含泥量与含水率对三峡库区花岗岩风化砂细集料抗剪强度的影响

杨世文， 苏爱军*， 刘 孟， 林世权

(1.中国地质大学(武汉)教育部长江三峡库区地质灾害研究中心， 武汉 430074； 2.中土大地国际建筑设计有限公司， 石家庄 050011)

砂土因具有高承载力、沉降变形小及良好的压实性和透水性的特点，因此被广泛应用于高速公路、铁路的路基回填以及建筑地基工程中。砂土的工程性质不仅仅取决于砂土本身颗粒的坚硬程度，还取决于砂土的混合比例，当砂土混合比中：粗集料含量>细集料含量，砂土工程性质主要由粗集料决定；当细集料含量>粗集料含量时，砂土工程特性由细集料决定[1]。研究砂土细集料的强度特性，有助于工程设计的参数选取。

目前，许多学者对砂土的强度特性研究主要从掺入黏粒含量和含水量来研究。刘雪珠等[2]、朱建群等[3]在细砂里掺入黏粒含量得出剪切强度均与粉粒含量和围压成正比。董倩等[4]在对基质力对粉质砂土的研究提出低含水率对抗剪强度存在一个基质吸力峰值现象。冯晓腊等[5]研究黏粒含量对砂土抗剪强度得出含黏粒量为15%时，砂土抗剪强度呈现先增后减的现象。陈永健等[6]认为含膨润土对提高砂土的黏聚力胜于高岭土，而砂土的内摩擦角值最低时对应膨润土含量为10%，高岭土含量为15%。杨瑞雪等[7]对细砂的强度影响研究认为影响砂土强度因素按次要分别是干密度>黏性土含量>含水率。其中指出黏性土含量有明显提高砂土的内聚力，含水率对黏聚力和摩擦角的影响均较小。雷俊安等[8]分别对三峡库区风化砂中掺入粉煤灰，结果表明：掺入水泥含量呈正相关；粉煤灰掺量对黏聚力具有增大作用，对内摩擦角影响为先增后减的现象。吕玺琳等[9]研究黏-砂混合物的强度特性得出黏-砂混合物的强度与黏砂比有关，黏砂比大于1时内聚力最小;黏砂比由0→1%→2%的变化过程中，摩擦角的变化是先增大后减小现象降。慕青松等[10]研究表明，如低含水率下砂的抗剪强度随基质增加而增大,到某一定值时开始随基质的增大而下降；张睿敏[11]认为黏粒含泥量对抗剪强度影响受到含水率，弯月形作用面积，压力差三个方面综合效应。王海东等[12]认为含水率17.4%为非饱和砂土的一个界限含水率，在临界值之下，抗剪强度微幅降低.在临界值之上，抗剪强度急剧降低。曹志翔等[13]研究得出含水率为8%时，低法向应力下的黏聚力最大；在高法向应力时，内摩擦角值随含水率的变化很小。白琴琴等[14]研究得出基质吸力与含水率为反比关系，研究表明含水率为8%～10%时出现似黏聚力峰值。

统计资料表明，在湖北省三峡库区库岸段存在大量花岗岩风化砂，并被用作秭归新县城和宜昌市夷陵区太平溪镇的地基或路基的回填料。 其中秭归新县城回填面积约50×104m2，回填料粒度分布不均匀，细集料平均含量为53%，部分区域可达70%[15]。因此研究风化砂细集料抗剪强度对三峡库区库岸、秭归新县城和宜昌市夷陵区太平溪镇的回填地基以及路基稳定性具有重要工程意义。且目前关于三峡库区花岗岩风化砂细集料剪切特性的相关研究甚少。为此，以粒径≤2 mm花岗岩风化砂细集料为研究对象，采用四联式电动直剪进行抗剪强度试验，重点调查含水率和含泥量对细集料力学性质的影响，可为工程实践提供参考依据。

