肖成志，李曉峰，張靜娟

1)河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401；2)河北工業(yè)大學(xué)河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津 300401

【土木建筑工程/ArchitectureandCivilEngineering】

壓實(shí)度和含水率對(duì)含砂粉土性質(zhì)的影響

肖成志1,2，李曉峰1，張靜娟1

1)河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401；2)河北工業(yè)大學(xué)河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津 300401

基于靜三軸試驗(yàn)，分析不同含砂量、壓實(shí)度和含水率對(duì)粉土應(yīng)力-應(yīng)變曲線和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響. 試驗(yàn)結(jié)果表明，相同圍壓下增加粉土中含砂量，粉土峰值強(qiáng)度呈增加趨勢(shì)，且圍壓較低時(shí)不同含砂量粉土均呈現(xiàn)不同程度應(yīng)變軟化現(xiàn)象，增高圍壓水平時(shí)應(yīng)變軟化現(xiàn)象減弱；增加含水率對(duì)粉土強(qiáng)度削弱明顯，且最優(yōu)含水率下粉土應(yīng)變軟化現(xiàn)象明顯，粉土應(yīng)變軟化隨含水率增加呈減弱趨勢(shì)；減少壓實(shí)度時(shí)應(yīng)變軟化現(xiàn)象減弱并最終趨于消失，相同圍壓下壓實(shí)度越高，粉土峰值強(qiáng)度越大，且圍壓水平越低，壓實(shí)度對(duì)峰值強(qiáng)度的影響越明顯；同等條件下增加含砂量、提高壓實(shí)度或減少含水率，均可顯著提高粉土黏聚力，但對(duì)其內(nèi)摩擦角影響較小，且壓實(shí)度越高，含水率越小，含砂量越大，粉土的抗剪強(qiáng)度越高.

巖土工程; 粉土; 靜三軸試驗(yàn); 含砂量; 壓實(shí)度; 含水率

近年來，一些工程就地取材，將粉土用于路堤回填料，但粉土作為介于砂性土和黏性土之間的土體，黏粒含量較低，塑性指數(shù)小，強(qiáng)度偏低，其礦物組成、顆粒分布以及壓實(shí)機(jī)理方面也不同于一般土且壓實(shí)困難[1-5]. 由于人們對(duì)粉土的物理性能和工程性質(zhì)缺乏科學(xué)、系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，故揭示粉土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工程特性已成當(dāng)務(wù)之急. 同時(shí)，受降雨和蒸發(fā)等因素影響，路堤邊坡粉土含水量變化對(duì)其強(qiáng)度和邊坡穩(wěn)定性影響是關(guān)注焦點(diǎn)[6-8]. Thevanayagam等[9-12]指出孔隙比是影響粉質(zhì)砂土性質(zhì)的重要因素；肖軍華等[13-14]研究壓實(shí)度和含水率對(duì)黃河沖積粉土力學(xué)性質(zhì)影響，結(jié)果表明，壓實(shí)粉土黏聚力隨壓實(shí)系數(shù)減小或者含水率的增加顯著降低，但對(duì)內(nèi)摩擦角影響較??；彭麗云等[15]基于對(duì)京九線路壓實(shí)粉土力學(xué)特性試驗(yàn)，指出壓實(shí)度和含水量是影響粉土路基的關(guān)鍵因素；凌華等[16]研究含水率和圍壓對(duì)非飽和土強(qiáng)度影響，表明非飽和土強(qiáng)度隨圍壓增大而增大，隨含水率增大強(qiáng)度明顯減??；朱建群等[17]通過改變含粉粒砂土中粉粒含量，證實(shí)粉粒顆粒組成和結(jié)構(gòu)對(duì)粉砂強(qiáng)度和變形產(chǎn)生重要影響，且表現(xiàn)出典型的應(yīng)變軟化特征；房營(yíng)光[18]研究了顆粒尺度效應(yīng)對(duì)土體力學(xué)特性影響，發(fā)現(xiàn)隨土體中砂粒體分比增加和粒徑減小，土體變形特性明顯增強(qiáng)；談云志等[19]指出初始狀態(tài)如干密度和含水量等對(duì)粉土黏聚力的影響最大. 本研究借助室內(nèi)靜三軸試驗(yàn)手段，通過改變粉土中含砂量(0.5～0.075mm顆粒成份)、壓實(shí)度和含水率，分析其對(duì)粉土應(yīng)力-應(yīng)變曲線和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響.

