细粒含量对砂土三轴不排水强度的影响

2019-11-19陈筱竹郑晓洁

四川建筑 2019年5期

陈筱竹，郑晓洁，谭彩，万里，

(1.四川大学水利水电学院，四川成都 610065； 2.国网重庆市电力公司经济技术研究院规划评审中心, 重庆 400020；3.广东省水利水电科学研究院，广东省水动力学应用研究重点实验室，广东广州 510610)

含细粒砂是砂和细粒的混合料，在冲积层、水力冲填、海岸线附近自然沉积土层以及湖海相沉积中均广泛存在[1]。含细粒砂由于细粒的存在，其性质在砂与细粒土之间，其物理力学性质与纯砂有一定不同，故有必要对含细粒砂土的物理力学性质进行研究。

近年来，普遍认为细粒含量使工程特性发生变化的重要原因之一为细粒掺入后引起的孔隙比等的改变[2]。Georgiannou等[3]对含高岭土的饱和砂样进行了三轴压缩试验，结果表明含黏粒砂与纯砂相比具有更不稳定的性状。Thevanayagam和Martin[4]认为当粉粒含量超过30 %时，粉粒对土体性质的影响才表现出来。朱建群等[5]通过固结不排水试验分析了细粒含量对砂土强度特性的影响。Carraro等[6]通过研究发现饱和砂土的峰值应力和临界状态摩擦角随着黏粒含量增多而减小，而随着粉粒含量增多而增大。吕文芳[7]研究了松散粉质土在不同黏粒含量下强度指标的变化，表明内摩擦角、峰值强度、残余强度和随着黏粒含量增多而减小，稳态内摩擦角随着黏粒含量增多而减小，但变化幅度很小。田湖南[8]研究了不同细粒含量的砂土的性状，表明细粒含量对非饱和砂土强度影响显著，临界细粒含量在15 %～20 %之间；同一基质吸力情况下，随细粒含量的增加，内摩擦角减小，总凝聚力增加，且表观凝聚力随细粒含量呈线性增加；摩擦角随着粒间孔隙比的增大而减小。Troncoso等[9]对相同孔隙比，不同粉粒含量下的尾矿砂进行了循环剪切试验，发现在孔隙比不变的情况下，随粉粒含量的增多循环抗剪强度减小。秦红玉[10]通过大型三轴试验，对高低围压下粗粒料的应力应变特性、内摩擦角、抗剪强度进行了对比分析，研究表明细粒含量的增加使粒间的咬合力与颗粒表面的摩擦阻力减弱，导致抗剪强度降低。李会中等[11]分别对粒径大于和小于0.075 mm的颗粒进行了研究，并认为细粒含量与c成正比，与φ成反比。余宏明等[12]对含砾黏土的抗剪强度参数研究后得出：随黏粒含量的增加，粘聚力c增大，而φ随黏粒含量的增加而减小，在相同黏粒含量增幅比例下，c增加43.6 %，φ则降低33 %。虽然各国学者对细粒含量的试验研究较多，但对细粒含量对砂土的强度特性和应力应变关系的影响尚未达成共识[13]。

本文对细粒含量为0 %、10 %、20 %、30 %、40 %和50 %的饱和砂土进行固结不排水三轴压缩试验，分析细粒含量对砂土破坏偏应力、孔压和抗剪强度的影响。

1 试验

试样含细粒砂由砂土和高岭土混合组成。砂土为细砂，粒径d=0.075～1mm，相对体积质量Gs=2.65。高岭土粒径d<0.075mm，Gs=2.72，采用液塑限联合法测定高岭土液限wl=79%，塑性指数Ip=38，分类定名为高液限粉土MH。为探讨不排水条件下细粒含量对砂土强度和变形特性的影响，配置了细粒含量质量百分比fc分别为0 %、10 %、20 %、30 %、40 %和50 %的混合料作为试验备用土料，试验土料如图1所示，土料颗粒级配曲线如图2所示。级配特征参数不均匀系数Cu、曲率系数Cc、有效粒径d10、粒径d30、平均粒径d50和限制粒径d60如表1所示。试样尺寸直径D×高H=39.1mm×80mm，制样干密度1.59 g/cm3。

