985750.00-0.4143x52+0.7057x5+13.2000.99580.0500x52+0.8500x5+28.5200.9904

根據(jù)已擬合的函數(shù)關(guān)系式，求一階導(dǎo)數(shù)，得出x的值，然后分別代入公式τ=σtanΦ+C中，求得抗剪強(qiáng)度τ值，如表4。

表4　τ值統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表4數(shù)據(jù)分析，得出砂土摻量與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系曲線圖，如圖5。

圖5　砂土摻量與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系曲線圖

根據(jù)圖5可知，隨著砂土摻量的增加，抗剪強(qiáng)度波動(dòng)變化；當(dāng)砂土摻量為20%時(shí)，紅粘土抗剪強(qiáng)度微幅減小，但是砂土摻量為25%時(shí)，紅粘土的抗剪強(qiáng)度增加；當(dāng)砂土摻量為25%~50%時(shí)，紅粘土的抗剪強(qiáng)度迅速減小，在該區(qū)間內(nèi)，由于砂土摻量逐漸增大，紅粘土的粘粒減少,所以抵抗剪切破壞的承載能力減小,但在計(jì)算極值過(guò)程中垂直應(yīng)力采用了實(shí)際工程中的應(yīng)力700 kPa,有可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于試樣的承載能力，所以造成在計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)無(wú)解和負(fù)值的現(xiàn)象?；诜治隹芍?，砂土摻量為25%時(shí)，抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值即τ=514.932 5 kPa，說(shuō)明適量的摻加砂土可以改變紅粘土的強(qiáng)度特性。綜上可得，砂土含量為0~50%的范圍內(nèi)，紅粘土與砂土質(zhì)量比為3∶1時(shí),土體抵抗剪切破壞的強(qiáng)度達(dá)到最大值，即該配比為最優(yōu)配比。

(6)剪切速率與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系

基于前面分析得出的內(nèi)摩擦角和黏聚力與砂土含量的關(guān)系曲線圖，根據(jù)最小二乘法原理，將內(nèi)摩擦角Φ和黏聚力C與剪切速率v的關(guān)系擬合為多項(xiàng)式函數(shù)，對(duì)數(shù)函數(shù)以及一次函數(shù),按照剪切速率擬合的函數(shù)關(guān)系式如表5所示。

表5　C、Φ與v擬合函數(shù)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)已擬合的函數(shù)關(guān)系式，求一階導(dǎo)數(shù)，得出v值，然后分別代入公式τ=σtanΦ+C中，得出抗剪強(qiáng)度τ值，如表6所示。

表6　τ值統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)表6數(shù)據(jù)分析繪制剪切速率與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系。如圖6所示。

圖6　剪切速率與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系曲線圖

分析得出，剪切速率為0.400 0~4.500 0 mm/min的范圍內(nèi)，隨著剪切速率的增加，紅粘土的抗剪強(qiáng)度呈增大趨勢(shì)。但是求解極值過(guò)程中，速率的極大值出現(xiàn)負(fù)值，可能是由于計(jì)算過(guò)程中垂直應(yīng)力采用實(shí)際工程中的一般應(yīng)力700 kPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)試驗(yàn)中試樣的極限承載能力，所以出現(xiàn)負(fù)值；并且隨著剪切速率的增加，試樣破壞迅速，未體現(xiàn)出抵抗剪切破壞的能力，所以在1.500 0 mm/min和4.500 0 mm/min時(shí)不存在抗剪強(qiáng)度。

3結(jié)論

土的黏聚力和內(nèi)摩擦角是決定土抗剪強(qiáng)度的2個(gè)指標(biāo)，對(duì)于同一種土，在相同試驗(yàn)條件下兩者均為常數(shù)。內(nèi)摩擦角主要反映顆粒間的相互移動(dòng)和咬合作用，而黏聚力則反映土粒間的各種物理化學(xué)作用力，包括庫(kù)侖力、范德華力、膠結(jié)作用力等等，這些力的大小由顆粒間的距離和顆粒間膠結(jié)物質(zhì)的膠結(jié)力共同決定。研究砂土摻量和剪切速率對(duì)紅粘土黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響，目的是研究砂土摻量和剪切速率對(duì)紅粘土抗剪強(qiáng)度的影響。

通過(guò)前面分析可得以下結(jié)論。

(1)當(dāng)紅粘土中砂土的含量一定時(shí)，隨著剪切速率的增加，黏聚力C逐漸減小，內(nèi)摩擦角Φ逐漸增大，抗剪強(qiáng)度呈增大趨勢(shì)。

(2)當(dāng)剪切速率一定時(shí)，紅粘土中隨著砂土含量的增加，黏聚力C逐漸減小，內(nèi)摩擦角Φ逐漸增大，抗剪強(qiáng)度呈波動(dòng)變化，當(dāng)砂土與紅粘土的質(zhì)量比為3∶1時(shí)，抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值，為514.932 5 kPa。

4需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題

基于粘粒含量和剪切速率對(duì)紅粘土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響和在現(xiàn)實(shí)道路方面已取得部分研究成果，為了更好地發(fā)揮在道路方面的應(yīng)用和以后的發(fā)展，同時(shí)也為了解決道路中遇到的一些實(shí)際問(wèn)題，應(yīng)對(duì)不同區(qū)域的紅粘土在固結(jié)快剪和慢剪條件下的三軸試驗(yàn)特性進(jìn)行進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

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[6]符必昌，黃英，方麗萍．紅土化作用及紅土的工程地質(zhì)分類[J]云南地質(zhì)，1997，16(6)：197-206．

Triaxial test research of shear strength of sand - clay

MA Dong-mei,LANG Hong,GAO Ming-xing

(Engineering College for Energy and Transportation,Inner Mongolia Agricultural University，Huhehaote 010018,China)

Abstract:By Indoor undrained triaxial compression tests under conditions of optimum moisture content for different shear rates, different clay content of red clay were studied. According to Moore - Coulomb failure criterion, the use of "positive soil test management software" to draw two main parameters stress Mohr circle envelope seeking its shear strength: the angle of internal friction and cohesion Φ C. By analyzing available: red clay sand content in the same time, with increasing shear rate, C decreases cohesion and internal friction angle Φ increases, the shear strength increases; shear rate a Timing, red sandy clay content increases, C decreases cohesion and internal friction angle Φ increases, the shear strength decreases.

Keywords:red clay；internal friction angle；cohesion；shear rate

中圖分類號(hào)：U411

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C

文章編號(hào)：1008-3383(2016)01-0001-04

作者簡(jiǎn)介：馬東梅(1990-)，女，內(nèi)蒙古錫林郭勒人，研究方向：道路工程。

收稿日期：2015-10-01