程?hào)|幸，許 健，劉志偉，任建威

(1.中國電力工程顧問集團(tuán) 西北電力設(shè)計(jì)院有限公司， 陜西 西安 710075；2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710055)

粗顆粒鹽漬土大型剪切強(qiáng)度試驗(yàn)研究

程?hào)|幸1，許 健2，劉志偉1，任建威2

(1.中國電力工程顧問集團(tuán) 西北電力設(shè)計(jì)院有限公司， 陜西 西安 710075；2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710055)

對新疆準(zhǔn)東地區(qū)的粗顆粒鹽漬土進(jìn)行了室內(nèi)大型剪切實(shí)驗(yàn)，研究了粗顆粒鹽漬土的剪切破裂面形態(tài)、剪應(yīng)力-位移曲線特征及干密度對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響規(guī)律。結(jié)果表明：粗顆粒鹽漬土剪切破裂面具有明顯的高低不平與上下起伏的形態(tài)，剪切過程中土顆粒間表現(xiàn)出明顯的鑲嵌咬合和剪脹特征，使粗顆粒鹽漬土表現(xiàn)出一定的黏聚力；粗顆粒鹽漬土剪切應(yīng)力隨剪切位移變化的承載過程表現(xiàn)為應(yīng)變軟化類型，具有明顯的峰值強(qiáng)度。隨著干密度(壓實(shí)系數(shù))增加，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)顯著增加，亦即提高粗顆粒鹽漬土壓實(shí)系數(shù)可顯著提高地基承載力，具有明顯的工程效益。

粗顆粒鹽漬土；大型直剪試驗(yàn)；抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

隨著中國西北地區(qū)的不斷開發(fā)，許多工程建設(shè)需要在戈壁地區(qū)進(jìn)行。這些地區(qū)由于降雨稀少，蒸發(fā)量大，使大量鹽分聚集在土體表層，形成粗顆粒鹽漬土[1-2](見圖1)。由于鹽分的存在，使粗顆粒鹽漬土具有不同于碎石土的性質(zhì)[3-4]，主要表現(xiàn)為結(jié)晶狀態(tài)的鹽分對土顆粒具有膠結(jié)作用[5]，浸水溶解后強(qiáng)度迅速降低[6-8]。對于這類特殊的地質(zhì)條件，地基參數(shù)的設(shè)計(jì)取值、基礎(chǔ)選型及施工方法等與常規(guī)地區(qū)地基有較大差異。

圖1粗顆粒鹽漬土地層剖面

地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過程中需重點(diǎn)考慮土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，但目前已有的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)一般認(rèn)為粗顆粒鹽漬土屬碎石土，設(shè)計(jì)過程中黏聚力的影響可以忽略，亦即假定土體的黏聚力指標(biāo)c=0[9]。工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，粗顆粒鹽漬土地基鹽分含量大，鹽分膠結(jié)效應(yīng)明顯且承載力高。這類土既區(qū)別于膠結(jié)較好黏性土又不同于黏結(jié)性較差的砂土，也異于一般的碎石土。對于這類特殊的地質(zhì)條件，地基參數(shù)的設(shè)計(jì)取值、基礎(chǔ)選型及其承載機(jī)理與工程設(shè)計(jì)方法、施工方法與常規(guī)地區(qū)地基有較大差異。國內(nèi)針對這類地質(zhì)條件的基礎(chǔ)性研究較少，設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程也沒有針對這方面的詳細(xì)設(shè)計(jì)規(guī)定，設(shè)計(jì)人員主要參照普通地質(zhì)條件的設(shè)計(jì)方法。因此現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案，大部分偏于保守，未能充分利用這種特殊土質(zhì)的承載優(yōu)勢[10]。

基于此，本文選取新疆準(zhǔn)東地區(qū)典型粗顆粒鹽漬土進(jìn)行室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)，實(shí)際測定粗顆粒鹽漬土試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，以期為該類地質(zhì)條件下地基基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考。