1 试验材料及试验设备

1.1 试验材料

试验所用风化砂取自三峡库区秭归县物流园附近花岗岩风化砂(图1)，由闪云斜长花岗岩风化而成，颜色呈暗黄褐色，颗粒分明，天然含水率低，不黏手，呈棱角形，松散状态，团块一揉就散。原始风化砂基本物理力学性质如表1所示。

1.2 细集料制备

根据文献[1]及《土工试验规程》(SL—1999)[16]将粒径2 mm的粗粒土作为粗料和细料的分界点。试验设计剔除异常大颗粒后以粒径0.075～2 mm的细砂作为基本骨架，粒径小于0.075 mm视为含泥量，对所取回填砂样品进行2 d晒干处理后，进行细集料的筛分、配制工作，试样筛分的采用筛盘直径为30 mm不锈钢振筛机进行。筛孔孔径筛分为：2、1、0.5、0.25、0.075 mm五种筛盘；筛分时间持续5 min左右。按照土工试验指导书，对原料回填砂分五次选取，每次取500 g，进行筛分试验求取平均值，筛分统计数据，如表2所示，累计曲线如图2所示。

图1 野外取样地点Fig.1 Field sampling site

表1 风化砂基本物理力学性质

表2 筛分结果统计

图2 2 mm以下风化砂累计曲线Fig.2 Accumulated curve of weathered sand below 2 mm

1.3 含泥量、含水率的测定及试验方案

1.3.1 配置原则

风化砂细集料配样原则是：每组试验保证其独立性的基础上，按照含泥量和含水率从低到高，逐渐加入粉黏粒和水的顺序进行，并配置均匀。

1.3.2 含泥量控制

从已筛好的砂料中选取2～0.075 mm的粒径作为细集料，把粒径<0.075 mm视为含泥量。按照混合比在细集料里掺入含泥量分别为0、5%、10%、15%。静置风干一天后分装入样品袋。

1.3.3 含水率制定

每次配样时从配置好的含泥量土样中称取 200 g 风干土样。然后依据设定含水率和风干含水率计算出加水量。加水量计算公式为

(1)

式(1)中：m为风干土样总质量，kg；mw为土样所需加水量，kg；ω0为风干土样总含水率，%；ω′为制样含水率，%。分别配置出含水率(5%、10%、15%、20%)的土样并装入样品袋。

1.3.4 试验方案

试验采取控制变量的方法进行，参照土工指导书的规定，在4个垂直压力(50、100、200、400 kPa)作用下进行，共16组试验。

(1)A组含量为0，设置不同的含水率：A1(5%)、A2(10%)、A3(15%)、A4(20%)。

(2)B组含量为5%，设置不同的含水率：B1(5%)、B2(10%)、B3(15%)、B4(20%)。

(3)C组含量为10%，设置不同的含水率：C1(5%)、C2(10%)、C3(15%)、C4(20%)。

(4)D组含量为15%，设置不同的含水率：D1(5%)、D2(10%)、D3(15%)、D4(20%)。

1.4 试验仪器及步骤

1.4.1 试验仪器

目前，测土体抗剪强度常用的仪器主要有直剪仪和三轴仪。三轴试验虽然能较好地还原土的原始状态，所测得值较为精准；但影响因素多，试验耗时较长。而四联式直剪仪受本身结构影响，难控制排水和难测定孔隙水压，实际剪切面有偏离最薄弱面，剪切面处应力分布不均匀，存在较高的残余强度；但由于其操作简单、制样简便、影响因素较少，因此应用广泛。由于三峡库区被用作地基和路基的花岗岩风化砂细料含量占有量较大，且直剪仪的试验结果能满足工程的需求，故选用操作简单，影响因素较少的四联应变控制式直剪仪来进行试验(图3)。

图3 四联电动直剪仪Fig.3 Quadruplex electric direct shear instrument

1.4.2 试验步骤

试验采用直接快剪的方式，剪切速率设置为0.8 mm/min。依次对A、B、C、D组试验按照土工试验规程[16]的试验准备、装样、固结、剪切等步骤逐一进行操作。每组试验同时进行4样的试验，在垂直压力分别为 50、100、200、400 kPa进行试验，在施加压力的时候，4个垂直压力需要同时且轻轻进行施加，试验后对数据进行及时整理，数据离散程度大时，补加试验组数。

