非饱和砂土似黏聚力影响因素的实验研究

赵延林，吴 昊，丁志刚

(黑龙江科技大学 建筑工程学院， 哈尔滨 150022)

0 引 言

我国幅员辽阔，砂土地层分布广泛，这些地层在地表之下以细砂和中砂为主，厚度为5～20 m不等。在我国现行规范中，在砂土基坑设计时，都将砂土视作无黏性土，即黏聚力为零。而砂土在非饱和状态下存在类似于黏聚力的一种力，习惯上称之为似黏聚力或表观黏聚力[1]。对似黏聚力的研究，不仅可以解决工程应用的理论缺失，也能够大大降低一些工程成本。

影响非饱和砂土似黏聚力的因素有很多，如颗粒大小、颗粒级配、孔隙比、含水率等。近年来，国内外学者通过大量的实验对非饱和砂土的似黏聚力进行了初步研究。H.Louati等[2]通过实验证明，非饱和砂土的砂土颗粒间存在毛细管桥，毛细管桥的存在使砂土存在黏聚力。崔頔[3]通过无侧限实验方法，研究了非饱和砂土的表观黏聚力与砂土粒度含水率的定性关系，得出非饱和砂土的表观黏聚力会随着含水量的增加而升高，随着砂土的粒度减小而升高的变化规律。王海东等[4]利用WF循环单剪实验，研究了含水率、法向应力对非饱和砂土在单向剪切作用下的强度参数的影响，研究表明：含水率对非饱和砂土的黏聚力和抗剪强度具有很大的影响。蔡国庆等[5]运用等速率单轴拉伸方法，在不同的含水率和干密度之下，进行了非饱和砂土的抗拉强度实验，结果表明：非饱和细砂的抗拉强度随着含水率的增大，表现出先增大后减小再增大的变化情况，随着干密度的增大，其抗拉强度一直增大的规律。李淑娥[6]通过一系列的三轴实验，对海砂土进行了剪切强度实验，研究表明：海砂土的黏聚力随着含水率的增大，先增大后减小，12%为界限含水率，且海砂土的强度参数随着干密度的增大而增大。

笔者主要通过直剪实验，研究含水率、颗粒级配与含土量等因素对非饱和砂土似黏聚力的影响规律，为砂性土深基坑设计提供理论依据。

1 实验方案

为保证加载过程中试样的含水率保持不变，采用直剪快剪实验来分析含水率w、颗粒级配(Cc=1，以Cu表示)、掺土量ρ等因素对非饱和沙土似黏聚力的影响规律，具体实验方案见表1、表2。

表1 含水率与颗粒级配实验方案

表2 掺土量实验方案

2 试样制备

实验砂土样与黏土样取自哈尔滨市某深基坑工程。砂样取回后，去除砂样其中的多余杂质，再将砂土放入纯净水中冲洗数次，直至冲洗的水清澈不浑浊。黏土样为粉质黏土(通过液塑限实验测得粉质黏土的塑限为15.7%，液限为28.5%，塑性指数12.8；通过密度计法测得粉质黏土的黏粒含量为17%)，取回后，挑拣出其中的杂质后晾晒，再用筛网筛分出纯净黏土样。将纯净砂土样和黏土样放入烘干箱中烘干，烘干箱温度设置为105 ℃；再将烘干后的砂土样用10、5、2、1、0.5、0.25、0.075 mm的筛屉逐屉筛分；然后按配比配制Cu=4、Cu=5、Cu=6与Cu=7四种颗粒级配的砂土样，最后将配置好的砂土样分别放入密封袋内封存备用。在试样制备的过程中，为了保证实验数据的准确性，采取现用现配的原则。每次制备试样时取500 g砂土样，根据砂土样的质量计算出各试样的含水量与掺土量，见表3、表4。

表3 含水率试样制备方案

表4 掺土量试样制备方案

3 实验结果分析

3.1 含水率对非饱和砂土似黏聚力的影响

非饱和砂土似黏聚力随含水率变化曲线如图1所示，其中，c为非饱和砂土似黏聚力。

图1 c-w关系曲线Fig. 1 Relationship curve of c-w

从图1中数据可以看到，当2%≤w≤10%时，非饱和砂土似黏聚力随含水率的增加而增加，且增加幅度较大。以Cu=4的试样为例，w=2%时，c=1.58 kPa；w=6%时，c=3.37 kPa，相较于w=2%时增加113.3%；w=10%时，c=6.57 kPa，相较于w=2%时增加315.8%。当含水率w=10%时，非饱和砂土似黏聚力达到峰值。当含水率10%

