黏土-砂混合物力学特性试验研究

(扬州大学建筑科学与工程学院 江苏 扬州 225127)

引言

目前，国内外学者对纯黏土的渗透性研究较多，而对黏土-砂混合物的渗透性研究较少。Taylor等[1]学者通过渗透试验，得到重塑黏土的渗透系数k的对数值与孔隙比e呈线性关系；Nagaraj等[2]学者通过对含水率在液限附近的饱和重塑黏土的研究，确立了e/eL与渗透系数间的线性关系；Achari等[3]学者在先前试验的基础上进一步提高了渗透系数的预测精度。

国内学者费康[4]对掺入钢珠的黏土试样和掺细砾石黏土试样进行了计算机断层扫描，发现粒间孔隙数量和体积随着粗骨料含量的增加而增大。随粗骨料含量的增加，混合物的压缩性先提高后降低。在不排水加荷下，高压缩性试样的孔隙水压力较大，抗剪强度较小。随着粗骨料含量的增加，混合土的内摩擦角逐渐增大。

现有研究主要探讨了含砂量对黏土-砂混合物渗透性[4-7]的影响，吴子龙等[8]学者研究了纯黏土与砂黏土混合物在渗透特性上的差异性。他们研究发现，黏土-砂混合物渗透系数的对数值与孔隙比之间呈现非线性关系，这与纯黏土的渗透特性不一致，见图1。

图1 孔隙比e与渗透系数k的关系曲线图

图2 不同含砂量e-lgp曲线图

一、黏土-砂混合物压缩/直剪试验研究实验方案

此次压缩/直剪试验所用的试样共分为5组，分别为纯黏土和含砂量为20%、40%、60%、80%的黏土-砂混合物。试验时控制5组试样的干密度和含水率不变(即试样中黏土颗粒、砂颗粒总质量和水质量均为常量)，通过改变黏土和砂颗粒的相对含量，使得砂粒质量占砂、黏土总质量的百分比分别为0、20%、40%、60%、80%。在压缩实验中对试样分级依次施加荷载25kPa、50kPa、100kPa、200kPa、400kPa、800kPa，当试样在每一级荷载下固结稳定后再施加下一级荷载，最后根据试验数据绘制e-lgp曲线图，并且得到压缩指数Cc。在直剪实验中对试样分别在100kPa、200kPa、300kPa、400kPa的垂直压力下排水固结稳定，然后快速施加水平剪切力直至试样剪坏。记录下每一垂直压力下试样剪坏时的剪应力，即该垂直压力下试样的抗剪强度，从而得到抗剪强度指标。由含砂量不同的5组试样绘制不同的抗剪强度与含砂量关系曲线图，通过比较各组试样的抗剪强度指标来分析含砂量对黏土-砂混合物的抗剪强度的影响。

二、黏土-砂混合物的压缩性试验研究

从试样压缩指数和含砂量的关系图(图2)中可以看出黏土-砂混合物的压缩指数随着含砂量的增加，先是逐渐增大，然后逐渐减小。含砂量在10%到30%之间(大约20%附近)时，压缩指数出现峰值，即此时的混合土压缩指数最大，压缩性最高。当含砂量在40%到60%范围内时，土的压缩指数下降得比较缓慢，土的压缩性变化不太明显。当含砂量继续增加时，土的压缩指数下降速度加快，土的压缩性变化较明显。

对此可以用黏土颗粒与砂颗粒的排列组合方式来解释：当含砂量较少时，土的压缩性主要由黏土控制。砂颗粒在土中处于悬浮状态，尚未形成砂骨架，并且砂颗粒周围易存在孔隙，在荷载作用下比纯黏土更易产生压缩变形，从而使得土的压缩指数随着含砂量的增加而增大，即土的压缩性逐渐增高。当含砂量在20%附近时，土中的砂骨架逐渐开始形成。继续增加含砂量，土中的砂骨架作用越来越大，土的压缩性由砂骨架控制，土的整体愈发密实，从而使得土的压缩指数随着含砂量的增加而减小，即土的压缩性逐渐降低。按照规律推测，含砂量增加到100%，即纯砂土时，压缩性降到最低。