1 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)所用粗顆粒鹽漬土樣取自新疆準(zhǔn)東煤電煤化工產(chǎn)業(yè)帶五彩灣煤電煤化工園區(qū)內(nèi)，距離吉木薩爾縣城正北約140 km處，屬于典型粗顆粒鹽漬土戈壁灘地貌。依據(jù)《鹽漬土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》[11](GB/T 50942—2014)對所取鹽漬土試樣進(jìn)行了室內(nèi)易溶鹽分析試驗(yàn)。粗顆粒鹽漬土試樣的天然密度、含水率及滲透系數(shù)基于現(xiàn)場原位試驗(yàn)方法測得。土樣基本參數(shù)見表1、表2。

表1 試驗(yàn)用土基本物理特性參數(shù)

表2 亞硫酸鹽漬土易溶鹽含量

1.1 顆分試驗(yàn)

對所取粗顆粒鹽漬土試樣進(jìn)行了天然(含鹽)和淋濾后(不含鹽)兩種狀態(tài)下的顆分試驗(yàn)，顆粒級(jí)配曲線如圖2所示。從圖2中可以看出，大于2 mm土顆?？傎|(zhì)量約為50%，說明地層為典型粗顆粒鹽漬土層。洗鹽后，較小粒徑土顆粒尤其是粒徑小于1 mm土顆粒所占比重明顯增加，說明地基土顆粒表面包裹的鹽晶體進(jìn)行了充分溶解，使得洗鹽前、后的顆粒粒徑發(fā)生了變化。此外，從粒徑級(jí)配曲線可知，曲線的不均勻系數(shù)Cu大于5，且曲線比較光滑，說明地基土是級(jí)配良好的。

圖2試驗(yàn)土樣淋濾前后顆粒級(jí)配曲線

1.2 擊實(shí)試驗(yàn)

依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[12](GB/T 50123—1999)，通過室內(nèi)重型擊實(shí)試驗(yàn)(見圖3)得到粗顆粒鹽漬土試樣的典型擊實(shí)曲線，如圖4所示。從圖4中可以看出，試驗(yàn)土樣的最優(yōu)含水率約為6.9%，最大干密度約為1.96 g/cm3。

圖3 室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)

圖4擊實(shí)曲線

1.3 直剪試驗(yàn)

1.3.1 試驗(yàn)儀器

圖5所示為測定粗顆粒鹽漬土剪切強(qiáng)度指標(biāo)的大型直剪儀，儀器設(shè)備型號(hào)為ShearTrac-III。剪切過程中試樣粒徑一般不超過40 mm，水平剪切和垂向加壓荷載不超過50 kN，水平剪切位移限值為50 mm，試樣標(biāo)準(zhǔn)尺寸為305 mm×305 mm×205 mm(長×寬×高)。

圖5大型直剪儀

1.3.2 試樣制備

為了保證試樣的均勻性，采用分層壓實(shí)的方法制備試樣。將土體分三層裝入剪切盒內(nèi)，壓實(shí)并層間刨毛，保證上下兩層之間接觸緊密，通過測量每層的厚度控制土樣的密度。具體制樣過程如圖6所示。依據(jù)密實(shí)度(壓實(shí)系數(shù))不同，將試樣分為3組，試樣含水率控制為最優(yōu)含水率。具體試驗(yàn)分組標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

圖6 制樣過程

1.3.3 試驗(yàn)方法

采用標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)快剪的試驗(yàn)方法，試驗(yàn)垂直荷載分別為50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa。施加垂直荷載后，每小時(shí)測讀垂直變形一次，以每小時(shí)變形不超過0.01 mm為變形穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。水平剪切速率設(shè)定為0.8 mm/min，剪切位移限值設(shè)定為40 mm。通過采集軟件和傳感器動(dòng)態(tài)采集剪切位移和剪力值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 剪切破裂面形態(tài)

