砂含量对低液限粉质黏土力学性能影响分析

2021-03-13张常书

兰州工业学院学报 2021年1期

张常书

(中铁十八局集团有限公司，天津 300222)

由于粉质黏土的成因类型不一，所表现的工程性质相差很大.特别是在富水粉质黏土-砂层当中，土样含砂率的变化使土层性质发生改变，从而给工程实际带来诸多问题，如“泥饼”、喷涌、工后沉降过大等，而且在室内试验控制标准上较难把握.代金秋通过真三轴试验，研究了复杂应力路径条件下粉质黏土强度特性[1].杨成松通过对含盐粉质黏土进行三轴压缩试验，分析了该粉质黏土在破坏过程中的应力应变行为[2].陈善雄研究了原状粉质黏土的卸荷变形特性[3].武欣慧通过改变水泥掺量研究水泥改善粉质黏土的工程特征[4].叶朝良通过试验研究了纯砂和水泥改良粉砂的强度特性[5].边加敏研究了含水量对非饱和土抗剪强度的影响，用含水量确定非饱和土抗剪强度的计算参数[6].战高峰通过室内静三轴试验,研究了冻融循环作用对石灰处置粉质黏土强度的影响[7].王立娜通过动三轴试验研究了冻结粉质黏土的变形特性[8].周国庆通过试验，获得了温度梯度和应力路径对冻结中砂应力-应变特性的影响[9].涂义亮通过干湿循环和三轴剪切试验,对不同荷载条件下经历不同干湿循环次数的粉质黏土的强度和变形进行了研究[10].殷德顺模拟邓肯-张模型思路推导了不同应力路径下的切线模量公式,从而使模量公式系列化,扩大了邓肯-张模型适用范围[11].上述研究成果对原状粉质黏土、含盐粉质黏土、水泥改良粉质黏土、石灰处置粉质黏土等进行了研究，但是对于粉质黏土-砂地层土样，由于含砂率变化带来的各种工程问题的变化规律还尚需进一步研究.

本文选取低液限粉质黏土，通过控制不同的含砂率和含水率，进行三轴不固结不排水三轴试验，探讨不同围压条件下含水率和含砂率对于低液限粉质黏土-砂应力应变关系、强度特性和破坏特性的影响.

1 研究方法

1.1 土样

试验所用土样为低液限粉质黏土，土样试验参数见表1，土样颗粒分析曲线如图1所示.

根据固结试验得出该土样的压缩模量为5.01 MPa，压缩系数为0.36 MPa-1，即该低液限粉质黏土为中压缩性土.天然粉质黏土层压缩沉降量大，压缩固结稳定较快.根据变水头试验最终结果为渗透系数k处于2.02×10-5～1.44×10-5cm/s的范围内，属于微透水.土样的不均匀系数Cu=44.44，曲率系数Cc=0.84.土样不均匀系数过大，土的级配不连续，中间粒径缺失主要集中在0.06～0.08 mm之间，并且曲率系数Cc<1，土样级配不良，各粒组间孔隙的连锁充填效应较低，土的密实度较差.

表1 试验土样物理参数

图1 土样颗粒分析曲线

1.2 试验方案

由于在粉质黏土-砂层中，粉质黏土和砂的含量并不能准确得到.根据工程实际情况，在该粉质黏土土样中分别加入30%、50%、70%的砂，通过每组土样的性质从而得出在粉质黏土-砂层的强度变化规律.不同含砂率土样物理性质如表2所示.

表2 不同含砂率土样物理性质

根据工程实际情况，采用不固结不排水三轴剪切试验研究土样应力应变关系. 按照最优含水率递减2%分别配置不同含水率土样，拌和均匀后，封闭好放置24 h.计算土样在95%压实度、不同含水率时的土样质量，将一定质量的土样放入制样器，分层夯实，得到直径为61.8 mm、高度为120 mm的圆柱形试样.

试验仪器采用应变控制式三轴仪，轴压系统由主机控制，围压系统由另一套静水压力系统控制.剪切速率为0.75%/min，停止试验.其他试验条件如表3所示.

表3 试验条件

2 试验结果分析

2.1 不同含砂率的应力应变曲线

不同含砂率粉质黏土试样在经历三轴剪切作用后，都发生了明显的塑性变形.土样破坏形式如图2所示：当试样含砂率为30%、含水率为18.5%时，试样主要发生鼓形破坏，即试样由圆柱形被压成中部鼓出形；当试样含砂率为70%、含水率为10.5%时，随着含水率的降低和围压的增大，土样破坏形式主要为出现明显剪切裂缝的破坏形式.

