砂类土力学强度试验研究

2018-09-21，，

地下水 2018年5期

，，

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安 710065)

砂土主要是由砂粒和粉粒、粘粒及砾粒等粒径混合的土。其工程性质及试验方法、参数取值，对工程建设具有重要意义。粘聚力和内摩擦角反应了土抗剪强度的指标，但是两者的作用机理是不同的[1-3]。在砂土中，所含颗粒的最大和最小粒径相差几个数量级。砂土的工程性质受到粗细粒径颗粒的共同制约，以非粘性颗粒为主导，粘性颗粒影响为辅。因此，从非粘性颗粒含量考虑对摩擦角影响，从粘性颗粒含量考虑对粘聚力影响的观点出发，依靠粒径等方便获得的物理指标，可建立依靠砂土粒径变化判定抗剪强度参数方法。

砂土作为土颗粒集合体，抗剪强度主要受砂粒含量、粉粒和粘粒含量、密实程度等影响[4]。目前，关于砂土剪切强度的研究，一方面从砂土粒度成分、密实程度、细粒含量等[5,6]方面分析抗剪机理[7]；另一方面从砂土的强度特性与颗粒破碎率程度、空间几何形状等进行分析[8]，研究认为颗粒破碎会改变颗粒粒径、颗粒级配、密实程度、颗粒间接触压力等，从而使颗粒间接触压力重新调整，接触压力均匀化，阻碍了剪胀的发挥，从而降低砂土材料的抗剪强度。本文从砂土抗剪强度发挥机理出发，通过对砂土的密实程度、砂粒组及粉粒和粘粒组含量对其抗剪强度进行量化分析，研究砂土颗粒混合体的表观抗剪强度与颗粒粒组及密实度的关系。在特殊条件下，有助于快速有效获取砂土体抗剪强度参数。

1 试验方法

剪切试验所用试样为采用取砂器钻孔取样，如图1。通过直剪试验，测定砂土的抗剪强度指标。

图1 取砂器取样

2 砂土体抗剪强度影响

2.1 砂粒组含量对砂土内摩擦角的影响

通过对不同类型的粗砂、中砂和细砂进行直剪试验和统计分析，图2所示为不同含量的粒径在0.075～2 mm之间的砂土对应的内摩擦角变化。随着砂粒组含量的增大，内摩擦角呈增大趋势。在不考虑土体粘聚力的情况下，抗剪强度主要决定于内摩擦力，包括土粒间相对滑动的阻力、滚动的阻力和土粒相互嵌接形成的咬合力。当剪切面上下部分颗粒发生相互移动时，首先必须克服咬合力，然后粒间摩擦阻力才起主要作用，对于砂土，颗粒越粗大，土体发生剪切变形所需要克服咬合力而爬的坡越长越陡，所需要的剪应力也越大。

图2 砂粒组累积百分含量与内摩擦角关系

2.2 粉粒和粘粒组含量对砂土粘聚力的影响

细粒土颗粒细小，含较多粘土矿物，粒间主要由结合水连接、胶结连接及微弱的毛细连接，其抗剪强度主要决定于粒间连结强度。图3为所示为砂土中粒径小于0.075 mm的颗粒含量与粘聚力对应关系。随着试样中小于0.075 mm颗粒含量增加，粘聚力呈增大趋势。小粒径的粉粒和粘粒充填在砂粒孔隙中，形成粘土基质，主要提供粘聚力，摩擦力很小。砂土中随着粉粒和粘粒含量增大，其力学性质将逐渐转变为非粘性颗粒和粘性颗粒共同作用。

图3 粉粒和粘粒累积百分含量与粘聚力关系

2.3 密实度对砂土内摩擦角的影响

图4为不同干密度砂土试样对应的内摩擦角变化。如图所示，随着试样干密度的增大，内摩擦角呈增大趋势。当砂土密实度增加时，颗粒之间相互咬合变的更加紧密，故土体发生剪切时，土颗粒发生滑动、滚动需要克服的障碍则增加的更多，内摩擦角越来越大。