含砂量在10%到30%之间存在一临界值。当含砂量小于该临界值时，由于砂颗粒在黏土中处于悬浮状态，未形成砂骨架，且砂颗粒周围存在孔隙，在荷载作用下更易产生压缩变形，土的压缩指数随着含砂量的增加而增大，达到峰值时压缩指数约为纯黏土时的1.1-1.2倍；当含砂量大于该临界值时，土中砂骨架的作用逐渐体现，土的压缩性逐渐由砂骨架控制，土的压缩指数随着含砂量的增加而减小，土的压缩性逐渐降低，含砂量为80%时的压缩指数大约只有峰值时的一半。

表1 含砂量与压缩系数表

三、黏土-砂混合物的抗剪强度试验研究

图3 粘聚力和含砂量的关系曲线图图

图4 内摩擦角和含砂量的关系曲线图

从(图3，图4)中可以看出，混合土的粘聚力c随含砂量的增加而减小；内摩擦角随含砂量的增加而增大。具体来看，当含砂量在0-20%附近时，随着含砂量的增加，粘聚力的下降幅度和内摩擦角的增长幅度均较小，曲线平缓；当含砂量在20%至60%范围内时，幅度较大，曲线较陡；当含砂量超过60%后曲线又趋于平缓。

对此可以从混合物结构组合特征以及颗粒间作用的角度作出如下解释：

当含砂量在0-20%内时，土中砂颗粒含量较低，未形成砂骨架，混合土以黏土颗粒为主。随着含砂量增加，黏土、砂颗粒间的摩擦力增大，内摩擦角增大(增幅不大)，由于砂颗粒含量较低，混合土的粘聚力c基本无变化(稍有降低)，此时混合土的抗剪强度由黏土控制。

当含砂量在20%-60%内时，土中存在砂骨架作用，颗粒间的摩擦作用增强，内摩擦角增幅较大。由于砂颗粒含量的增加，使得黏土颗粒间的联结力减小，即混合土的粘聚力明显减小，故图中该段粘聚力下降幅度较大，此时混合土的抗剪强度由黏土、砂颗粒共同承担。

当含砂量高于60%后，土中黏土颗粒含量较低，砂颗粒含量较高，砂颗粒之间直接接触且颗粒间孔隙较大，混合土的密实度较低，粘聚力逐渐降低到最小值。黏土颗粒间、黏土和砂颗粒间的摩擦力较低，混合土的内摩擦角基本不再增大，此时混合土的抗剪强度由砂颗粒控制。

四、结论

(一)不同含砂量下室内压缩实验

通过室内压缩试验，对五组含砂量不同的试样土的压缩指数进行分析，可以得到如下结论：

含砂量在10%到30%之间存在一临界值。当含砂量小于该临界值时，由于砂颗粒在黏土中处于悬浮状态，未形成砂骨架，且砂颗粒周围存在孔隙，在荷载作用下更易产生压缩变形，土的压缩指数随着含砂量的增加而增大，达到峰值时压缩指数约为纯黏土时的1.1-1.2倍；当含砂量大于该临界值时，土中砂骨架的作用逐渐体现，土的压缩性逐渐由砂骨架控制，土的压缩指数随着含砂量的增加而减小，土的压缩性逐渐降低，含砂量为80%时的压缩指数大约只有峰值时的一半。

(二)不同含砂量下室内直剪实验

通过直剪试验，得到了不同垂直压力下抗剪强度与含砂量的关系以及粘聚力和内摩擦角与含砂量的关系，具体结论如下：

1)在较低的垂直压力作用下，随着含砂量的增加，混合土的抗剪强度先是逐渐增大，然后逐渐减小，界限含砂量在40%-60%之间；在较高的垂直压力作用下，混合土的抗剪强度随着含砂量的增加而逐渐增大，纯黏土与80%含砂量混合土的抗剪强度相差20kPa左右，80%含砂量混合土比纯黏土的抗剪强度提高了10%左右。

2)混合土的粘聚力c随含砂量的增加而逐渐减小。开始降幅较小，当含砂量超过20%时，粘聚力下降的速度明显加快，变化明显，60%含砂量混合土的粘聚力只有纯黏土粘聚力的10%左右，而当含砂量达到80%时，粘聚力c已基本丧失。

3)混合土的内摩擦角随含砂量的增加而逐渐增大。开始增幅较小，当含砂量超过20%时，内摩擦角增大的速度明显加快。当含砂量达到60%以后内摩擦角基本无变化，含砂量为80%时的内摩擦角比纯黏土增加了3°左右。