1 粉土力學(xué)特性分析試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)儀器

粉土力學(xué)特性試驗(yàn)采用TSZ-3.0型應(yīng)變控制式三軸儀進(jìn)行三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)，剪切速率0.9mm/min，圍壓分別為100、200、300和400kPa，并利用自制裝置依據(jù)雙向靜壓法制作粉土試樣，試樣直徑和高度分別為39.1和80.0mm.

1.2試驗(yàn)粉土

粉土取自河北邢臺(tái)地區(qū)，將其風(fēng)干碾碎，通過篩分獲得砂粒土(0.075mm≤ds≤0.5mm)和細(xì)粒土(ds≤0.075mm)， 其中，ds為粒徑.配置砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)α分別為20%、30%和40%的3種土體，其物理性質(zhì)如表1所示. 通過篩分和比重計(jì)試驗(yàn)，得到3種配置土體的顆粒級(jí)配曲線，如圖1所示. 由圖1可知，α為20%、30%和40%的粉土中ds≤0.002mm的成分分別占17%、14%和12%，對(duì)應(yīng)的Cu分別為23.3、33.3和50，Cc分別為3.0、3.2和3.6. 三種土均不能同時(shí)滿足Cu≥5和Cc=1～3， 故3種土均為級(jí)配不良土. 根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[20]中規(guī)定可命名為含砂低液限粉土.

圖1 不同含砂量下粉土顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Grain size distribution of silt with different sand content

1.3試驗(yàn)方案及制樣方法

試驗(yàn)通過改變粉土中砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)α(20%、30%和40%)、試樣壓實(shí)度K(80%、85%和90%)和含水率w(最優(yōu)含水率、14%和16%)，綜合分析上述因素對(duì)粉土性質(zhì)的影響. 粉土試樣按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》制備，即將3種配置好的含砂低液限粉土分別和水混合均勻，放入塑料袋密封，浸潤(rùn)24h. 制樣時(shí)，依規(guī)范對(duì)測(cè)定風(fēng)干含水率的土加入不同的水來達(dá)到試驗(yàn)所需含水率，并基于不同的壓實(shí)度稱取所需濕土質(zhì)量，將其分3次放入試筒內(nèi)擠壓成型.

表1 試驗(yàn)粉土的物理性質(zhì)指標(biāo)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1粉土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化特點(diǎn)

2.1.1不同含砂量下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

選取壓實(shí)度為85%和最優(yōu)含水率的粉土試樣，通過改變砂粒土含量來分析不同圍壓下粉土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變變化曲線，結(jié)果如圖2．由圖可知，隨著粉土中含砂量增加，4種圍壓下試樣峰值強(qiáng)度均呈增加趨勢(shì)，且圍壓較低如100或200kPa，粉土中含砂量對(duì)峰值強(qiáng)度影響明顯，而當(dāng)圍壓較高如300或400kPa時(shí)，試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線差異性不大，此時(shí)粉土表現(xiàn)為壓硬性特性. 主要原因是低圍壓時(shí)，剪切面上土顆粒翻滾和移動(dòng)相對(duì)容易，含砂量越高咬合作用越明顯，故含砂量越大，峰值強(qiáng)度越高；而對(duì)于高圍壓，粉土試樣達(dá)到破壞應(yīng)變時(shí)對(duì)應(yīng)的峰值強(qiáng)度不同，此時(shí)顆粒間咬合作用不會(huì)因?yàn)楹傲吭龆喽憩F(xiàn)突出，因此峰值強(qiáng)度差別不大.

圖2 不同含砂量時(shí)粉土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curve of silt under different sand content

當(dāng)軸向應(yīng)變小于2.5%時(shí)，不同含砂量和圍壓下應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈近似線性變化關(guān)系，相同應(yīng)力水平下含砂量高對(duì)應(yīng)的應(yīng)變較??；當(dāng)圍壓較低如100kPa時(shí)，不同含砂量時(shí)粉土均呈不同程度的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，而當(dāng)圍壓增加時(shí)，應(yīng)變軟化現(xiàn)象減弱，應(yīng)力-應(yīng)變曲線以呈近似雙曲線形為主. 主要是由于圍壓增加使得土顆粒之間約束力增強(qiáng)，土體內(nèi)部的裂隙和結(jié)構(gòu)缺陷逐漸減小，空隙較快閉合，因此，圍壓較高時(shí)，應(yīng)變軟化現(xiàn)象不明顯或基本消失，而圍壓較低時(shí)，卻發(fā)生應(yīng)變軟化現(xiàn)象.

