不同颗粒级配对黏-砂混合土特性的影响分析

张其昌 王 璐

（中航勘察设计研究院有限公司，北京 100098）

0 引言

某项目在勘察外业过程中揭露出一厚层黏-砂混合土，该混合土现有的工程经验较为匮乏。目前国内外对混合土的研究主要有以下方面：江强强等[1]开展了不同含石量条件下土石混合体试样的剪切变形试验研究；李 晓等[2]对大体积土石混合体进行原位推剪与压剪试验；鲁 洋等[3]对不同含石量的黏质土石混合体开展重型击实试验和三轴渗透试验；胡瑞林等[4]通过多尺度宏-微观室内和现场物理力学试验与模拟，对土石混合体的强度特性、变形特性和渗透特性及其结构控制机理展开了深入研究；付佳佳等[5]从微观层面探讨了混合土微观结构随固结压力变化的演变机制；廖秋林等[6]对土石混合体进行单轴压缩试验；苏 阳等[7]对桂林市混合土进行静力载荷试验研究，并通过FLAC进行模拟，与试验结果进行对比分析；王 炼等[8]对黏-砂混合土孔隙特性进行试验研究，李 伟等[9-10]对混合土进行动力特性研究。Parkasha和 Chandrasekaran[11]通过一维固结试验、静态试验和循环三轴试验，对印第安海洋土壤中砂黏土混合物研究。

目前关于黏-砂混合土室内大型固结直剪试验以及颗粒级配对混合土的强度和变形特性影响的相关研究较少，本研究可以丰富黏-砂混合土物理力学特性研究成果，为岩土工程设计提供参考依据。

1 天然混合土室内大型固结直剪试验

试验设备为WGYJ-1500微机控制全自动土工固结直剪仪（见图1），该仪器可按照《水利水电工程粗粒土试验规程》（DL/T 5356-2006）[12]、《土工试验规程》（SL 237-1999）[13]、《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）[14]自动进行试验，所测数据均按上述标准进行处理。该仪器实现了全自动试验和数据记录、处理，测试结果准确可靠。

图1 大型固结直剪试验仪

本次大型固结试验采用直径300 mm、高度180 mm的模具，单个试样约25 kg；大型直剪试验采用直径300 mm、高度250 mm的模具，单个试样约35 kg。

1.1 室内大型固结试验结果

取天然土样，分层碾压装样制备三组平行试样，分别记录每组试样在垂直荷载50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa条件下的位移变化（见图2），进而计算其孔隙比、压缩系数、压缩模量（见图3）。

图2 室内大型固结试验位移-时间关系曲线图

图3 室内大型固结试验压缩系数／压缩模量-垂直压力关系曲线图

由上述数据可得：室内大型固结试验，试样的竖向位移在同一级荷载作用下随着加荷时间缓慢增加，每加一级荷载会出现一次位移的显著增加。3个试样的压缩系数均随着垂直压力的增加而减小，压缩模量随着垂直压力的增加而增大。当垂直压力为800 kPa时，试样1-试样3的压缩模量分别为28.8 MPa、24.9 MPa、22.9 MPa。

1.2 室内大型直剪试验结果

由上述数据可得：试样1-试样3的室内大型直剪试验剪应力随着剪切位移的增加均呈现先增大后减小的趋势（见图4），取剪应力峰值即抗剪强度作为纵坐标，以垂直压力作为横坐标绘制曲线后（见图5），得到试样1： c=100.88 kPa，φ=35.06°；试样2： c=90.52 kPa，φ=32.26°；试样3 ： c=92.68 kPa，φ=29.21°。

图4 室内大型直剪试验剪应力-剪切位移关系曲线图

图5 室内大型直剪试验抗剪强度-垂直压力关系曲线图

2 重塑混合土的物理力学性质研究

2.1 重塑样制备

取项目现场混合土，烘箱110℃恒温烘干后取出，用0.075 mm孔径的筛通过洗筛的方式对黏性土和粉细砂进行分选，分别放入烘箱110℃恒温烘干后取出，然后黏性土用粉碎机粉碎。

黏性土和粉细砂按照不同干质量比进行配置，分别配置砂类土含量为0、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90% 、100% 共计11个不同颗粒级配的混合土，为表述方便，以NS0、NS10、NS20、NS30、NS40、NS50、NS60、NS70、NS80、NS90、NS100分别表示不同含砂量试样。