表1 试验土料级配特征值

(a)fc=0%

(b)fc=10%

(c)fc=20%

(d)fc=30%

(e)fc=40%

(f)fc=50%

图2 试验土料级配曲线

试验仪器为应变控制式三轴压缩仪，该仪器由压力室、轴向加荷系统、施加周围压力系统、孔隙水压力量测系统等组成。

对细粒含量0 %、10 %、20 %、30 %、40 %和50 %的砂土进行固结不排水三轴压缩试验。当细粒含量较多时，不便于水下装样，为保证制样方式一致，试样分三层击实以保证试样的均匀性。试样采用真空抽气饱和法进行饱和，饱和及试样用水均采用蒸馏水。围压σ3=100 kPa、200 kPa和300 kPa，剪切速率0.168 mm/min。

2 试验结果及其分析

2.1 应力-应变关系

不同细粒含量的砂土的偏应力q-轴向应变εa关系曲线见图3。取εa=15%对应的偏应力为试样破坏偏应力qf0。不同细粒含量的砂土的破坏偏应力见表2。

由图3和表2可知：

(1)在相同围压条件下，随细粒含量增多，qf先减小后增大，细粒含量为30%时qf最小，在100 kPa、200 kPa、300 kPa的围压条件下，qf最小值分别为192 kPa、335 kPa、501.8 kPa。

(2)在相同围压条件下，随细粒含量增多，其初始斜率先减小后增大，细粒含量30 %是其转折点。

(a)σ3=100kPa

(b)σ3=200kPa

(c)σ3=300kPa

细粒含量/%围压/kPa100200300048574710221039363287620301433674301923355024022738858150276476640

(3)不同细粒含量的砂土应力-应变关系曲线基本呈应变硬化型，试样呈鼓状破坏，试样破坏形态见图4。

图4 试样破坏形态

2.2 孔压

不同细粒含量的砂土的孔压u-轴向应变εa关系曲线见图5，不同细粒含量的砂土破坏时(εa=15%)的孔压见表3。由图5和表3可知：

(1)同一轴向应变εa下，随细粒含量增多，砂土孔压先增大后减小，细粒含量为30 %时孔压最大，取εa=15 %，在100 kPa、200 kPa、300 kPa的围压条件下，30 %细粒含量对应的孔压最大值分别为32 kPa、65.1 kPa、92.5 kPa。

(2)当细粒含量少时，试样呈先剪缩后剪胀趋势，表现为孔压先增大后减小，随细粒含量增多，试样逐步呈单调剪缩趋势，孔压表现为单调递增。

(3)随着围压的增大，孔压u-轴向应变εa关系曲线图初始斜率在逐级增大。细粒含量为20 %，砂土在100 kPa、200 kPa围压下由先剪缩后剪胀转化为在300 kPa围压下的单调剪缩。

表3 不同细粒含量砂土破坏孔压

2.3 抗剪强度

由摩尔-库伦强度理论得出内摩擦角与粘聚力的大小见表4。细粒含量与抗剪强度指标内摩擦角与有效内摩擦角关系曲线如图6所示，可知随细粒含量增多，土样内摩擦角φ和有效内摩擦角φ′，均先减小后增大，当细粒含量为30 %时，土样内摩擦角和有效内摩擦角最小；细粒含量为0 %时，试样内摩擦角φ>有效内摩擦角φ′，而其他细粒含量的砂土φ′>φ。这主要是细粒含量为0 %时，试样有受剪呈膨胀趋势，产生负孔隙水压力，等效于增大围压，提高了总强度。随细粒含量增多，试样逐渐向受剪压缩转变，产生正孔隙水压力，降低了总强度。有效应力为总应力与孔压之差，孔压为正时，摩尔圆左移，增大φ′，反之，则减小φ′。

细粒含量与抗剪强度指标粘聚力关系曲线如图7所示，