图2 试样破坏形式

图3给出了围压为100 kPa时，30%、50%、70%含砂率土样分别在其最优含水率时的应力应变曲线，大致分为3部分：应力随应变线性增加的弹性阶段；应力增加速率减慢的弹塑性阶段；应力逐渐趋于稳定的破坏阶段.为了减少试验取点的误差，取最大主应力差值为破坏强度.由图3曲线表明：随着含砂量的增大，初始阶段的线性应力-应变关系越长，即屈服点上升，极限抗压强度增大；且随着含砂量的增大，主应力差增大越来越明显，土样抵抗变形的能力越来越强.

图3 围压100 kPa下各含砂率土样在其最优含水率时的主应力差与应变关系曲线

当围压为400 kPa时，30%、50%、70%含砂率土样分别在其最优含水率时的应力应变曲线如图4所示，可以看出：随着围压的增大， 30%、50%含砂率土样的最大主应力差值改变不大，而对于70%含砂率土样的最大主应力差值有着明显的影响.由此可以得知，含砂率在50%以下，对土样强度影响的主要因素是粉质黏土，当含砂率达到70%以上时，土体抵抗变形的主体为砂，即低液限粉质黏土-砂层中存在区分的界线.对于工程实际来说，70%含砂率足可以作为区分低液限粉质黏土-砂层强度影响因素的参考值.

图4 围压400 kPa下各含砂率土样在其最优含水率时的主应力差与应变关系曲线

最优含水率土样在100、200、300、400 kPa围压条件下的应力应变曲线如图5所示，可以看出：当含砂率为30%时，随着围压的增大，各最大主应力差值也相应增大，100 kPa和400 kPa围压条件下，最大主应力差值由89.3 kPa增大到了141.4 kPa，最大主应力差值增大了52.1 kPa；当含砂率为50%时，随着围压的增大，各最大主应力差值也相应增大，但是增大幅度很小；当含砂率为70%时，随着围压的增大，100 kPa和400 kPa围压条件下，最大主应力差值发生了很大变化，由231.9 kPa增大到了488.6 kPa，最大主应力差值增大了256.7 kPa；土样中不加入砂时，随着围压的增大，最大主应力由253.6 kPa增大到了603.2 kPa.

(a) 30%含砂率

由图5可以得出以下结论：

1) 低液限粉质黏土-砂土样的应力应变曲线总体呈现为硬化型曲线，在30%含砂率和50%含砂率时，随着围压的增大，最大主应力差值变化幅度较小.表明在该含砂率时，土样的强度对压力的变化不是很敏感，低液限粉质黏土-砂的联结和压密效果不好，抵抗外部变形的能力差.这也是当盾构隧道穿越低液限粉质黏土-砂层，地层受到扰动时，容易产生较大变形以及坍落的原因之一.

2) 随着含砂率的增大，应力应变曲线初始阶段即弹性阶段斜率变小、变形减小，弹-塑性阶段变形增大，即含砂率低土样比含砂率高土样弹性效果好，但是易达到屈服点，随即开始塑性阶段，抵抗外部变形能力弱.含砂率高的土样弹性效果较差，在抵抗外部变形时，弹-塑性阶段拉长，土样压密效果较长，即屈服点缓慢上升，随后才开始压密阶段.在工程实际当中，当含砂率较低时，土体容易被破坏，变形能力小;当含砂率较高时，土体抵抗外部荷载能力强，但是工后沉降期长，易产生较大变形.

3) 低液限粉质黏土-砂层是黏土和砂的混合，砂的加入使原有粉质黏土土粒间的胶结物质以及土粒、离子、水分子所组成的平衡体系发生改变，从而土样性质发生改变.因此在工程实际当中，当盾构穿越特定含水率粉质黏土层时比穿越特定含水率粉质黏土-砂层时的工程风险低.

2.2 不同含砂率的最大主应力差值

在研究低液限粉质黏土时，发现低液限粉质黏土表现为很强的水敏感性，当土样含水率变化幅度约为2%时，都会使土样强度发生明显变化.在超过土样最优含水率时，随着含水率的增加，粉质黏土强度降低，当土样饱和时，围压的改变对粉质黏土的强度影响已经很小. 如图6所示为含砂率为30%、70%土样在各自最优含水率，以及最优含水率递减2%时，各围压条件下的最大主应力差值曲线.