室內(nèi)剪切試驗(yàn)破裂面形態(tài)見圖7。從圖7中可以看出，粗顆粒鹽漬土剪切破裂面具有明顯的高低不平與上下起伏的形態(tài)，剪切過程中土顆粒間表現(xiàn)出明顯的鑲嵌咬合與“爬坡”效應(yīng)，導(dǎo)致粗顆粒鹽漬土剪切過程中具有明顯的剪脹特征和咬合強(qiáng)度，即呈現(xiàn)出一定的黏聚力c值且其內(nèi)摩擦角亦較大，具有較高的抗剪強(qiáng)度。

圖7剪切破裂面

2.2 剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

根據(jù)傳感器所測的垂直壓力及水平剪力，用式(1)～式(2)分別計(jì)算試驗(yàn)過程中土體壓應(yīng)力和剪應(yīng)力。剪切過程剪應(yīng)力-位移本構(gòu)關(guān)系曲線特征如圖8所示。

(1)

(2)

式中：σ為正應(yīng)力，kPa；τ為剪應(yīng)力，kPa；Fv為垂向荷載，kN；Fh為水平荷載，kN；A為剪切面面積，m2。

由圖8可以看出，粗顆粒鹽漬土剪切應(yīng)力隨剪切位移變化的承載過程表現(xiàn)為應(yīng)變軟化類型，具有明顯的峰值強(qiáng)度，可分為圖9所示的4個(gè)典型特征階段。

(1) 粗顆粒鹽漬土試樣剪應(yīng)力與剪切位移近似表現(xiàn)出線性變化規(guī)律，A點(diǎn)為彈性終點(diǎn)荷載。

(2) 試樣剪應(yīng)力隨剪切位移增大表現(xiàn)出非線性曲線變化特征，B點(diǎn)所對應(yīng)的荷載為峰值強(qiáng)度。

(3) 峰值強(qiáng)度后，試樣剪應(yīng)力隨剪切位移增加逐漸下降，下降速率由大變小，處于軟化階段(BC)。

(4) 曲線幾乎為水平狀態(tài)，剪應(yīng)力隨剪切位移增加基本維持不變，處于強(qiáng)度穩(wěn)定階段(CD)。

圖8 不同干密度試樣剪應(yīng)力-剪切位移曲線

圖9粗顆粒鹽漬土剪應(yīng)力-位移曲線

分析其原因，主要是由于室內(nèi)重塑粗顆粒鹽漬土試樣密實(shí)度相對較高，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)排列較為緊密且顆粒間相互咬合，因而剪切過程中土顆粒間的摩擦強(qiáng)度較高。隨著剪切荷載增大，接近或達(dá)到峰值抗剪強(qiáng)度時(shí)，粗顆粒鹽漬土試樣土顆粒相互錯(cuò)動(dòng)或滾動(dòng)，從而產(chǎn)生剪脹(體脹)變形，這與前述圖7剪切破裂面形態(tài)表現(xiàn)出的高低起伏變化特征是一致的。粗顆粒鹽漬土試樣剪切過程中的剪脹特征使得土顆粒間的相互咬合滾動(dòng)摩擦強(qiáng)度較高，因而剪切峰值強(qiáng)度較大；超過峰值強(qiáng)度后，試樣密實(shí)度明顯減小，剪切應(yīng)力相應(yīng)減小，應(yīng)力位移變化規(guī)律表現(xiàn)出應(yīng)變軟化特征。

2.3 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

取前述剪應(yīng)力-剪切位移曲線的峰值應(yīng)力τf作為抗剪強(qiáng)度，土體抗剪強(qiáng)度可用式(3)所示的摩爾庫侖公式表示：

τf=c+σtanφ

(3)

式中：τf為土體抗剪強(qiáng)度，kPa；c為黏聚力，kPa；σ為垂直壓力，kPa；φ為內(nèi)摩擦角。

根據(jù)每一組試驗(yàn)土體的極限剪切強(qiáng)度τf和垂直壓應(yīng)力σ，得到各組試樣抗剪強(qiáng)度τf和垂直壓應(yīng)力σ的關(guān)系曲線，如圖10所示。

