宿州地区含水率对粉质黏土抗剪强度的影响研究

邵 政，张海涛，王建伟，李 凯，李波涛

（宿州学院 资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000）

1.引言

施工岩土体的自身性质在很大方面上决定着各项施工工程的成败与否，因此在工程开始之前，必须对即将开工的土地地基进行严格的检测，防止由于外因而产生的结构变形与差异问题，水平位移，地基沉降以及其他很多类型的岩土应力作用[1-3]；刘昭希[4]采用室内土工试验与理论分析方法，拟合出抗剪强度参数随含水率变化曲线表达式，得出荆江河岸黏土黏聚力在临界含水率存在峰值；穆锐[5]、张培培[6]等分别对红黏土进行不均匀含水率、不同含水率条件下抗剪强度指标试验研究，并提出含水率20%是红黏土抗剪强度减小快慢的分界点；陈磊等[7]通过常规三轴试验分析强度参数黏聚力和内摩擦角与含水率之间的关系，得到了非饱和黏土的抗剪强度计算公式。本文以宿州市为例，针对地表第四系粉质黏土在不同含水率下的抗剪强度变化规律进行研究，为找出该区地基承载力的特征值提供理论基础。

2.研究区域简介

工程区地层主要为太古界至第四系，其中主要缺失为下石炭统，上可追溯到上奥陶统。其中山体表层主要为“震旦系”覆盖，同时又被第四系冲击层所覆盖，层序自上而下为“震旦系”青白口系、奥陶系中统马家沟群灰岩，石炭系中、上统、二迭系下通石盒子组、第四系。由于宿州地理位置较复杂，因此相对应该区内的地形构造也是比较复杂的，形成目前的构造格局是经过多期、多向、多种构造体系复合的产物。多次构造运动对于本区都有影响，其中以将本市一分二的东西向符离集断裂为例。市区分界线北面，依次为皇藏峪复式背斜、支河向斜、青铜山—黑锋向斜、林厂背斜等主要地形构成。

3.取土与试验

研究样品取自宿州市西北部汴河沿岸，通过土工试验，按不同的土类分别展开物理力学性质指标的统计，经实验得出含水率、湿密度、干密度、孔隙比平均值（如表1所示）。

根据岩土的物理性质、静力学性质的不同，我们将室内土工试验分为常规试验和专门试验。试验针对各项指标得出的数据，数据的严谨程度将直接关系到整体工作的进展以及可行性问题。但由于外界因素的干扰，例如设备的颠簸等，对于试验也带来了一定的难度。所以，针对于如何解决室内土工试验室可能出现的问题变得十分重要。常规试验包括物理性质指标试验（如颗粒分析试验、液限和塑限试验、含水量试验等）和静力学性质指标试验（如压缩实验、抗剪强度试验等）[8-10]。

表1 研究区各土层物理力学性指标统计表

4.分析与讨论

4.1 含水率

含水率是土湿度的重要物理性质指标， 也是工程土施工质量控制依据之一。室内试验标准方法是烘干法。先称小块原状土样的湿土质量，然后置于烘箱内维持105-110℃，烘干到恒量，再称干土质量。湿、干质量之差就是土中所含水的质量，水的质量与干质量的比值就是水的含水率。

根据对岩土试样的测定得出：含水量在第3层最高，平均值为32.6%，其余3层含水量介于21.0%-26.9%之间，1层土中重粉质壤土含水量，介于21.9%-26.7%之间，平均为24.3%；2层土中砂壤土含水量最低，介于21.0%-26.5%之间，平均为23.5%。

根据图1可看出，该地区土壤中，颗粒状约细的位置，含水量也越大；而试样土位置越深，含水量则越少。含水率偏大，可能会形成橡皮土(又称弹簧土)，针对于这种情况，可以采取翻松、晾干、风干、换土回填、掺入干土或石灰等其它吸水性材料等措施。

