含水率对灵敏性非饱和重塑粉土强度的影响

聂磊鑫+吴霞+彭秀生

摘 要：黄河中、下游区域粉土地层普遍存在，有些地区粉土灵敏度较高，其力学特征受含水率影响比较突出。为了尽量减少基坑工程事故，提高工程安全性，本项目开展不同含水率条件下灵敏性粉土强度试验，探讨含水率对灵敏性粉土强度的影响规律，积累试验数据及分析成果的同时，以期为基坑土压力时变性、粉土与地下结构物界面剪切特性等方面的研究打下基础。研究成果可为不同含水率条件下灵敏性非饱和粉土强度试验与分析提供借鉴，为工程实践提供参考，对于提高基坑工程以及整个建筑工程的安全性很有价值。

关键词：非饱和重塑粉土；含水率；三轴试验；抗剪强度

引言：

《土力学》[1]规定：塑性指数且粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重的50%的土，称之为粉土。这类土既不具有砂土透水性大、容易排水固结、抗剪强度较高的优点，又不具有粘性土防水性能好、不容易被水冲蚀流失、具有较大粘聚力的优点。在许多工程问题上，表现出较差的工程性质。本项目在实验室做实验的粉土是取自工地的，工地取来的粉土未经扰动的情况下，密度、含水率以及其它一些物理性质都是固定的，但是往往室内试验要改变原状土的一些物理性质指标如，含水率、干密度，这就需要实验人员把现场取来的整块的粉土打碎后烘干再加水配成所要的含水率后，再进行试验，这时相对于原状土来说，土的自身固有结构状态已经被人为破坏，因此相对于原状土，我们做了不同含水率下重塑粉土的强度试验及研究如下。

一、试验方案[2]-[5]

本试验用土取自郑州市庆元广场基坑工程，取土深度6.5m，按《建筑地基基础设计规范》分类方法，试验用土为砂质粉土，天然含水率15.6%，天然干密度1.65。

重塑土样制备：将原状粉土碾碎后过1mm筛，制作重塑土样。三轴试验所需土样为直径39.1mm、高度80mm的标准试样，重塑土样使用击实器压制而成，重塑土样干密度与原状土相同。试样制备方法如下：首先，在试样对开模中分5至8层击实，使每层质量大致相同，每装一层用击锤在一定高度做自由落体运动，共10次，以使其压密；然后，把接触面轻微刮擦一下，使每两层接触紧密，以免造成装样分层现象，制成直径为39. 1 mm、高度为80. 0mm的试样。并准确测量试样的高度、直径及质量，并将质量和尺寸误差不满足要求的土样剔除报废，并重做，直至满足要求。

自然风干法制备不同含水率的重塑土样：采用自然风干方法，不时称重稳定质量，然后将其放入保湿缸中养护2～3天，待试样内部水分均匀后即可用于试验。使用此法时切忌使试样暴晒，以避免试样出现裂纹而破坏试样的原状结构。从而得到含水率为9%、13%、15%、17%、19%、21%、25.2%（饱和含水率）七组土样，每组土样4个，其中3个用于三轴试验，1个用于测量土的含水率。

二、試验结果数据处理与分析

（1）围压对粉土试样强度的影响

以初始制样含水率9%、13%、15%、17%、19%、21%、25.2%（饱和含水率）七组重塑粉土试样为例，绘制不同围压（50 kPa，100 kPa和200 kPa）下重塑粉土试样的应力-应变曲线，随着围压增大，主应力差的峰值随之增大，主应力差相同时相应的应变越小；随着围压的增大，主应力差的峰值对应的应变随之增大。

（2）含水率对重塑粉土力学强度的影响

图2-2和图2-3分别是重塑粉土的黏聚力和内摩擦角与其含水率变化关系曲线，从图中可以看出，重塑粉土的粘聚力和内摩擦角都呈下降趋势。由以上两图分析：含水率由9%增加到25.2%，其c值由60.84 kPa下降到7.82 kPa，强度下降了87.15%；而其Φ值由37.19°降低到28.82°，只降低了22.51%。可见含水率的变化对粘聚力的影响更明显一些。

结论：

（1）通过对本实验结果的研究分析，得出重塑粉土强度随含水率的变化规律。对于含水率相同的试样来说，其抗剪强度随着围压的增大而显著增大。试样的抗剪强度随着含水率的上升而下降，粘聚力相对内摩擦角下降更为明显。

（2）粉土的应力应变表现为弱应变软化型，粉土破坏后仍有较大的强度。

（3）对于制备不同含水率的土样仍需很多的相关实验与创新，具有挑战性。

（4）粉土与含水率的关系是十分复杂的，本文只是分析了重塑粉土与含水率的关系，未与原状土之间的比较分析。

参考文献：

[1]刘忠玉. 土力学 [M]. 中国电力出版社，2007；138-142.

[2]罗军，王桂尧，匡波. 含水量对粉土强度影响的研究 [J]. 路基工程，2010.

[3]罗小龙. 含水率对粘性土体力学强度的影响[J]. 赣州地质工程勘察院.

[4]宋丹青，张洪瑞，冯兴波. 饱和粉土变形特性三轴试验[J]. 河南科技大学学报，2017.

作者简介：

聂磊鑫，（1995.11.10-）男，汉族，河南省商丘市人，郑州大学土木工程学院，专业：土木工程；

吴霞，（1996.8.21-）女，汉族，四川省西昌市人，郑州大学土木工程学院，专业：土木工程；

彭秀生，（1997.3.12-）男，汉族，江西省萍乡市人，郑州大学土木工程学院，专业：土木工程。