董大坤 李亞濤

(河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

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物理參數(shù)對剪切強(qiáng)度指標(biāo)影響試驗(yàn)探究

董大坤 李亞濤

(河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

以粘土的含水率、孔隙比為主要調(diào)控參數(shù)，根據(jù)庫侖定律，并通過土工試驗(yàn)，對抗剪切強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角φ的影響因素進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理擬合分析，得出了一些有應(yīng)用價(jià)值的結(jié)論。

含水率，孔隙比，土工試驗(yàn)，抗剪切強(qiáng)度

抗剪切強(qiáng)度作為重要力學(xué)參數(shù)，是工程穩(wěn)定性計(jì)算當(dāng)中必不可少的[1]。粘性土的抗剪切強(qiáng)度指標(biāo)按照摩爾庫侖定律提供的模型由土的內(nèi)聚力c與內(nèi)摩擦角φ兩個(gè)部分組成。不論是內(nèi)聚力還是內(nèi)摩擦角，都會(huì)受到含水率、土體間結(jié)合建構(gòu)、顆粒形狀以及與土體的級配和礦物組成成分等物理參數(shù)因素的影響[2-5]。

1 試樣制備

(1)

(2)

mW0=ms+msW0

(3)

(4)

由上式可以求出所配制的所用水的量及所需土的量：

(5)

(6)

其中，e為設(shè)計(jì)的孔隙比；W為設(shè)計(jì)的含水率；ρs為土的顆粒密度；ρd為土的設(shè)計(jì)干密度；V為土樣的設(shè)計(jì)體積；ms為所需要的土的干量；W0為風(fēng)干土的含水率；mW0為所需要的風(fēng)干土；mW為所需要的水的質(zhì)量。

根據(jù)式(5)，式(6)可以得到在配制不同含水率下所對應(yīng)的風(fēng)干試驗(yàn)土樣的用量和水的用量，如表1所示。

2)為了探究分析孔隙比e對c值，φ值的變化規(guī)律及影響，設(shè)計(jì)研究中把孔隙比e作為變量，在研究過程中，試樣含水率都設(shè)定為16%，孔隙比以0.1為梯度依次遞增，設(shè)計(jì)孔隙比為0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，同樣依據(jù)式(5)，式(6)，計(jì)算出不同孔隙比試驗(yàn)必要的風(fēng)干試樣用土的用量和水的用量，如表2所示。

2 基本原理

直剪切法是求取粘土抗剪強(qiáng)度的常用方法[5]。試驗(yàn)以庫侖定律為根據(jù)，粘土的剪切面上施加垂直方向的壓力與內(nèi)摩擦力呈正相關(guān)關(guān)系。將神東礦區(qū)取得的粘土制備若土樣，施加各不相同的法向壓力且剪切面固定，沿著剪切面加載水平剪力，待試樣破壞時(shí)，施加的對應(yīng)剪應(yīng)力即為所求的試樣抗剪強(qiáng)度τf，進(jìn)而求取c和φ對應(yīng)的數(shù)值。

表1 含水率對c值，φ值影響配比樣表

表2 孔隙比對c值，φ值影響配比樣表

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 含水率與內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角φ的關(guān)系

含水率在粘土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響中，起著特別重要的影響作用，含水率的大小影響到土粒之間蘊(yùn)含的結(jié)合水所占比例，同時(shí)結(jié)合水對粘土內(nèi)聚力c有很大的影響，所以土的含水率對粘土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)起著至關(guān)重要的作用。由神東礦區(qū)松散層粘土抗剪切強(qiáng)度試驗(yàn)得出的不同含水率粘土試樣對應(yīng)的c值，φ值見表3。