由图6(a)可以看出：当含水率为18.5%时，各围压条件下最大主应力差值变化不大;当含水率为16.5%时，各围压条件下最大主应力差值比18.5%含水率土样明显增大;当含水率降至14.5%时，各围压条件下最大主应力差值比16.5%含水率土样明显增大，且上升幅度大于18.5%含水率到16.5%含水率土样最大主应力差值增大幅度.这主要是因为当含砂率为30%时，对土样性质起决定性作用的是低液限粉质黏土，含水率的变化对于土样强度的影响很敏感.

(a) 30%含砂率

由图6(b)可以看出：在100、200 kPa围压时，70%含砂率土样各含水率下的最大主应力差值基本一致，并没有因为含水率的变化而发生很大变化;随着围压的增大，各含水率最大主应力差值发生改变，且含水率越低，其最大主应力差值越大.

综合以上表明：在低液限粉质黏土-砂层盾构施工当中，当含砂率较小时，要注意地层含水率的变化；当含砂率较大时，地层压力较小时，含水率对于该土层的影响较小，但要考虑工后沉降过大的问题；当地层压力较大时，含水率的变化对于土层的影响变大.

2.3 应力-应变曲线关系分析

图7 轴向应变与主应力差的比值关系曲线

(1)

式中：a为直线的截距；b为直线的斜率；a、b都是与土的性质有关的试验常数.

选取30%、50%、70%含砂率土样在各自最优含水率时的有效应力应变数据，计算参数a、b的值，如表4所示.

表4 参数a、b计算值

式(1)符合邓肯-张对土体应力-应变曲线描述的模型，所以切线模量为

(2)

图8为通过公式回归求得a，从而得到初始弹性模量所呈现的不同围压条件下，初始弹性模量和含砂率的关系.从图中可以明显看出，低液限粉质黏土-砂的初始弹性模量随着含砂率的增大而增大，而且对于同一含砂率土样，围压越高初始弹性模量越大.

图8 初始弹性模量和含砂率关系曲线

图9为通过公式回归求得b，从而得到最大主应力差的值所呈现的不同含砂率土样在不同围压条件下最大主应力差的对比曲线.在不同围压条件下，土体破坏的最大主应力差值随土样的含砂率增大而增大；当含砂率低于50%时，最大主应力差值变化幅度很小；当含砂率大于50%时，土样的最大主应力差值明显增大.

图9 最大主应力差值和含砂率关系曲线

2.4 孔隙比对土样最大主应力差值的影响

如图10所示为土样在最优含水率、最优含水率减2%、最优含水率减4%时，各围压条件下的最大主应力差值，可以明显看出：

1) 由图10(a)可得在含砂率为70%下土样最优含水率时，随着孔隙比的增大，最大主应力差值逐渐减小，并且在孔隙比较小时，最大主应力差值减小幅度明显大于孔隙比较大时的最大主应力差值.当孔隙比为0.368时，土样最大主应力差值随着围压的增大变化幅度很小.

2) 由图10(b)可得在含砂率为30%下土样含水率从最优含水率减2%时，最大主应力差值随着孔隙比的增大先增大后减小.在100 kPa围压时，土样孔隙比为0.386和0.332时，最大主应力差值基本一致，随着围压的增大，孔隙比为0.332时最大主应力差值增大幅度明显大于孔隙比为0.386时.当土样孔隙比为0.368时，土样最大主应力差值随着围压的增大变化幅度很小.

3) 如图10(c)在含砂率为30%下土样含水率从最优含水率减4%时，在100、200、300 kPa围压水平时，孔隙比为0.386时最大主应力差值明显大于孔隙比为0.331时.孔隙比为0.370时各围压条件下的最大主应力差值变化幅度明显.

通过对孔隙比的分析可以推断：当含水率较高时，70%含砂率土样中，含水率过高使粉质黏土之间强度不高，含砂率很高可以使得砂粒和砂粒之间可以充分接触，依靠砂粒之间的摩阻力可以抵抗较大的抗压强度;当含水率较低时，30%含砂率土样中，粉质黏土之间的胶结作用可以提供较大的抗压强度,并且有砂粒混合在土样中，起到骨架作用，增大了土样的抗压能力.