2 试验结果及分析

2.1 风化砂细集料剪切结果

将不同的含泥量和含水率的砂土抗剪强度直剪试验结果整理如表3、图4所示。

由表3直剪试验结果显示，试验设计以含水率和含泥量为变量，风化砂细集料的抗剪强度结果得内摩擦角(φ)为20.9°～24.9°，黏聚力(c)6.4～21.3 kPa。可以看出，以含泥量和含水率作为变量，对细集料的抗剪强度值有一定影响，从内摩擦角和黏聚力的变化区间大小来看，两个试验变量对于黏聚力的影响作用比内摩擦角的要明显。①当含水率为20%时，含泥量为0、15%对应的所对应的内摩擦角分别为23.9°、20.9°，差值为3°；当含泥量为15%时，含水率为5%、20%所对应的内摩擦角分别为22.6°、20.9°，差值为 1.7°；可见含水率和含泥量对内摩擦角的影响较小，而且在控制其中一个量不变化条件下，含水率对内摩擦角的影响明显弱于含泥量。②当含水率为10%，含泥量为0、15%时分别对应的黏聚力为8.4、20.6 kPa，差值为12.2 kPa，此时黏聚力随含泥量的变化幅度是最大；而当含泥量为15%，含水率5%、20%分别对应的黏聚力为21.3、13.6 kPa，差值为7.7 kPa;此时黏聚力随含水率的变化幅度最大。对比含水率和含泥量的变化对黏聚力影响可知，含泥量对黏聚力影响较含水率的作用更加明显。

表3 16组常规直剪试验强度值统计表

图4 不同含水率、含泥量的砂土抗剪强度拟合曲线Fig.4 Fitting curves of shear strength of sand with different water content and mud content

观察图4中不同含水率、不同含泥量在法向应力变化下的抗剪强度及拟合线。从拟合方程的拟合度R2均为0.989～0.990，可知拟合曲线较好，表明抗剪强度与法向应力呈现非常好的线性关系。随着含水率和含泥量的增加，风化砂细集料抗剪强度包络线有下移趋势，这与文献结果[6]相似。在含泥量为0时，抗剪强度随含水率的增加而逐渐减小，含水率在15%之后有稍微反弹现象。在含水率为5%时，抗剪强度随含泥量和法向应力的增加明显增大。在含泥量为15%时，抗剪强度随含水率的增加而减小。说明在低含水率条件下，含泥量对砂土抗剪强度影响较大；在高含泥量下，抗剪强度随含水率的增加而呈现减小现象。

2.2 含水率，含泥量对抗剪强度的影响分析

2.2.1 含水率与抗剪强度关系分析

图5 不同含水率的砂土抗剪强度曲线Fig.5 Shear strength curve of sand with different water content

由图5可知，抗剪强度总体随含水率的增加而减小，当砂土在不同含泥量不同法向荷载下，含水率对抗剪强度的影响作用不同。在图5(a)中含泥量为0时，在50、100 kPa的低法向应力下，抗剪强度随含水率增大而明显增大，此时对应的含水率为10%。与文献[14]的研究结果适宜含水率为8%几乎一致，当含水率增大到15%后抗剪强度趋于平缓。图5(b)中，当5%的泥量在400 kPa高法向应力下，其抗剪强度在含水率为15%为最低值，且差值比其他荷载条件下也是最大的；当含水率为10%～15%时，抗剪强度先减小，在含水率为15%后抗剪强度有缓慢增大趋势。图5(c)中，抗剪强度随含水率的增大而明显下降，在含水率为10%～15%时下降斜率更加明显，与文献[12]结果相似，且法向荷载越大抗剪强度陡降越明显，剪切强度在含水率大于15%后，呈现先增大而减小逐渐趋于平缓。说明含水率增加到界限含水率时对抗剪强度不再具有明显持续影响作用。图5(d)含泥量为15%时，抗剪强度总体随含水率的增大先减小后增大现象，对应含水率为15%。即文献[4-5]中提到“峰值”现象。综上现象可知：①抗剪强度总体随含水率的增大而减小的，低含泥量和低应力下，适宜的含水率会对抗剪强度有一定提高作用；②试验现象表明，存在一个临界含水率，抗剪强度不会一直随含水率的增大而降低；当含水率为15%时，强度曲线趋于平缓，而且随法向应力和含泥量的增大会有反弹上升现象。