表3 不同含水率對應(yīng)的c值，φ值

考慮環(huán)境因素對試驗(yàn)的影響，試驗(yàn)中粘土試樣的實(shí)際情況與提前設(shè)計(jì)的參數(shù)不能完全吻合，但同一組試樣兩兩之間的含水率誤差在0.5%內(nèi)，總體組別間差距1%左右，基本對試驗(yàn)結(jié)果影響不大。在含水率達(dá)到29.4%時(shí)，由于土質(zhì)非常松軟，導(dǎo)致壓制試樣過程中，砂土部分溢出，本實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驕y得含水率最大值為29.4%。

根據(jù)表3可畫W—φ曲線、W—c曲線，如圖1，圖2所示。

由數(shù)據(jù)整理并擬合得出φ與W之間的關(guān)系式為：

內(nèi)聚力c與含水率W的關(guān)系式可為：

從圖1，圖2分析可知，對于粘土來說，含水率W與其φ和c都有很大關(guān)系，且隨著含水率增大，φ和c越來越小。

3.2 孔隙比對內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角φ的影響

土是由三相成分組成，固相是礦物顆粒，液相是水或其他溶液，氣相是空氣。其中固相的礦物顆粒在粘土中起支撐結(jié)構(gòu)作用，支撐結(jié)構(gòu)間存在著許多液相或氣相的物質(zhì)。衡量粘土空隙的重要指標(biāo)是孔隙比，其值越大則含水或空氣就越多。此外該指標(biāo)也是粘土土體密實(shí)程度的重要衡量依據(jù)，其值越小，土體就相對越密實(shí)，反之越松散。

在抗剪切試驗(yàn)中孔隙比不同的試樣對應(yīng)c值、φ值如表4所示。

表4 不同孔隙比對應(yīng)的c值，φ值

根據(jù)表4可畫e—φ曲線，e—c曲線，如圖3，圖4所示。

根據(jù)擬合關(guān)系，內(nèi)摩擦角φ和孔隙比e滿足以下關(guān)系式：

內(nèi)聚力c與孔隙比e的關(guān)系式可為：

從圖3，圖4可以看出對于粘土來說，孔隙比對其內(nèi)聚力有很大影響，可以看出隨著孔隙比的增大內(nèi)聚力越來越小且幅度較大，而內(nèi)摩擦角也隨著孔隙比的增大而減小，但是幅度不大。

4 結(jié)語

本文對神東礦區(qū)松散層粘土在不同孔隙比、含水率下進(jìn)行了相關(guān)抗剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，并分別分析了含水率W與抗剪切強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)聚力c，內(nèi)摩擦角φ的關(guān)系及孔隙比e與抗剪切的強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)聚力c，內(nèi)摩擦角φ的關(guān)系，并對產(chǎn)生原因進(jìn)行了簡要分析，得出了以下結(jié)論：

[1] 東南大學(xué)，浙江大學(xué)，湖南大學(xué)，等.土力學(xué)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[2] 顧成權(quán),孫 艷.土體內(nèi)聚力隨含水量、粘粒含量及干密度變化關(guān)系探討[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2005,32(1):34-36.

[3] 范智杰,屈建軍,周 煥.沙土內(nèi)摩擦角與粒徑、含水率及天然坡角的關(guān)系[J].中國沙漠，2015(2):301-305.

[4] 李晨晨，徐世光，董 懋，等.昆明南市區(qū)淺層軟土內(nèi)聚力與各物理指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系分析[J].價(jià)值工程,2016(3):95-97.

[5] 葉佰花.直接剪切試驗(yàn)方法及應(yīng)用分析[J].土工基礎(chǔ),2012,26(3):109-111.

Experimental study on the physical parameters to shear strength indexes

Dong Dakun Li Yatao

(SchoolofEnergyScienceandEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China)

Taking the moisture content of the clay and porosity as the major parameter, the paper undertakes the data processing fitting analysis for the influence of the civil tests on the cohesioncand inner friction angleφof the shearing strength indexes, according to the law of coulomb and achieves some valuable conclusion.

porosity, moisture ratio, civil test, shearing strength

1009-6825(2016)26-0077-02

2016-07-07

董大坤(1988- )，男，在讀碩士

TU432

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