2.1.2不同含水率下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

選取壓實(shí)度為90%和含砂量為40%的粉土試樣，通過改變粉土試樣含水率分析其對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響，結(jié)果如圖3所示，由圖可知：

圖3 不同含水率粉土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of silt under different water content

1)相同圍壓時(shí)，隨著含水率增加，粉土試樣峰值強(qiáng)度隨之降低，且低圍壓下含水率增加時(shí)峰值強(qiáng)度降幅明顯，表明含水率越高土體強(qiáng)度越低，尤其是低圍壓下增加含水率對(duì)強(qiáng)度削弱作用明顯，主要原因是含水率越大粒間水膜越厚，低圍壓下孔隙比較大且孔隙內(nèi)自由水潤(rùn)滑作用明顯，從而降低了雙電層作用，導(dǎo)致粒間摩擦減小，強(qiáng)度降低；另外，當(dāng)含水率相同時(shí)，圍壓越高，峰值強(qiáng)度越大.

2)低圍壓時(shí)最優(yōu)含水率(12.2%)以下粉土應(yīng)變軟化現(xiàn)象明顯；隨著含水率增大，如14%和16%，粉土應(yīng)變軟化趨勢(shì)減弱；總體上，當(dāng)軸向應(yīng)變較小時(shí)，主應(yīng)力差值和應(yīng)變之間表現(xiàn)良好的線性關(guān)系.

圖4 不同壓實(shí)度下粉土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curve of silt under different compactness

2.1.3不同壓實(shí)度下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

選取最優(yōu)含水率和含砂量為40%的粉土試樣，通過改變壓實(shí)度K分析其對(duì)試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響，結(jié)果如圖4，由圖4可知，同一圍壓下壓實(shí)度越高，粉土峰值強(qiáng)度越大，初始切線模量越大，主要原因是壓實(shí)度決定了試樣孔隙比大小，壓實(shí)度大則孔隙比小，土顆粒之間咬合作用加強(qiáng)，故峰值強(qiáng)度和初始切線模量大；另外，當(dāng)圍壓相對(duì)較低如100kPa時(shí)，壓實(shí)度為90%的試樣峰值強(qiáng)度明顯高于壓實(shí)度為80%和85%時(shí)對(duì)應(yīng)的峰值強(qiáng)度.

壓實(shí)度對(duì)粉土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線影響明顯，當(dāng)壓實(shí)度較大如為90%時(shí)，不同圍壓下試樣均表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變軟化特性；隨著壓實(shí)度減小，如為85%時(shí)，應(yīng)變軟化現(xiàn)象只在加載末端出現(xiàn)，繼續(xù)減小壓實(shí)度達(dá)到80%時(shí)，不同圍壓下應(yīng)變軟化現(xiàn)象基本消失，應(yīng)力-應(yīng)變曲線無明顯峰值并呈現(xiàn)硬化的變化趨勢(shì)，且圍壓越高硬化越明顯，峰值強(qiáng)度越大.

2.2含砂量、含水率和壓實(shí)度對(duì)粉土抗剪強(qiáng)度影響

2.2.1含砂量對(duì)粉土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

圖5為不同壓實(shí)度和不同含水率下含砂量對(duì)粉土黏聚力及內(nèi)摩擦角影響. 由圖5可知，隨著粉土試樣中含砂量的增加，粉土黏聚力總體上呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，而對(duì)內(nèi)摩擦角影響較小，不同含砂量時(shí)其值變化幅度約為2°～3°，表明黏聚力是影響粉土抗剪強(qiáng)度的主要因素. 原因主要是當(dāng)含砂量增加時(shí)意味著細(xì)粒土含量的降低，此時(shí)砂粒土對(duì)于細(xì)粒土有置換作用，由圖1中顆粒級(jí)配曲線可知，試樣含砂量越高，其不均勻系數(shù)越大，粒組變化范圍越廣，土中越是含有粗細(xì)不同的粒組，細(xì)粒能較好的填充于粗粒的孔隙中，孔隙比較小，顆粒間充分接觸，因而剪切過程中擁有較好的密實(shí)性和整體性；此外，由于含砂量的增大使得土顆粒之間機(jī)械咬合能力提高. 相反，砂粒含量減小意味著細(xì)粒含量增多，使得盈余的細(xì)顆粒不僅填充于粗顆粒間隙中還存在于粗粒與粗粒的接觸面上，產(chǎn)生滾珠作用，因而降低了土體機(jī)械咬合力. 基于粉土試樣加載過程表面裂紋分析，砂粒對(duì)剪切破壞面具有一定約束作用，剪切作用下土體會(huì)產(chǎn)生細(xì)小裂紋，砂粒增多能提高摩擦力減小裂紋間相對(duì)滑動(dòng). 因此，總體上增加粉土中含砂量會(huì)導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度增大.

