呂璽琳 張 濱 章 澎

( ①同濟(jì)大學(xué)，巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200092)

( ②同濟(jì)大學(xué)，地下建筑與工程系 上海 200092)

( ③重慶市基礎(chǔ)工程有限公司 重慶 401121)

0 引 言

砂與黏土混合物在自然界中大量存在，工程建設(shè)時(shí)常需確定其工程特性。由于黏土和砂土物理力學(xué)性質(zhì)差異較大，不同比例的黏土和砂土組成的混合土力學(xué)特性變化復(fù)雜，因而有必要對混合土的力學(xué)特性開展相應(yīng)研究。

當(dāng)前國內(nèi)外已開展過摻黏粒砂土強(qiáng)度、抗液化性、壓縮性等的研究。Naeini et al. ( 2004) 開展不排水單調(diào)和循環(huán)加載三軸試驗(yàn)，研究了黏粒含量對砂土靜動(dòng)強(qiáng)度的影響規(guī)律。Monkul et al. ( 2007) 根據(jù)重塑高嶺土－砂混合土的固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果，研究了黏粒含量對混合土壓縮性的影響。Kim et al. ( 2005)通過開展直剪試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)，研究了黏粒含量對夯實(shí)的已分解花崗質(zhì)土力學(xué)性質(zhì)的影響。Sadrekarimi( 2013) 根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)測確立了一種評估砂土不排水剪強(qiáng)度的關(guān)系，并據(jù)此研究了黏粒含量對砂土液化強(qiáng)度的影響。劉建坤等( 2017) 開展三軸剪切試驗(yàn)，研究了凍融循環(huán)對含不均勻分布顆粒土的粗粒土應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系及剪脹特性的影響。衡朝陽等( 2001) 根據(jù)不同黏粒含量的重塑土動(dòng)三軸試驗(yàn)和X 光衍射試驗(yàn)結(jié)果，研究了含黏粒砂土的抗液化性能。朱建群等( 2007) 對含無塑性黏粒砂土進(jìn)行了三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)，研究了黏粒含量對砂土強(qiáng)度特性的影響。

環(huán)剪儀近年來被廣泛用于測試重塑土樣殘余強(qiáng)度。Sadrekarimi et al. ( 2009) 對環(huán)剪儀進(jìn)行了改進(jìn)，降低了應(yīng)力和應(yīng)變不均勻性的影響，并且防止了試驗(yàn)過程中土的擠出。Iverson et al. ( 2010) 基于環(huán)剪試驗(yàn)結(jié)果，研究了土骨料對泥石流的影響。Hoyos et al. ( 2014) 通過控制吸力的環(huán)剪試驗(yàn)得到了非飽和土的殘余強(qiáng)度。Jeong et al. ( 2014) 根據(jù)排水和不排水的環(huán)剪試驗(yàn)結(jié)果，研究了廢石料的剪切性能。王順等( 2012) 通過試驗(yàn)結(jié)果研究了不同環(huán)剪方式下滑帶土的殘余強(qiáng)度。孫濤等( 2009) 采用環(huán)剪儀對超固結(jié)黏土抗剪強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究。洪勇等( 2009) 對土工環(huán)剪儀的開發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，總結(jié)了應(yīng)變軟化和殘余強(qiáng)度方面的成果。楊有蓮等( 2009) 利用環(huán)剪試驗(yàn)研究了土與結(jié)構(gòu)接觸面的力學(xué)特性。

本文針對不同質(zhì)量比砂與高嶺土混合物的力學(xué)特性進(jìn)行環(huán)剪試驗(yàn)研究。采用不同質(zhì)量比的豐浦砂和高嶺土配制混合土，并在不同軸壓下開展固結(jié)排水環(huán)剪試驗(yàn)，進(jìn)一步根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果研究黏土含量對混合土強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 砂與黏土混合物試樣環(huán)剪試驗(yàn)

1.1 試樣制作

試驗(yàn)所用土樣通過豐浦砂與高嶺土混合制作。豐浦砂的顆粒累積級配曲線如圖1 所示，其物理特性為: d50= 0.17 mm，ds= 2.622，( ρd)min= 1.349，( ρd)max=1.638。黏土為1600 目煅燒高嶺土，呈粉末狀，d50=0.012 mm，ds=2.615，塑性指數(shù)Ip=19。將不同質(zhì)量比的豐浦砂和高嶺土配制混合土試樣，如圖2 所示。