取制备好的重塑样，加定量的水，搅拌均匀，制备相同含水率的土样，密实地填入环刀，制备成压缩和快剪的环刀样。

2.2 重塑土室内固结试验

取制备好的重塑土压缩环刀样，室内进行固结试验。本次试验采用北京天策恒通科技发展有限责任公司生产的全自动固结仪（型号：TCCGY02），试验结果见图6、图7。

图6 压缩曲线图

图7 重塑土压缩模量／压缩系数-含砂量关系曲线图

由上述试验结果可得：相同含砂量的黏-砂混合土的孔隙比随着垂直压力的增加而减小，该种黏-砂混合土整体的压缩性随含砂量的增加而减小，尤其是含砂量≥50%开始，黏-砂混合土的孔隙比显著减小，含砂量≥70%开始，黏-砂混合土的压缩模量显著增大。

2.3 重塑土室内直剪试验

取制备好的重塑土剪切环刀样进行室内直剪试验。本次试验采用北京天策恒通科技发展有限责任公司生产的全自动直剪仪（型号：FZ-01型），试验类型为快剪，试验结果见图8、图9。

图8 抗剪强度-固结应力关系曲线图

图9 内摩擦角-含砂量关系曲线图

由抗剪强度和固结应力关系曲线图可得，不同固结应力下，土的抗剪强度值随着黏-砂混合土中含砂量的增加而增大。

由内摩擦角与含砂量的关系曲线图可得，随含砂量的增加，土的内摩擦角逐渐增大。该曲线分三个阶段，当含砂量不大于40%时，内摩擦角增长缓慢；当含砂量大于40%小于80%时，有一个较大增幅；当含砂量大于80%时，增幅放缓。

3 黏-砂混合土重塑样的颗粒级配分形维数

3.1 分形维数计算公式

本次研究采用王国梁提出的颗粒体积-粒径分布分形模型[15]，见式（1）。

式中：r为测定的尺度，mm；R为某一特定的粒径 ，mm；V（r

对式（1）两边取对数：

3.2 黏-砂混合土不同级配的分形表征

对于不同级配的黏-砂混合土，通过计算得到不同级配混合土的粒度分布分形曲线（见图10），混合土的分形维数D、相关系数R12的计算结果见表1。

图10 不同级配粒度分布分形曲线图

表1 黏-砂混合土分形维数计算

由上述试验数据可得：混合土分形维数随着含砂量的增加逐渐减小，在含砂量为70%时有突变，相关系数R12为0.7437～0.9645，说明相关性很好。分形维数与含砂量的关系曲线，通过指数拟合得关系式：y=-0.0119ex/21.1，相关系数R12=0.9627，相关性很好（见图11）。分形维数的大小清楚地反映了混合土颗粒级配的变化规律。

图11 分形维数-含砂量关系曲线图

3.3 黏-砂混合土强度和变形的分形表征

（1）黏-砂混合土强度的分形表征

由试验结果绘制不同颗粒级配混合土的分形维数-抗剪强度关系曲线（见图12），绘制不同颗粒级配混合土的分形维数-内摩擦角关系曲线（见图13）。

图12 分形维数-抗剪强度关系曲线图

图13 分形维数-内摩擦角关系曲线图

由上述曲线可得：不同垂直压力下，抗剪强度随固结应力的增加而增大；在相同的垂直压力下，抗剪强度随分形维数的增加而减小。不同级配的混合土的内摩擦角随着分形维数的增加而减小，在含砂量为80%时会有一个突变。黏-砂混合土的分形维数满足方程φ=-2.447×10-5ex/0.216+32.2，相关系数R12=0.9562，该混合土内摩擦角的分形维数相关性很好。

（2）黏-砂混合土变形的分形表征

由试验结果绘制不同颗粒级配混合土的分形维数-压缩系数关系曲线（见图14）、不同颗粒级配混合土的分形维数-压缩模量关系曲线（见图15）。

图14 分形维数-压缩系数关系曲线图

图15 分形维数-压缩模量关系曲线图

由上述曲线可得：压缩系数随着分形维数的增大而增大，在含砂量为80%时有突变，该黏-砂混合土分形维数满足方程a1-2=2.54×10-9ex/0.15+0.1，相关系数R12=0.9538，该混合土压缩系数的分形维数相关性很好。

压缩模量随着分形维数的增大而增大，该黏-砂混合土分形维数满足方程Es=0.67+15.51/[1+(x/2.55)14]，相关系数R12=0.9960，该混合土压缩模量的分形维数相关性很好。

4 结论

混合土的室内大型固结直剪试验，弥补了混合土研究的大型试验空缺，为以后相关的研究打下基础。重塑混合土的固结和直剪试验，以及混合土强度和变形的分形表征，在含砂量在70%~80%之间会有一个突变，这不仅反映了混合土含砂量的量变导致其力学性质质变的突变现象，而且反映了混合土由黏粒骨架承担荷载向砂粒骨架承担荷载的转变。分形维数不仅能描述土的颗粒级配特征，而且能较好地反映土颗粒的分选程度、孔隙特征和结构特征，分形维数为定量描述颗粒级配对土的力学性质的影响提供了一条新的途径。