2.2.2含水率對(duì)粉土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

含砂量為20%時(shí)，分析不同壓實(shí)度時(shí)粉土含水率對(duì)其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響，如圖6所示. 由圖可知，含砂量和壓實(shí)度相同時(shí)，隨著粉土試樣中含水率的增加，土體黏聚力和內(nèi)摩擦角均呈減小趨勢(shì)，但內(nèi)摩擦角降幅較小，約為2°～3°，表明不同含水率下粉土黏聚力是影響抗剪強(qiáng)度的主要因素.

隨著含水率增加土顆粒周圍結(jié)合水膜變厚，由于水分在內(nèi)外結(jié)合水膜處的粘滯效應(yīng)不同，當(dāng)水膜增厚時(shí)由結(jié)合水膜產(chǎn)生的膠結(jié)作用逐漸減弱，故凝聚力降低；當(dāng)含水率持續(xù)增加時(shí)，土體中產(chǎn)生了更多的自由水，而細(xì)粒土之間的連結(jié)力隨著水分增加會(huì)被削弱，導(dǎo)致土體黏聚力下降. 且由圖1顆粒級(jí)配曲線可知，粉土試樣雖然細(xì)粒含量多，但粒徑單一且黏粒含量缺乏，細(xì)粒土顆粒的存在導(dǎo)致孔隙增多，隨含水率升高，水分進(jìn)入孔隙中，對(duì)土體顆粒產(chǎn)生潤(rùn)滑作用，削弱顆粒之間相互作用，導(dǎo)致黏結(jié)力降低，因此含水率增大，土體抗剪強(qiáng)度降低.

圖5 含砂量對(duì)粉土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)影響Fig.5 The effect of sand content in silt on shear strength index

為進(jìn)一步量化含水率對(duì)土體黏聚力的影響，表2給出了不同含水率下黏聚力的降低率. 由表2可知，當(dāng)試樣含水率從最優(yōu)含水率增至14%時(shí)，黏聚力降幅要明顯小于含水率由14%增至16%時(shí)，表明含水率過高將明顯降低土體黏聚力.

2.2.3壓實(shí)度對(duì)粉土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

選取粉土試樣含砂量20%，分析不同含水率時(shí)壓實(shí)度變化對(duì)粉土黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響，結(jié)果如圖7所示. 由圖7可知，當(dāng)含水率和含砂量一定時(shí)，提高壓實(shí)度導(dǎo)致粉土黏聚力增大；壓實(shí)度增加，土體內(nèi)摩擦角亦呈增大趨勢(shì)，但變幅不大，約為1°～3°. 故壓實(shí)度的變化主要通過改變黏聚力來影響土體抗剪強(qiáng)度. 壓實(shí)度對(duì)于黏聚力和摩擦角增長(zhǎng)的幅度有所不同，究其原因，壓實(shí)度增大，土顆粒增多，顆粒間膠結(jié)作用明顯增強(qiáng)，然而壓實(shí)度的增加一方面會(huì)使得土顆粒摩擦擠壓效應(yīng)增強(qiáng)，內(nèi)摩擦角增大，但是土顆粒之間的摩擦擠壓也會(huì)使得土顆粒產(chǎn)生一定程度的破碎，使得內(nèi)摩擦角降低，因此內(nèi)摩擦角的變化應(yīng)為兩者共同作用的結(jié)果，故壓實(shí)度由85%增至90%時(shí)，黏聚力顯著增加，而內(nèi)摩擦角增加相對(duì)緩慢.

表2 不同含水率下黏聚力降低率

圖7 壓實(shí)度和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系Fig.7 Relationship of compactness and strength index

為了進(jìn)一步分析壓實(shí)度對(duì)粉土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響，表3給出了不同含水率和不同含砂量時(shí)壓實(shí)度分別從80%增至85%和由85%增至90%時(shí)黏聚力增長(zhǎng)率. 從表3可見，壓實(shí)度從85%到90%黏聚力增幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壓實(shí)度從80%到85%的增幅，說明壓實(shí)度從85%到90%對(duì)于土體強(qiáng)度提高較明顯.

壓實(shí)度小即土體密實(shí)程度小，隨著壓實(shí)度增大，土體密實(shí)程度不斷增大，土顆粒距離減少，孔隙減少，顆粒之間接觸點(diǎn)增多，粒間咬合作用明顯增大，故隨著壓實(shí)度增大，土體抗剪強(qiáng)度增大.