圖1 砂土級配曲線Fig. 1 The particle size distribution curve of the sand

圖2 試驗(yàn)土樣配制過程Fig. 2 Preparation of the experimental soil

1.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)基于SRS-150 型環(huán)剪試驗(yàn)儀( 圖3) 開展。試驗(yàn)前將不同質(zhì)量比的砂土和高嶺土攪和均勻，然后將土樣裝進(jìn)環(huán)剪儀剪切盒，抽真空飽和除去土樣中的空氣。抽真空時(shí)間為1 h，之后打開出氣閥，待真空儀的壓力與外部壓力相同后靜置5 h，取出裝有土樣的剪切盒。土樣完全飽和后，將剪切盒安裝在環(huán)剪儀上進(jìn)行試驗(yàn)。剪切盒尺寸為: 內(nèi)徑100 mm，外徑150 mm，最大試驗(yàn)試樣高度25 mm。最大軸向加載壓力達(dá)10 kN，剪切速率范圍為0.001°/min ～360°/min，最大剪切角度為720°。試驗(yàn)時(shí)通過機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)上部剪切盒水平轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使土樣沿上下環(huán)狀剪切盒頂部的預(yù)設(shè)剪切面進(jìn)行剪切。

圖3 SRS-150 型環(huán)剪試驗(yàn)儀Fig. 3 SRS-150 ring shear apparatus

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

首先針對純砂土和純高嶺土試樣開展75 kPa、150 kPa、300 kPa 和600 kPa 軸壓條件下的環(huán)剪試驗(yàn)。在預(yù)定軸壓下固結(jié)24 h，待試樣內(nèi)部孔隙水壓和環(huán)剪儀軸向位移基本穩(wěn)定后，在2°/min 速率下對土樣進(jìn)行剪切。剪切時(shí)排水閥門始終打開，保證試樣在剪切過程中處于排水狀態(tài)。所得的剪切力與剪切角關(guān)系曲線分別如圖4 和圖5 所示。進(jìn)一步地，將純高嶺土和純砂土按質(zhì)量比為15︰1、7︰1、3︰1、1︰1、1︰3、1︰7 和1︰15 制作混合土樣后，在75 kPa、150 kPa、300 kPa、600 kPa 軸壓下進(jìn)行固結(jié)排水環(huán)剪試驗(yàn)。所得試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。結(jié)果表明在剪切角為15°前土樣達(dá)到峰值強(qiáng)度，其后隨著剪切角度增加，將出現(xiàn)兩種情況。第1 種情況是剪切強(qiáng)度降低直至殘余強(qiáng)度后基本保持不變。第2 種情況是在土樣達(dá)到一定剪切強(qiáng)度后保持在一個(gè)波動(dòng)很小的穩(wěn)定值。在剪切角達(dá)到20°后，剪切強(qiáng)度基本處于一個(gè)穩(wěn)定值，此時(shí)隨剪切角繼續(xù)增加，剪切強(qiáng)度變化幅度已很小。

通過試驗(yàn)結(jié)果對比分析表明，當(dāng)黏土與砂土質(zhì)量比大于1 時(shí)，試樣未表現(xiàn)明顯的軟化特性。但當(dāng)黏土與砂土質(zhì)量比小于1 及純砂土情況下，土樣均表現(xiàn)出不同程度的軟化現(xiàn)象。通過圖4 ～圖6 試驗(yàn)的曲線對比可看出，隨著黏土質(zhì)量占比的減少，土樣逐漸由持續(xù)硬化轉(zhuǎn)變?yōu)橄扔不筌浕?。說明黏土與砂土質(zhì)量比變化對混合土應(yīng)變特性有較大影響。此外，隨著黏土與砂土質(zhì)量比增加，同等軸壓條件下剪切強(qiáng)度呈下降趨勢?？傮w上，在砂土黏土混合試樣中，黏土與砂土質(zhì)量比變化將對土樣的應(yīng)變和強(qiáng)度特性有明顯影響。

圖4 豐浦砂試驗(yàn)結(jié)果Fig. 4 The test results of pure silica sand

圖5 高嶺土試驗(yàn)結(jié)果Fig. 5 The test results of pure kaolin clay

2 砂與黏土質(zhì)量比對強(qiáng)度的影響

為分析黏土與砂土質(zhì)量比對混合土樣強(qiáng)度參數(shù)的影響，根據(jù)環(huán)剪試驗(yàn)結(jié)果，得出黏聚力c 和摩擦角φ 兩個(gè)強(qiáng)度參數(shù)值。強(qiáng)度參數(shù)根據(jù)應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系確定，若土樣表現(xiàn)出軟化特性，將剪應(yīng)力峰值作為土樣的剪切強(qiáng)度; 若土樣持續(xù)硬化，由于土樣在剪切角大于20°時(shí)強(qiáng)度值變化已很小，故以剪切角20°時(shí)的剪應(yīng)力作為抗剪強(qiáng)度。取75 kPa、150 kPa、300 kPa 和600 kPa 軸壓下環(huán)剪試驗(yàn)得到的抗剪強(qiáng)度，得到強(qiáng)度線如圖7 所示。從圖7 可看出，高嶺土與砂土質(zhì)量比變化將明顯改變試樣的強(qiáng)度線。

