直接快剪条件下黏土抗剪强度影响因素探讨*

王星华，黄长溪，隆 威

(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410083;2.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙 410083)

土体抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力，是土的重要力学性质之一。影响抗剪强度的影响因素有很多，根据库仑公式可知:土的抗剪强度与法向压力σ﹑土的内摩擦角φ和土的黏聚力c三者有关［1－4］。影响抗剪强度的因素可归纳为两类:(1)土的物理化学性质影响;(2)孔隙水压力影响。本论文就针对黏土的孔隙比e﹑含砂量s对抗剪强度指标黏聚力c和内摩擦角φ的影响进行分析，从而建立黏土抗剪强度指标与孔隙比e﹑含砂量s的关系。

1 直接剪切试验方案

在工程中，黏土抗剪强度指标的影响因素很多。通过实际调查研究发现，既有内在因素:如孔隙比、含砂量等，也有外在因素:如土的应力历史及环境等［5－7］。为此，本文着重考虑了孔隙比、含砂量等影响因素，来研究抗剪强度指标与孔隙比、含砂量的关系。选用较均匀的黏土，粒径为0.075～1.000mm的标准砂，直剪样参数为D=61.8mm，H=20.0mm，V=60.0cm3。这样就可以根据所需配制的土样的体积和设计孔隙比﹑设计含砂量来计算所需要的土量和砂量，也就是说，可以通过控制土和砂的配比和掺量来精确控制直剪样的孔隙比和含砂量。

1.1 孔隙比对c和φ的影响试验

由

可得:

且

由式(2)～(4)可以求出所需的土量和水量:

式中:e为设计孔隙比;w为设计含水率;ρs为土的颗粒密度;ρd为土的设计干密度;V为土样的设计体积;ms为所需土的干质量;wo为土的风干含水率;mwo为所需的风干土的重量;mw为所需水的质量。

根据上述公式并设定w=26%，ρs=2.71，wo=8% ，便可计算出孔隙比取值分别为 0.4，0.6，0.8和1.0时所需土和水的用量。按计算的土量，将所需的水量均匀地洒在土里，拌匀，然后密封不小于20h，待其含水均匀，再转移到压样模具内压实成样，每组试验4个试样。分别在垂直压力0.1，0.2，0.3和0.4MPa下进行直接快剪试验。

1.2 含砂量对c和φ的影响试验

砂土混合后的平均颗粒密度:

由

得:

且

由式(10)～(13)及(2)～(4)可以求出所需的土量、砂量和水量:

式中:s为设计含砂量;ρ为掺砂后土样的平均颗粒密度;ρss为砂的颗粒密度;Ms为土与砂混合后的干质量;m砂为所需的标准砂的质量。

根据上述公式并设定w=26%，e=0.6，ρs=2.71，ρss=2.65，w0=8%，当在土中掺入标准砂含砂量取值分别为5%，10%，15%，20%，25%，30%，35%和40%时所需土、水和标准砂的用量。按计算的土量与砂量混合均匀，再将所需的水量均匀地洒在土里，拌匀，然后密封不小于20h，待其含水均匀，再转移到压样模具内压实成样，每组试验4个试样。分别在垂直压力 0.1，0.2，0.3 和 0.4MPa下进行直接快剪试验。

2 抗剪强度指标与其影响因素的关系分析

2.1 内摩擦角与各因素的关系

利用曲线拟合的最小二乘法［8］对内摩擦角的相关数据进行拟合，可以得到内摩擦角φ与孔隙比e、含砂量s的函数关系。

2.1.1 内摩擦角与孔隙比的关系

内摩擦角与孔隙比的关系如图1所示，具体函数关系式为:

由图1可知，内摩擦角随着孔隙比的增大而减小，形成1条抛物线。这是由于当孔隙比越小时，土颗粒挤得越来越紧密，在剪切过程中颗粒间的摩擦力逐渐增大［9］，故内摩擦角增大。反之，孔隙比越大，内摩擦角越小。

2.1.2 内摩擦角与含砂量的关系

内摩擦角与含砂量的关系如图2所示，具体函数关系式为:

图1 φ与e的关系Fig.1 Relationship between internal friction angles and void ratio

图2 内摩擦角与含砂量的关系Fig.2 Relationship between internal friction angles and sand content

由图2可知:内摩擦角随着含砂量的增加而减小，形成1条抛物线。这主要是因为随着含砂量增加，试样的密实度减小，比表面积减小，涵水能力减小［10］，从而试样自由水含量相对增加，在砂粒表面形成1层水化膜，而这种水化膜起润滑作用，在剪切过程中颗粒间的摩擦力减小，所以，试样内摩擦角减小;其次，本试样含砂量在较小范围内增加时，由于所加的标准砂中含有云母矿物，所以，内摩擦角相应越小。

2.2 黏聚力与各因素的关系

利用曲线拟合的最小二乘法，对黏聚力的相关数据进行拟合，可以得到黏聚力c与孔隙比e、含砂量s的函数关系。

2.2.1 黏聚力与孔隙比的关系

黏聚力与孔隙比的关系如图3所示，具体函数关系式为:

图3 黏聚力与孔隙比的关系Fig.3 Relationship between cohesion of clay and void ratio

由图3可知:黏聚力变化曲线是1条随着孔隙比的增大而逐渐减小的抛物线。其原因主要是:(1)当分子间距离r＞r0(r0=10－10m)且r＜10r0时，分子力表现为引力，当孔隙比增大时，r增大，分子间引力减小，黏聚力减小;(2)黏土颗粒上下平面带负电荷而边角处带正电荷，当孔隙比减小时，土颗粒间接触紧密，边对面及角对面的概率增多，因异性电荷而产生静电引力，从而黏聚力增大;(3)随着孔隙比的减小，土体越密实，则土颗粒间胶结作用增强［11］，黏聚力增大。所以，随着孔隙比的增大，黏聚力逐渐减小。

2.2.2 黏聚力与含砂量的关系

黏聚力与含砂量的关如系图4所示，具体函数关系式为:

图4 黏聚力与含砂量的关系Fig.4 Relationship between cohesion of clay and sand content

由图4可知:黏聚力变化曲线是1条随着含砂量的增大而逐渐减小的抛物线。这是因为砂土是无黏性土，黏聚力为0。所以，随着含砂量的增加，黏聚力减小。

3 结论

(1)孔隙比对黏土的黏聚力及内摩擦角都有影响，当孔隙比越小时，影响越大。孔隙比对黏聚力的影响要远大于对内摩擦角的影响。随着孔隙比的增大，黏聚力和内摩擦角都减小。

(2)含砂量对黏土的黏聚力及内摩擦角都有影响。随着含砂量的增大，黏聚力和内摩擦角都减小，且黏聚力减小的幅度更大。

在黏土的力学性质和工程性质的研究中，孔隙比和含砂量是2个不可忽略的因素。本文只是就孔隙比和含砂量对长沙岳麓区黏土强度的影响进行了初步探讨，还需进一步试验和研究。

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