表3 粉土黏聚力隨壓實(shí)度的變化

3 結(jié) 論

1)相同圍壓下增加粉土中含砂量，粉土峰值強(qiáng)度均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，且圍壓較低時(shí)不同含砂量粉土均呈現(xiàn)不同程度的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，含砂量對(duì)峰值強(qiáng)度的影響更加敏感，當(dāng)圍壓水平較高時(shí)應(yīng)變軟化現(xiàn)象減弱，此時(shí)粉土表現(xiàn)為壓硬性特性.

2)增加粉土試樣含水率，其峰值強(qiáng)度降低明顯，表明含水率越高土體強(qiáng)度越低. 低圍壓下增加含水率對(duì)強(qiáng)度削弱作用明顯，低圍壓且最優(yōu)含水率下粉土應(yīng)變軟化現(xiàn)象明顯，隨含水率持續(xù)增加，粉土應(yīng)變軟化呈現(xiàn)減弱趨勢(shì).

3)壓實(shí)度對(duì)粉土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線影響明顯，相同圍壓下壓實(shí)度越高，粉土峰值強(qiáng)度越大，且圍壓水平越低，壓實(shí)度對(duì)峰值強(qiáng)度的影響越明顯；當(dāng)壓實(shí)度為90%時(shí)，粉土應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變軟化特性；隨著壓實(shí)度減小，應(yīng)變軟化趨勢(shì)減弱并最終基本消失. 因此，壓實(shí)度是影響粉土強(qiáng)度的重要因素.

4)同等條件下增加含砂量、提高壓實(shí)度或減少含水率，均可顯著增加粉土黏聚力，而含砂量(20%、30%和40%)、含水率(12.2%、14%和16%)和壓實(shí)度(80%、85%和90%)對(duì)粉土內(nèi)摩擦角變化影響較小，表明粉土的抗剪強(qiáng)度主要由黏聚力決定，且壓實(shí)度越高、含水率越小、含砂量越大，粉土的抗剪強(qiáng)度越高.

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【中文責(zé)編：垶梓；英文責(zé)編：之聿】

Effectofcompactiondegreeandwatercontentonperformanceofsandysilt

XiaoChengzhi1,2,LiXiaofeng1,andZhangJingjuan1

1)SchoolofCivilandTransportationEngineering,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300401,P.R.China2)TechnologyandResearchCenterofCivilEngineering,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300401,P.R.China

Based on the static triaxial test, the effects of sand content, compactness and water content on the stress-strain curve and shear strength were analyzed comprehensively. The tests indicate that under the same confining pressure, the sand content in silt increases with the peak strength remarkably. The silt with different sand content is characterized by strain softening while keeping low confining pressure. The strain softening phenomenon tends to be weakened when increasing confining pressure. The peak strength of silt decreases obviously with the increase of water content. Moreover, strain softening phenomenon for silt with optimum water content is obvious and the strain softening phenomenon tends to be weakened. The strain softening has been weakened and ultimately disappears with decrease of compaction degrees of silt. For the same confining pressure, the higher compaction degree is, the greater the peak strength of silt is. When lowering confining pressure, compaction degree plays a more important role in the effect of peak strength. While keeping the remained parameters identical, increasing sand content and enhancing compaction degrees or reducing water content in silt can significantly increase its cohesion, but don’t obviously affect internal friction angle of silt. Generally, keeping higher compaction degree, less water content and more sand content can improve silt shear strength.

geotechnical engineering; silt; static triaxial test; sand content; compaction degree; water content

2017-02-15；Accepted：2017-06-16

Professor Xiao Chengzhi. E-mail: czxiao@hebut.edu.cn

TU 441

：Adoi：10.3724/SP.J.1249.2017.05501

Foundation：National Natural Science Foundation of China (50909032); Natural Science Foundation of Hebei Province (E2014202038)

：Xiao Chengzhi, Li Xiaofeng, Zhang Jingjuan. Effect of compaction degree and water content on performance of sandy silt[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2017, 34(5): 501-508.(in Chinese)

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50909032)；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2014202038)

肖成志(1976—), 男,河北工業(yè)大學(xué)教授、博士,研究方向：土工合成材料、軟土特性和管道. E-mail: czxiao@hebut.edu.cn

引文：肖成志, 李曉峰, 張靜娟. 壓實(shí)度和含水率對(duì)含砂粉土性質(zhì)的影響[J]. 深圳大學(xué)學(xué)報(bào)理工版，2017，34(5)：501-508.