2.4 密实度对砂土粘聚力的影响

图5所示为不同干密度砂土试样对应的粘聚力变化。砂粒主要矿物为原生矿物，其成分大多以石英、长石、云母等为主。一般意义上，对于组成砂粒的石英、长石等矿物颗粒是不可压缩的，粉粒和粘粒充填在砂颗粒之间的孔隙。因此，砂土干密度的增加，除了粒间孔隙的减小，将直接导致的是细颗粒得到压密。土的粘聚力是土颗粒-水-电系统间相互作用的结果，是颗粒间的引力和斥力的综合作用。除了胶结之外，粘聚力都是来源于颗粒间各种内部吸引而产生的正应力。也就是说，随着干密度增大，粉粒和粘粒之间更加靠近，导致粘聚力随之增大。

图4 干密度与内摩擦角关系

图5 干密度与粘聚力关系

3 砂土体抗剪强度机理分析

3.1 含砂率与抗剪强度的关系

砂土其结构特征主要以大粒径的砂粒形成骨架，提供摩擦力，几乎不提供粘聚力，且在其抗剪强度中占主导作用；低含量细粒径的粉土、粘土充填在砂粒孔隙中，形成基质，主要提供粘聚力。

已有的砂土抗剪强度试验结果表明，砂土中的非粘性颗粒和粘性颗粒含量变化存在一个区间，该区间内摩擦角和粘聚力变化明显，且砂土抗剪强度控制机制会发生质的变化(图6)。研究结果表明[9]，控制砂土抗剪强度作用机制变化的非粘性颗粒和粘性颗粒含量为P1=54%和P2=79%(以砂粒含量为准)。当砂土中的非粘性颗粒含量P>P2 时，其的抗剪强度主要由砂颗粒的摩擦强度提供；当非粘性颗粒含量Ps=P1～P2 时，砂土的抗剪强度部分由粘性颗粒提供，部分由非粘性颗粒的摩擦强度提供；当粗粒含量P

图6 掺砂率对砂土抗剪强度的控制界限[9-14]

3.2 密实度与抗剪强度的关系

土的密实度越大，其抗剪强度就越高。对于非粘性颗粒土来说，密度越大则颗粒之间的咬合作用越强，接触面积越大，因而摩阻力就越大；对于非粘性颗粒来说，密度越大则意味着颗粒间的距离越小，带电粒子之间的吸引力越大，结合水膜越薄，因而粘聚力也就越大[15]。因此，相对密度不变的条件下，砂土作为一种粗细颗粒混合土，其干密度基本是随砂粒含量的增大而增大，当砂粒含量增加时，由于砂粒相对粉粒和粘粒较大，同体积的砂颗粒代替同体积的粉粒和粘粒的个数多，从而使土体单位体积土重增大。

在粉粒和粘粒较多的情况下，而砂颗粒被细的粉粒和粘粒包裹，砂粒料还不能起骨架作用，此时试样的干密度主要取决于细的粉粒和粘粒，粗砂粒对其干密度影响较小，干密度值增加较缓慢；当粗砂粒含量增加到一定程度后，砂颗粒开始起骨架作用，粉粒和粘粒填充粗骨料形成的空隙, 使试样逐渐密实，干密度值增加较快，这就是干密度随砂粒含量增大而增大的主要原因。砂粒含量继续增大一定程度后，干密度增加逐渐变慢甚至有减小趋势，这是由于砂粒含量增大，空隙增加，细粒土不足以填充砂粒所形成的空隙而使干密度有减小的趋势，如图7。

图7 砂粒累积百分含量与干密度关系

3.3 抗剪强度预测

通过对不同干密度和砂粒组含量对内摩擦角、不同干密度和粉粒组、粘粒组含量对粘聚力影响进行回归分析，得到以下关系式：

φ1=16.496+0.183P1

必须要让基层民警了解并分清他们的服务职能，什么应该做，什么不应该做。基层警务工作者服务也不能事事都管，不属于基层警务工作者管辖范围不应该越权，这样会导致群众对于基层警务工作者工作的不满。加强对于基层警务工作者的岗位培训，让基层警务工作者了解目前的法律政策、自己的职能范围和与群众沟通交流的技巧等，让基层警务工作者在履行自身职责时更有底气和依据，并且在与群众交流过程中更容易得到群众的肯定。

(1)

φ2=23.153+6.541ρd

(2)

c1=6.819+0.196P2

(3)

c2=6.386+0.818ρd

(4)

式中：φ1，φ2为内摩擦角；c1，c2为粘聚力；P1为砂土中的砂粒组含量；P2为砂土中的粉粒和粘粒组含量；ρd为干密度；