含黏风积沙的抗剪强度特性试验研究

张龙菊 黎 亮 孙艳玲 王新刚，2*

（1塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆阿拉尔 843300）（2浙江大学建筑工程学院，浙江杭州 310058）

塔克拉玛干沙漠位于塔里木盆地中央，面积约33.7万km2。由于该地区缺乏优质的筑路材料，风积沙被作为主要的路基填料，然而风积沙具有颗粒松散、级配不良，保水性差等特点，在大量用于路基填料之前要深入研究其路用性能。

李晓芳［1］对不同含泥量、不同粒径级配下的风积沙进行了直剪试验，研究结果表明抗剪强度和内摩擦角都随含泥量增加出现先增大后减小的现象。王毅等［2］结合甘肃营双高速公路，对路基填筑材料风积沙进行了直接剪切试验和三轴不固结不排水试验，结果表明，内摩擦角随风积沙的干密度增加而增大，三轴试验测得的内摩擦角比直剪试验所得内摩擦角要小一点。付兵先［3］通过不同含黏量条件下风积沙的直剪试验得出，含泥量、含水量、干密度都是影响风积沙抗剪强度的重要因素。陈忠达等［4］以塔克拉玛干沙漠公路为依托，对不同压实方式下的沙基回弹模量进行测定，表明振动压实处的回弹模量明显高于静力压实处的回弹模量，挖方路段大于填方路段，通车运行后回弹模量增大。张生辉等［5］对不同含水量、不同干密度的风积沙回弹模量进行测定，表明风积沙应力与回弹变形之间基本上呈直线关系，风积沙为弹性体，并且在含水量相同时，回弹模量随干密度增加而增大。王文娟［6］结合工程施工实例，研究了风积沙在干燥状态压实施工工艺，在压实机械、虚铺厚度、碾压遍数及机械行走速率等方面对风积沙干压提出了施工建议。平栓玲［7］结合巴新铁路风积沙路基的工程实际，提出了风积沙注水碾压法的路基施工工艺要点。通过试验段风积沙路基的相对密度Dr和压实指标K30，提出了最佳压实时的机械组合形式和风积沙最佳的虚铺厚度。柯诚等［8］采用室内击实试验和CBR试验，研究了风积沙的击实特性与强度特性，并结合工程实例，采用干压法对现场风积沙进行碾压，论述了风积沙碾压的特殊性，总结了风积沙干压的施工工艺流程。

由上述可知，在风积沙的路用性能研究方面取得了一定的成就，但对塔克拉玛干沙漠腹地及边缘风积沙的路用性能研究还不够深入。为了探讨该沙漠风积沙的剪切强度特性，本文在前人研究成果的基础上，通过大量的直接剪切试验，系统地研究初始干密度、含水量和含泥量对风积沙剪切强度特性的影响规律和作用机理。研究结果对沙漠地区风积沙路基的设计、施工及正常运营都具有很大的参考价值和指导意义。

1 风积沙剪切试验

1.1 取样

根据随机抽样方法，在塔克拉玛干沙漠腹地及边缘取得风积沙试样。风积沙颗粒分析结果见表1。

从颗粒分析试验结果可以看出，其粒径主要分布在0.075～0.15 mm之间，质量百分比高达92%以上；大于0.15 mm的颗粒比较少，为6.3%；而小于0.075 mm的颗粒也只有1.6%；由此表明，风积沙的颗粒组成很细且均匀，级配不良。

表1 风积沙颗粒分析结果

1.2 试验仪器

（1）ZJ型应变控制式直剪切仪：在不同的垂直压力下，对土样进行剪切，检测土的剪应力和剪应变的关系，再根据库仑定律，确定土的内摩擦角和粘聚力。

（2）标准击实仪：由击实筒和击实锤组成。

（3）环刀：内径61.8 mm，高20 mm。

（4）透水石：61 mm和63 mm

（5）其他仪器：电子天平、推土器、铝盒、拌土盆、烘箱等。

1.3 试验方案

本文设计正交直剪试验，针对南疆塔克拉玛干沙漠边缘风积沙的地质条件，试验共制备6种含水率、4种不同干密度试样，4种不同含泥量的试样，每组试样做3次相同试验条件下的直剪试验，最后结果取平均值，对数据进行分析和对比。通过不同含水率，不同含泥量及不同干密度等状态下的风积沙直剪试验，揭示抗剪强度与含水率、干密度及含泥量之间的关系。

2 试验结果及分析

2.1 干密度对抗剪强度的影响

为研究干密度对抗剪强度的影响，在干燥状态下，对4种不同干密度的风积沙试样进行了直接剪切试验，试验结果见表2。

根据表2的试验结果，对风积沙直剪试验的数据进行统计分析，得到试样的抗剪强度指标粘聚力c和内摩擦角φ值，并绘制其抗剪强度、c和φ与干密度的关系曲线，见图1、图2和图3。

表2 不同干密度的风积沙直接剪切试验结果(干沙)