图2为含水率分别为2%～6%、6%～10%时非饱和砂土似黏聚力增长率变化曲线。

图2 c增长率曲线Fig. 2 Curve of growth rate of c

由图2a可知，当含水率介于2%～6%时，非饱和砂土似黏聚力的增长率随颗粒级配的增加呈现先增加后减小的变化规律，增长率的变化范围为45.98%～ 55.23%，其中Cu=5时增长率最大，Cu=7时增长率最小。由图2b可知，当含水率介于6%～10%时，非饱和砂土似黏聚力的增长率随颗粒级配的增加也呈现先增加后减小的变化规律，增长率的变化范围为46.63%～50.92%，其中Cu=6时，增长率最大，Cu=7时增长率最小。

3.2 颗粒级配对非饱和砂土似黏聚力的影响

非饱和砂土似黏聚力随颗粒级配变化曲线如图3所示。

图3 Cu-c关系曲线Fig. 3 Relationship curve of Cu-c

从图3可以看出，非饱和砂土的黏聚力随着曲率系数Cu的增大而近似于线性减小，良好级配(Cu=4、5)比不良级配(Cu=6、7)的似黏聚力大。这是由于非饱和砂土的孔隙直径越大，土颗粒间的弯月面越大，液面张力越小。良好级配的非饱和砂土由于细粒组分的存在，减小了土颗粒间的孔隙直径，使弯月面更小，液面张力更大，所以良好级配的似黏聚力更大。以w=10%的试样为例，Cu=4时，c=6.57 kPa；Cu=5时，c=5.95 kPa，相较于Cu=4时减小9.4%；Cu=6时，c=4.87 kPa，相较于Cu=4时减小25.9%；Cu=7时，c=3.26 kPa，相较于Cu=4时减小50.4%。从图中还可以看到，w=6%、w=10%与w=12%三种情况下的变化曲线基本平行，表明颗粒级配与含水率对非饱和砂土似黏聚力的交互影响作用不显著。

图4为非饱和砂土黏聚力变化量随含水率的变化曲线。由图4可知，非饱和砂土黏聚力的变化量随着含水率的增大先增大后减小，w=10%时的黏聚力变化量最大，w为6%、11%、12%时的黏聚力变化量较大，含水率w为2%、13%时的黏聚力变化量较小。

图4 c减少量随w变化曲线Fig. 4 Curve of reduction of c and w

3.3 掺土量对非饱和砂土似黏聚力的影响

不同含水率下掺土量对非饱和砂土似黏聚力的影响曲线如图5所示。

图5 不同含水率下ρ-c关系曲线Fig. 5 Relation curves of ρ-c under different water content

由图5可知，随着掺土量的增加，非饱和砂土的似黏聚力基本呈现出线性增长，且掺土量对非饱和砂土似黏聚力的影响较大。这是由于掺土量越大，砂土中的黏粒含量越多，非饱和砂土的似黏聚力越大。以颗粒级配Cu=4、含水率w=10%的试样为例，掺土量10%时，似黏聚力为c=14.14 kPa；掺土量20%时，似黏聚力为c=17.64 kPa，相对于掺土量10%时增加24.8%；掺土量30%时，似黏聚力为c=23.74 kPa，相对于掺土量10%时增加67.9%；掺土量40%时，似黏聚力为c=30.58 kPa，相对于掺土量10%时增加116.3%；掺土量50%时，似黏聚力为c=34.14 kPa，相对于掺土量10%时增加141.4%。

同时，从图5中还可以看出，含水率为2%、10%、12%时，似黏聚力最大值与最小值的差值分别为8.139、20.002、27.391 kPa，表明含水率越高，掺土量对非饱和砂土的似黏聚力的影响越大；含水率越低，掺土量对非饱和砂土的似黏聚力的影响越小。由此可见，含水率与掺土量对非饱和砂土似黏聚力的交互影响作用显著。

不同颗粒级配下掺土量对非饱和砂土似黏聚力的影响曲线如图6所示。

图6 不同颗粒级配下ρ-c关系曲线Fig. 6 Relation curve of ρ-c under different grain size distribution

由图6可知，当含水率相同时，在任意掺土量条件下良好级配(Cu=4)砂土试样的似黏聚力均比不良级配(Cu=7)的大；而且Cu=4与Cu=7的2条变化曲线基本平行，表明颗粒级配与掺土量对非饱和砂土似黏聚力的交互影响作用不显著。

4 结 论

(1)当2%≤w≤10%时，非饱和砂土似黏聚力随含水率的增加而增加，且增加幅度较大。含水率w=10%时，非饱和砂土似黏聚力达到峰值。当10%

(2)非饱和砂土的黏聚力随着颗粒级配曲率系数的增大而接近于线性减小，良好级配比不良级配的黏聚力大。

(3)随着掺土量的增加，非饱和砂土的似黏聚力基本呈现出线性增长，且掺土量对非饱和砂土似黏聚力的影响较大。

(4)含水率与掺土量对非饱和砂土似黏聚力的交互影响作用显著，颗粒级配与含水率、掺土量对非饱和砂土似黏聚力的交互影响作用不显著。