2.2.2 含泥量与抗剪强度关系分析

图6 不同含泥量的砂土抗剪强度曲线Fig.6 Shear strength curve of sand with different water content

由图6可知，抗剪强度总体随含泥量增大而增大，当砂土在不同含水率不同法向荷载下，含泥量对抗剪强度的影响作用不同。由图6(a)可知，含水率5%时，抗剪强度总体随含泥量增大而增大，在含泥量在5%～10%时，抗剪强度斜率增加较明显，含泥量大于10%后抗剪强度曲线趋于平缓。图6(b)中，含水率为10%时，当法向应力<200 kPa时，抗剪强度随含泥量增加而增大；当法向应力>400 kPa，抗剪强度随含泥量增加而增大发生折减，此时对应的含泥量为10%。图6(c)中，含水率为15%时，抗剪强度随含泥量的增大而减小；含泥量为5%时，法向应力<100 kPa下的抗剪强度曲线变化趋向平缓；法向应力为400 kPa的抗剪强度曲线在含泥量为10%时发生明显折减。图6(d)中，当含泥量小于10%时，抗剪强度整体随含泥量的增大而减小，当含泥量大于10%时，抗剪强度曲线随含泥量的增加而趋于平缓。由此可将10%含泥量定为风化砂细料的峰值，这与文献[6]的研究结果有点相似，二者峰值对应含泥量差值为5%，这是原始级配不同而产生的差异。综上可知：①低含水率条件下，抗剪强度随含泥量的增加而增大；但在含水率为10%，法向应力为400 kPa时，抗剪强度会发生折减，所对应含泥量为10%。②在高含水率条件下，抗剪强度随含泥量的增加出现先减小后而增大的现象，折减点对应的含泥量为10%。

2.3 含水率、含泥量对抗剪强度的机理分析

2.3.1 含水率对抗剪强度机理分析

图7 非饱和砂土气-液交界几何形状(据文献[5]修改)Fig.7 Unsaturatedsand rustic-liquid junction geometry (modified by ref.[5])

由图7(a)可知，含泥量为0时，即纯砂状态下进行剪切试验，抗剪强度主要来自砂土颗粒之间的咬合力，水的浸润降低颗粒之间的摩擦作用导致咬合力减小[13]。此外，水会在砂粒之间形成“弯月形水膜”使土体形成气-液-土三相共存结构体系[17]。含水率的增大与减小决定“弯月形水膜”的作用面积，从而在土粒空间里形成压力差来影响土的抗剪强度。因此，导致出现在含水率慢慢增到某一值附近时对抗剪强度有提高作用；当含水率超过某一阈值后，抗剪强度会发生折减。高应力会把“弯月形水膜”的有效作用面积彻底撕裂，基质吸力也随之消散，这也是法向应力为400 kPa下，抗剪强度发生剧烈折减的原因。

2.3.2 含泥量对抗剪强度的机理分析

由图7(b)、图7(c)可知，随着含泥量的增加，泥粒逐渐填充土粒间空隙，间接增加了砂砾之间的接触面积，增大了摩擦力，使抗剪强度得到了有效提高。在低含水率低法向应力下，随着含泥量的增加，土粒空隙被填充后让水迅速形成“弯月形水膜”有效作用面积增大，基质吸力得到迅速增大，从而提高抗剪强度；在高含水率下含泥量较低时候，土粒间空隙较大，含水率起润滑作用减弱抗剪强度；随含泥量增加，空隙被填充，抗剪强度得到提高。

