长春季冻区重塑粉质黏土抗剪强度影响因素研究

李向群，刘子毅，上官云龙

吉林建筑大学 测绘与勘查工程学院，长春 130118

0 引言

在工程中时常会用到填方土、回填土等扰动土体，而天然状态下粉质黏土具有较大的灵敏度，还具有结构性强、重塑后强度低等特点，所以对重塑后土体强度的研究具有实际意义.本文拟以长春市宽城区土壤为研究对象，通过直剪试验，研究不同干密度、含水率及法向应力对重塑粉质黏土抗剪强度的影响，并分析其变化规律，为当地扰动土的利用提供参考.

1 试验过程及方法

1.1 取样所在地

温带大陆湿润气候是长春市明显的气候类型.据记载最高气温可达40 ℃，最低温度为-36.5 ℃，全年降水量约为600 mm～700 mm，其夏季较短，严冬漫长，冰冻期5个月.

1.2 土样制备

清理研究区自然地面杂物及浮土，取土面纵向挖深6 m处，钻机钻入，取出棕色粉质黏土，将土破碎后配制成15 %，20 %，25 %和30 %等4种含水率分别进行制备，并用保鲜袋密封养护24 h使其充分浸润.实验装置为ZJ型应变控制式直剪仪(南京宁曦土壤仪有限公司)，每种含水率以干密度1.3 g/cm3，1.4 g/cm3，1.5 g/cm3，1.6 g/cm3压入内径61.8 mm、高20 mm的环刀，每组选取含水率、干密度相同的4个环刀样，4组加载压力按《土工试验方法标准》规范[1]从100 kPa递增至400 kPa.快剪试验的剪切速率按《土工试验方法标准》规范[1]设置为0.8 mm/min，并设置将样品控制在3 min～5 min内达到8 mm的剪切量.试验过程按照《土工试验方法标准》规范[1]进行.

2 试验结果分析

2.1 含水率对粘聚力和内摩擦角的影响

图1表明，含水率增加，黏聚力显著降低；含水率较低时，不同干密度下重塑土的粘聚力差距较大；当含水率升至30 %时，4种干密度所对应的粘聚力十分接近.图2表明，含水率增加，重塑土的内摩擦角随之减小；当干密度逐渐增大时，随着含水率增大，内摩擦角出现小幅回升趋势，并最终趋近同一数值.

图1 不同干密度ρd下粘聚力随含水率的曲线Fig.1 Curves of cohesive force with moisture content under different dry densities ρd

图2 不同干密度ρd下内摩擦角随含水率的曲线Fig.2 Curves of internal friction angle with moisture content under different dry densities ρd

2.2 干密度对粘聚力和内摩擦角的影响

由图3可见，粘聚力随干密度的增加也会逐渐上升，显然低含水率试样的粘聚力变化出现骤升，含水率高的曲线则趋于平缓，因此扰动粉质黏土的含水率越低，土样粘聚力受干密度的影响越敏感.

图4表明，干密度递增对内摩擦角的影响并不明显，含水率相同条件下，随干密度的增加，内摩擦角在小范围内波动.

2.3 不同法向应力下抗剪强度随含水率的变化曲线

图5～图8为干密度ρd分别等于1.3g/cm3，1.4g/cm3，1.5g/cm3和1.6g/cm3时，不同法向应力σ下抗剪强度随含水率的变化曲线.同一含水率下，法向应力大的试样抗剪强度也越大，但幅度有限，而同一法向应力下，抗剪强度却随含水率的升高而显著降低.由此可见，增加含水率对土体抗剪强度的削弱远超过法向应力.

图3 不同含水率ω下粘聚力随干密度的曲线Fig.3 Curves of cohesive force with dry density under different moisture contents ω

图4 不同含水率ω下内摩擦角随干密度的曲线Fig.4 Curves of internal friction angle with dry density under different moisture contents ω

图5 干密度ρd1.3 g/cm3时不同法向应力σ下抗剪强度随含水率的曲线Fig.5 Curves of shear strength with moisture content at dry density ρd of 1.3 g/cm3 under different normal stresses σ

图6 干密度ρd1.4 g/cm3时不同法向应力σ下抗剪强度随含水率的曲线Fig.6 Curves of shear strength with moisture content at dry density ρd of 1.4 g/cm3 under different normal stresses σ

图7 干密度ρd1.5 g/cm3时不同法向应力σ下抗剪强度随含水率的曲线Fig.7 Curves of shear strength with moisture content at dry density ρd of 1.5 g/cm3 under different normal stresses σ

图8 干密度ρd1.6 g/cm3时不同法向应力σ下抗剪强度随含水率的曲线Fig.8 Curves of shear strength with moisture content at dry density ρd of 1.6 g/cm3 under different normal stresses σ

2.4 不同法向应力下抗剪强度随干密度的变化

图9～图12为含水率ω分别为等于15 %，20 %，25 %，30 %时不同法向应力σ下抗剪强度随干密度的变化曲线.同一干密度下，法向应力大的试样抗剪强度大幅增加，呈正相关，而同一法向应力下，抗剪强度也随干密度的升高而不断增大.

图9 含水率ω 15 %时不同法向应力σ下抗剪强度随干密度的曲线Fig.9 Curves of shear strength with dry density at moisture content ω of 15 % under different normal stresses σ

图10 含水率ω 20 %时不同法向应力σ下抗剪强度随干密度的曲线Fig.10 Curves of shear strength with dry density at moisture content ω of 20 % under different normal stresses σ

图11 含水率ω 25 %时不同法向应力σ下抗剪强度随干密度的曲线Fig.11 Curves of shear strength with dry density at moisture content ω of 25 % under different normal stresses σ

图12 含水率ω 30 %时不同法向应力σ下抗剪强度随干密度的曲线Fig.12 Curves of shear strength with dry density at moisture content ω of 30 % under different normal stresses σ

3 结论

(1) 初始含水率对扰动粉质黏土的稳定性具有重大影响.同一密度下，随含水率的增加，粘聚力呈骤减趋势，且在含水率较低时尤为明显；重塑土的内摩擦角随含水率增加而递减.含水率增大时，试验表明，内摩擦角出现小幅回升.当干密度增大时，粘聚力也会逐渐增加，含水率偏低的土样受干密度的影响更大；内摩擦角受干密度的影响并不敏感，整体呈现波动，波动的度数范围控制在个位数.上述结论与霍晨琛等[2]人、申春妮等[3]人的研究成果相似.

(2) 含水率一定时，法向应力大的试样抗剪强度也越大，但幅度有限.工程上可以通过适当增加竖向荷载，以提高粉质黏土土体稳定性.然而，同一干密度下，随含水率的升高导致自由水增多，结合水膜增厚，同一法向应力下，抗剪强度出现骤降.由此可见，土体抗剪强度对含水率的变化更为敏感.干密度一定时，法向应力与抗剪强度也呈正相关，且保持含水率相同时，若干密度增大，土体中孔隙减少，各土粒间摩擦增大，咬合更紧，抗剪强度也随干密度升高而不断增大.