圖10τf-σ關(guān)系曲線

各組試驗(yàn)土體的內(nèi)摩擦角φ與黏聚強(qiáng)度c的變化規(guī)律如圖11、圖12所示。從圖11、圖12可以看出，試驗(yàn)土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)表現(xiàn)出較好的規(guī)律性，隨著干密度(壓實(shí)系數(shù))增加，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)顯著增加，黏聚力由20.2 kPa增加到47.74 kPa，內(nèi)摩擦角由32.9°增加到47.7°。新疆地區(qū)大規(guī)模工程建設(shè)中，大量工程場地遇到粗顆粒鹽漬土，廠區(qū)附近建筑材料缺乏?？紤]到基坑開挖土方及場地回填工程土方量大，遵循就地取材的原則，可把粗顆粒鹽漬土作為回填料進(jìn)行碾壓。由上述室內(nèi)剪切試驗(yàn)研究成果，提高粗顆粒鹽漬土壓實(shí)系數(shù)可顯著提高地基的承載力，具有明顯的工程經(jīng)濟(jì)效益。

圖11 黏聚力隨干密度變化規(guī)律

圖12內(nèi)摩擦角隨干密度變化規(guī)律

3 結(jié) 論

(1) 剪切過程中土顆粒間表現(xiàn)出明顯的鑲嵌咬合與“爬坡”效應(yīng)，導(dǎo)致粗顆粒鹽漬土具有明顯的剪脹特征和咬合強(qiáng)度，即表現(xiàn)出一定的黏聚力且其內(nèi)摩擦角亦較大，具有較高的抗剪強(qiáng)度。

(2) 粗顆粒鹽漬土剪切應(yīng)力隨位移變化的承載過程表現(xiàn)為應(yīng)變軟化類型，具有明顯的峰值強(qiáng)度。

(3) 粗顆粒鹽漬土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)表現(xiàn)出較好的規(guī)律性，隨著干密度(壓實(shí)系數(shù))增加，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)顯著增加，亦即提高粗顆粒鹽漬土壓實(shí)系數(shù)可顯著提高地基承載力，具有明顯的工程效益。

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ExperimentsonLarge-scaleDirectShearStrengthofCoarse-grainedSalineSoil

CHENG Dongxing1, XU Jian2, LIU Zhiwei1, REN Jianwei2

(1.NorthwestElectricPowerDesignInstituteofCo.,Ltd.ofChinaPowerEngineeringConsultingGroup,Xi’an,Shaanxi710075,China;2.Xi'anUniversityofArchitectureandTechnology,SchoolofCivilEngineering,Xi’an,Shaanxi710055,China)

Large-scale shear test on coarse-grained saline soil in Zhundong area of Xinjiang was carried out to analyze the shear fracture surface mode, characteristics of shear stress-displacement curve, and influence of dry density on shear strength index. The results show that coarse-grained saline soil has uneven shear fracture surface resulting in the obvious characteristics of mosaic and occlusion between soil particles, and the dilation effect. Therefore the coarse-grained saline soil has obvious cohesive strength and the shear stress-displacement curve has obvious peak intensity which can be characterized by strain softening type. With the increase of dry density (compaction coefficient) the shear strength index increases significantly. Therefore, increasing the compaction factor can greatly improve the bearing capacity of foundation and obtain the favorable engineering benefit.

coarse-grainedsalinesoil;large-scaledirectsheartest;shearstrengthindex

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.026

2017-05-10

2017-06-09

中國電力工程顧問集團(tuán)公司科研項(xiàng)目(DG1-G02-2016)

程?hào)|幸(1978—)，男，甘肅會(huì)寧人，博士，高級(jí)工程師，主要從事特殊土工程研究。E-mail: chengdongxing759@163.com

TU411.7

A

1672—1144(2017)05—0149—05