2.4 含泥量、含水率对c、φ的影响分析

将表3数据绘制得含水率，含泥量与内摩擦角、黏聚力的关系如图8所示。

从图8(a)、图8(b)可以看出，内摩擦角均随着含水率，含泥量的增加而呈递减关系。图8(a)中知，内摩擦角随着含泥量增大而减小。含泥量为5%和10%的曲线具有同步递减特点；含泥量为15%、20%时曲线也具有同步递减的特点，但此时的曲线在含水率为5%～10%时先上升，在大于10%时突然陡降。说明含水率升高，土粒孔隙被水填充，形成水膜，在水的润滑作用下导致土颗粒之间摩擦力降低；当含泥量逐渐升高，土粒孔隙被含泥量填充形成基质吸力，增大土颗粒间相互接触面积从而增大摩擦力，所以含水率为15%和20%，含泥量为5%～10%时，内摩擦角曲线稍有缓增的现象。图7(b)可知，内摩擦角总体随含水率的增加而减小。含泥量为5%、10%，含水率为15%时开始，内摩擦角曲线变缓趋于稳定。表明含水率对砂性土的内摩擦角不再具有较大的持续影响作用,这与文献[12，14]的结论相似。

图8 含泥量，含水率与内摩擦角、黏聚力关系Fig.8 Relationship between mud content and water content and internal friction Angle and cohesion

由图8(c)、图8(d)可知，黏聚力随含泥量增加而呈现增大趋势，而随含水率增加呈现减小趋势；说明含泥量对黏聚力具有增强作用，含水率对黏聚力具有弱化作用。由图8(c)可知，黏聚力随含泥量的增加而增大。10%和15%的含水率曲线的黏聚力在含泥量为0～5%快速上升，在含泥量为5%～10%缓慢下降，在含泥量≥10%时，黏聚力随含泥量的增大而增大。表明含泥量的增加，土颗粒间的缝隙被填充，增大基质吸力，使内黏聚力增大；同时随着含水率增加，土颗粒间受到水膜的阻隔和润滑作用，所以出现含水率10%和15%的曲线的黏聚力在含泥量为5%～10%增长变缓甚至下降的现象。图8(d)中，黏聚力随含水率的增加而总体下降，在含水率为15%时趋向稳定。含泥量为5%和15%的曲线的黏聚力在含水率为0～10%时，表现为上凸递增，在含水率为10%～20%时，表现为急剧递减后缓的特点。说明在低含水率状态下，孔隙中水膜填充在土颗粒间,连接泥粒形成基质吸力和黏结力，从而增强了砂土的黏聚力。但随着含水率的继续增加，水分子浸润土粒缝隙及接触点，起到润滑作用从而降低了摩擦力，导致黏聚力随含水率的增加而降低。

3 结论

基于直剪试验，对三峡库区花岗岩风化砂细集料的剪切特性进行了研究，重点调查了含泥量和含水率对其剪切特性的影响，得出如下结论。

(1)含泥量和含水率对三峡库区花岗岩风化砂细集料的剪切特性有不同程度的影响。

(2)含泥量的增加会导致细集料内摩擦角的减小和黏聚力的增加。每增加5%的含泥量(0～15%)，内摩擦角会相应减少2%～4%，黏聚力会相应增加20%～40%。得出细集料的黏聚力对含泥量的敏感性数量级倍的高于内摩擦角。

(3)含水率的增加会导致细集料内摩擦角的减小和黏聚力的减小。每增加5%的含水率(0～15%，非饱和状态)，内摩擦角会相应减少1%～3%，黏聚力会相应减少10%～30%。得出细集料的黏聚力对含水率的敏感性数量级倍得高于内摩擦角。然而，当法向荷载为含水率高于15%(如20%)时，细集料内摩擦角及黏聚力的变化不再显著，因此，可认为15%含水率为细集料的临界含水率与文献[12]非饱和砂土内摩擦角在临界含水率在17.4%左右非常接近。可见，如果控制细集料含水率在15%以下，同时，减少其含泥量，可以相应提高细集料的黏聚力，进而提高其抗剪强度。