图1 含水率变化折线图

土的最大孔隙比可用“松散器法”测定，最小孔隙比用“振击法”测定本次测验土样中，孔隙比最高的为第3层，平均为0.925。第4层重粉质壤土次之，介于0.538-0.923之间，平均为0.712。1层重粉质壤土，介于0.617-0.812之间，平均为0.703。2层砂壤土孔隙比最低，介于0.603-0.679之间，平均为0.634。

4.2 抗剪强度

因为所测验样地的独特位置，因此该样本属于含气泡沉积物以及工程中高含水率的压实土，对于这种样本，该试验都在不固结不排水的状态下开始。

根据图2可知，1层重粉质壤土粘聚力平均值为29.8kPa，内摩擦角平均值11.7度；2层砂壤土凝聚力平均值为8.7kPa，内摩擦角平均值为24.9kPa；3层重粉质壤土凝聚力平均值为36.2kPa，内摩擦角平均值13.1度；4层重粉质壤土凝聚力平均值为40.2kPa，内摩擦角平均值15.3度。

图2 内摩擦角、凝聚力变化折线图

在本次试验中，所取上层土样品中，我们可以看到，由于上层土中颗粒较细所以该样本中的含水量较小，而凝聚力较大。其次岩土体的抗剪强度则由互动面上土的凝聚力与土的内摩阻力两部分组成。而形成岩土体抗剪强度的这两部分数值越大，土的抗剪强度也越高。因此，我们可以得出了上层和下层的土样的抗剪强度高，中部的土样抗剪强度较低。

4.3 粉质黏土性质分析

根据以上多个土工实验和实验区的地质资料分析，该工程区土壤一共有四层，分别有重粉质壤土和砂壤土两种土，以下是各层土工程性质分析：

1层重粉质壤土，属中硬土，在该工程区内全区分布，厚度适中，呈硬塑状态，土质均匀性一般，工程性质较好。该区域内含水率较低，平均值为24.3%；干密度和湿密度较大，平均值为1.60和1.99g/cm3；孔隙比较小，平均值为0.703；内摩擦角最小，平均值为11.7度；凝聚力较大，平均值为29.8kPa。

2层砂壤土，属中硬土，在该工程区内全区分布，厚度适中，埋深较深，土质均匀，承载力一般，工程性质较好。该区域内含水率最低，平均值为23.5%；干密度和湿密度最大，平均值为1.65和2.04g/cm3；孔隙比最小，平均值为0.634；内摩擦角最大，平均值为24.9度；凝聚力最小，平均值为8.7kPa。

3层重粉质壤土，属中硬土，在该工程区内全区分布，厚度较薄，呈硬塑状态，局部夹粉土夹层，承载力一般，工程性质一般。该区域内含水率最高，平均值为32.6%；干密度和湿密度最小，平均值为1.42和1.89g/cm3；孔隙比最大，平均值为0.925；内摩擦角较小，平均值为13.1度；凝聚力较大，平均值为36.2kPa。

4层重粉质壤土，属坚硬土，在该工程区内全区分布，厚度大，压缩性低，承载力较高，工程性质较好。该区域内含水率较大，平均值为25.7%；内摩擦角较小，平均值为15.3度；凝聚力最大，平均值为40.2kPa。

5.结语

在系统的测试宿州市西北部岩土体土样的基础上，进行多种数理统计分析，并取得了如下结果：

实验区土中砂壤土含水率为21.0%-26.5%之间，重粉质壤土含水率为21.9%-26.7%之间；一般砂土孔隙比在0.603-0.679之间，粉土孔隙比在0.538-0.927之间。被测验区域的岩土体中孔隙比较小，岩土体之间的紧密度较大，发生压缩的可能性也较小。

工程区岩土体凝聚力在基本在22.4kPa-46.7kPa之间，内摩擦角在10.6°-26.5°之间，抗剪强度较大，为低压缩性细粒土，岩土体整体较稳定。

通过物理力学性质和静力学性质可以看出，实验区岩土体属于高密度，高压缩性土，孔隙比较小，抗剪强度大，工程性质较好，是良好的天然地基。