圖6 不同質(zhì)量比高嶺土與砂土混合試樣試驗(yàn)結(jié)果Fig. 6 Test results of mixed samples of sand and kaolin with different mass ratio

圖7 不同高嶺土與砂土質(zhì)量比條件下混合土的強(qiáng)度Fig. 7 Strength of soil under different mass ratio of kaolin clay to sand

圖8 高嶺土與砂土質(zhì)量比對混合土強(qiáng)度參數(shù)的影響Fig. 8 Effect of mass ratio of kaolin clay to sand on the strength parameters of mixed soil

通過試驗(yàn)獲得的峰值強(qiáng)度線，得出不同高嶺土與砂土質(zhì)量比條件下黏聚力和內(nèi)摩擦角值變化如圖8 所示。通過圖8a 可看出，當(dāng)試樣為純砂土?xí)r，試樣黏聚力略大于零。其原因是所采用的砂土中含一定細(xì)顆粒，導(dǎo)致砂土試樣存在一定黏聚力，這可根據(jù)砂土級配曲線( 圖1) 看出。隨著黏土含量增加，黏聚力表現(xiàn)為先增加隨后減小的趨勢，當(dāng)高嶺土與砂土質(zhì)量比為1 時(shí)，黏聚力將達(dá)到最小值。隨著高嶺土含量的進(jìn)一步增加，黏聚力呈現(xiàn)出先增大再略減小的趨勢。這是由于當(dāng)混合物土樣中高嶺土與砂土質(zhì)量比變化時(shí)，土樣微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜變化，導(dǎo)致黏聚力呈現(xiàn)波動(dòng)。整體上而言，隨著高嶺土與砂土質(zhì)量比的增加，混合物土樣的黏聚力有增加的趨勢。圖8b曲線表明，當(dāng)高嶺土與砂土質(zhì)量比小于1 時(shí)，高嶺土所占質(zhì)量百分比增大時(shí)，土樣摩擦角變化不大，略有減小。這是由于當(dāng)高嶺土與砂土質(zhì)量比小于1 時(shí)，高嶺土主要存在于粗顆粒砂土顆粒間的孔隙中，因而對混合物土樣摩擦角的影響相對較小。當(dāng)高嶺土與砂土質(zhì)量比超過1 時(shí)，混合物土樣的摩擦角隨高嶺土與砂土質(zhì)量比增加明顯減小，純高嶺土的摩擦角達(dá)到最小值。當(dāng)高嶺土與砂土的質(zhì)量比大于1時(shí)，混合物土樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，細(xì)顆粒間的摩擦占全部顆粒間摩擦的比例隨高嶺土含量增大而增加，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角隨高嶺土與砂土質(zhì)量比增加而降低的趨勢得更明顯。

3 結(jié) 論

通過對不同質(zhì)量比的高嶺土和砂土混合物飽和試樣在75 kPa、150 kPa、300 kPa 和600 kPa 軸壓下進(jìn)行固結(jié)排水環(huán)剪試驗(yàn)，得到剪應(yīng)力－剪切角關(guān)系曲線。根據(jù)混合土的剪切強(qiáng)度，得到黏土與砂土質(zhì)量比對混合土黏聚力和摩擦角的影響規(guī)律。主要得到以下結(jié)論。

(1) 黏土與砂土質(zhì)量比對試樣強(qiáng)度和應(yīng)變曲線有較明顯的影響，隨著黏土與砂土質(zhì)量比的減少，應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系從持續(xù)硬化轉(zhuǎn)變到先硬化后軟化的特性，混合土剪切強(qiáng)度隨黏土與砂土質(zhì)量比增加而減小。

(2) 黏土與砂土質(zhì)量比對混合土的黏聚力影響并不明顯，在5～18 kPa 范圍波動(dòng)。當(dāng)黏土含量和砂土含量大致相當(dāng)時(shí)，黏聚力最小。

( 3) 隨著黏土與砂土質(zhì)量比增大，內(nèi)摩擦角持續(xù)減小。相比黏土與砂土質(zhì)量比大于1 的試樣而言，當(dāng)質(zhì)量比在1 以內(nèi)時(shí)，摩擦角減小得小一些。