由图1可以看出，随着竖向压力的增大，各种干密度的风积沙试样的抗剪强度明显增大，在同一级竖向压力下，各种干密度试样的抗剪强度没有明显变化，符合库仑强度理论。

由图2和图3可以看出，试样的抗剪强度指标c和φ值都随干密度的增大而增大。

出现上述现象的原因是：在含水率，含泥量一定的情况下，干密度越大，风积沙的密实度越大，土颗粒间的摩擦强度、咬合力就越大，在剪切强度特性上就会出现剪切强度增大、内摩擦角和粘聚力增加，反之，则随之减小。

图1 抗剪强度—干密度关系曲线

图2 粘聚力—干密度关系曲线

图3 内摩擦角—干密度关系曲线

2.2 含水率对抗剪强度的影响

为研究风积沙的含水率对其抗剪强度的影响，对6种不同含水率的风积沙试样进行了直接剪切试验，试验结果剪表3。

根据表3的试验结果，对风积沙直剪试验的数据进行统计分析，得到试样的抗剪强度指标c和φ值，并绘制其抗剪强度、c和φ与含水率的关系曲线，见图4、图5和图6。

表3 不同含水率试样的直接剪切试验结果

图4 抗剪强度—含水率关系曲线

图5 粘聚力—含水率关系曲线

图6 内摩擦角—含水率关系曲线

由图4可知，同一干密度条件下，随含水率增加，其抗剪强度呈现先增大后减小的趋势，在每一级竖向压力下，当含水率约为9%时，抗剪强度达到最大值，说明此时风积沙抵抗剪切破坏的能力最大，所以在风积沙地基工程施工中其含水率不能过大或过小，有一个最优含水率。

由图5和图6可以看出，粘聚力c随含水率的增加而增加，曲线起伏较大；内摩擦角φ则随含水率的增加而减小，但曲线比较平缓，变化不太明显。

这主要是因为在干密度、含泥量等条件一定的情况下，在含水率不大时，随含水率增加，风积沙颗粒间的结合水膜厚度增加，颗粒间的联结力增加；当含水量增加到一定程度时，颗粒间结合水膜过大，颗粒间的联结力则下降。由于水的润滑作用，颗粒间的摩擦一直虽含水率增大而减小。所以在剪切强度特性上风积沙表现出：随含水量增加，抗剪强度和粘聚力都呈现出先增大后减小的趋势，内摩擦角则一直减小。

2.3 含泥量对抗剪强度的影响

为研究风积沙的含泥量对其抗剪强度的影响，对4种不同含泥量的风积沙试样进行了直接剪切试验，试验结果见表4。

根据表4的试验结果，对风积沙直剪试验的数据进行统计分析，得到试样的抗剪强度指标c和φ值，并绘制其剪切强度、c和φ与含泥量的关系曲线，见图7、图8和图9。

表4 不同含黏量试样的直接剪切试验结果

图7 抗剪强度—含泥量关系曲线

图8 粘聚力—含泥量关系曲线

图9 内摩擦角—含泥量关系曲线

由图7可知，在每一级竖向压力下，风积沙的抗剪强度都随含泥量的增加而增加，竖向压力越大，抗剪强度增加趋势越明显。

由图8和图9可以看出，随含泥量的增加，风积沙的粘聚力C明显增大，而内摩擦角φ则呈下降趋势。

这主要是因为在干密度和含水率一定的情况下，含泥量增加，风积沙颗粒间的联结力明显增加，而颗粒间的摩擦仅有一定量的减小，所以就导致了风积沙抗剪强度和粘聚力明显增加，而其摩擦角减小的现象。

3 结论

通过塔克拉玛干边缘含黏风积沙在4种不同干密度、4种不同含泥量和6种不同含水率条件下的直接剪切试验，并对试验结果进行分析对比，得出以下几个结论：

1）含黏风积沙的抗剪强度特性与干密度、含水率和含泥量具有很大的相关性，但各影响因素作用机理和影响规律不尽相同；

2）随干密度增加，含黏风积沙的抗剪强度增加，近似呈直线变化；粘聚力C和内摩擦角φ随干密度增加也都呈现增加趋势，但变化曲线有很大不同：粘聚力与干密度呈先缓后陡的下凸关系曲线，当干密度小于1.55 g/cm3时，粘聚力增加速率缓慢，当干密度大于1.55 g/cm3时，粘聚力急剧增加；而内摩擦角与干密度呈先陡后缓的上凸关系曲线，当干密度小于1.60 g/cm3时，内摩擦角急剧增加，当干密度大于1.60 g/cm3时，内摩擦角增加趋势趋于平缓。

3）随含水率增加，含黏风积沙的抗剪强度和粘聚力先增大后减小：当含水率小于9%时，随含水率增加而增加，当含水率为9%时，抗剪强度和粘聚力都达到最大值，分别为80 kPa和11.5 kPa，当含水率大于9%时，随含水率增加而减小；而内摩擦角随含水率增加而减小，当含水率小于5%时变化比较剧烈，含水率大于5%时，变化趋势比较平缓。

4）随含泥量增加，风积沙的抗剪强度近似呈平缓的直线增加；粘聚力随含泥量增加呈上凸曲线增加，当含泥量小于20%时，粘聚力随含泥量增加急剧增加，当含泥量大于20%时，增加趋势平缓；而内摩擦角随含泥量的增加而减小，近似呈平缓的直线变化。