摘要:中原地區(qū)水敏感性粉土廣泛分布,作為典型的非飽和土,其抗剪強(qiáng)度受含水率影響很大。降雨期間的非飽和粉土邊坡因含水率的增加,影響土體的抗剪強(qiáng)度,可導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)等。許多學(xué)者建立了非飽和土抗剪強(qiáng)度的理論公式和本構(gòu)模型[1-3],而室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)芡ㄟ^控制試驗(yàn)狀態(tài),驗(yàn)證理論公式的正確性[4]。本項(xiàng)目通過不同含水率粉土三軸試驗(yàn),對(duì)粉土強(qiáng)度指標(biāo)及含水率對(duì)其影響特征進(jìn)行了研究。
關(guān)鍵詞:原狀土;重塑土;抗剪強(qiáng)度;粉土;含水率
一、引言
目前的學(xué)者大多是對(duì)黃土、黏土、膨脹土等非飽和土進(jìn)行三軸試驗(yàn)研究。關(guān)于中原地區(qū)粉土鮮有涉及。作為對(duì)含水率極其敏感的土質(zhì),中原地區(qū)粉土的抗剪強(qiáng)度研究亟待推進(jìn)。同時(shí),既往試驗(yàn)中關(guān)于土樣進(jìn)行三軸試驗(yàn)時(shí)多為單一類型土樣,同時(shí)進(jìn)行原狀、重塑粉土試驗(yàn)的多為直剪試驗(yàn),并且試驗(yàn)結(jié)果有所差異。因此,作者通過開展高質(zhì)量的粉土原狀、重塑土樣的三軸試驗(yàn),嚴(yán)格控制重塑土樣制作方法,研究含水率對(duì)原狀、重塑粉土抗剪強(qiáng)度特性的影響。
二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及分析:
本試驗(yàn)用土取自鄭州市慶元廣場基坑工程,取土深度6.5m,按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》分類方法,試驗(yàn)用土為砂質(zhì)粉土,天然含水率15.6%,天然干密度1.65。
原狀土樣取回后,剝?nèi)ニ芰霞埡湍z帶,檢查土樣結(jié)構(gòu),看是否擾動(dòng)或土樣質(zhì)量是否符合試驗(yàn)要求,若土樣保持完好,按照試驗(yàn)規(guī)程要求利用專用的削土器將土樣削制成80mm,直徑為 39.1mm的圓柱形試樣。為減少黃土干密度差異帶來的影響,控制試樣干密度差值不大于 0.2g/cm3,同一組試樣控制含水量相同。含水率相差不得超過1%,在室內(nèi)制樣時(shí)可看見黃土內(nèi)含極小的細(xì)砂、石英顆粒等,部分存在鈣質(zhì)結(jié)核層。
重塑土采用自然風(fēng)干方法,不時(shí)稱重穩(wěn)定質(zhì)量,然后將其放入保濕缸中養(yǎng)護(hù)2~3天,待試樣內(nèi)部水分均勻后即可用于試驗(yàn)。使用此法時(shí)切忌使試樣暴曬,以避免試樣出現(xiàn)裂紋而破壞試樣的原狀結(jié)構(gòu)。從而得到含水率為9%、13%、15%、17%、19%、21%、25.2%(飽和含水率)七組土樣,每組土樣4個(gè),其中3個(gè)用于三軸試驗(yàn),1個(gè)用于測量土的含水率。
抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)使用應(yīng)變控制式三軸儀,進(jìn)行不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中圍壓分別為50kPa、100kPa、200kPa,剪切速率0.5mm/min。
剪切前期應(yīng)力隨應(yīng)變的增加變化較快,試樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系在這個(gè)階段近似呈直線關(guān)系。剪切后期,應(yīng)力仍隨應(yīng)變的增加而增加,但應(yīng)力增長的幅度明顯變緩,這一階段的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)猿手本€關(guān)系。含水率相同時(shí),原狀粉土及重塑粉土的強(qiáng)度隨圍壓的增加而增加。當(dāng)含水率較低時(shí),原狀粉土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線呈現(xiàn)硬變軟化型,含水率為9%時(shí)的土樣呈現(xiàn)45°+φ/2的剪切破壞。隨著含水率的增加,粉土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線由應(yīng)變軟化型過渡為應(yīng)變硬化型,高含水率條件下,土樣原有結(jié)構(gòu)極易受到破壞,應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大逐漸增大,直至穩(wěn)定狀態(tài)。含水率為25.2%時(shí)土樣呈現(xiàn)鼓肚型破壞。
從以上分析來看,含水率的變化對(duì)粉土的破壞形式有著很大的影響。同一含水率下重塑土的最大主應(yīng)力差和原狀土相差不大,且都隨著含水率的增加而逐漸降低。隨著含水率的增加,強(qiáng)度明顯的減小,這表明了含水率對(duì)強(qiáng)度的影響劇烈。圍壓不變的情況下,隨著含水率的增加,試樣所能承受的壓力變小,試樣更容易被破壞。含水率不變的情況下,最大主應(yīng)力差隨著圍壓的增大而增大,基本呈線性變化。整體上重塑土的最大主應(yīng)力差略大于原狀土的最大主應(yīng)力差
由上述得到的原狀、重塑粉土的試驗(yàn)數(shù)據(jù),繪制不同含水率下的強(qiáng)度包線,得到不同含水率下的原狀、重塑粉土的黏聚力及內(nèi)摩擦角。
原狀粉土及重塑粉土的內(nèi)摩擦角隨著含水率的增加而下降,但整體變化不大,可以認(rèn)為是一常數(shù)。土的內(nèi)摩擦角主要受到土顆粒本質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響,含水率的增加并未改變其土顆粒大小、土顆粒表面粗糙度等,所以內(nèi)摩擦角受含水率的影響不大。
由表3可知,當(dāng)含水率ω<15%時(shí),隨著含水率的增加,黏聚力有較大幅度的下降;當(dāng)含水率ω>15%時(shí),黏聚力仍隨著含水率的增加而減小,但減小幅度變緩。黏聚力隨含水率減小的關(guān)系曲線可以由兩個(gè)直線段描述,第1段直線的斜率要大于第二段直線的斜率。主要是由于含水率的增加,土顆粒間的孔隙逐漸被水填滿,導(dǎo)致土顆粒間的黏聚力減小。土的黏聚力主要來源與土顆粒間的水膜聯(lián)結(jié)和膠結(jié)作用,隨著含水率的增大,顆粒間的水膜聯(lián)結(jié)力逐漸減小,直至達(dá)到土體飽和含水率時(shí)完全喪失。
由試驗(yàn)所得黏聚力和內(nèi)摩擦角,可計(jì)算得不同法向應(yīng)力下的原狀土、重塑土的抗剪強(qiáng)度隨含水率變化規(guī)律。原狀、重塑粉土抗剪強(qiáng)度隨含水率變化規(guī)律一致。在含水率較低時(shí),抗剪強(qiáng)度隨著含水率的增加大幅度降低,當(dāng)含水率較高時(shí),抗剪強(qiáng)度隨含水率的增加,減小幅度較小,抗剪強(qiáng)度隨含水率變化曲線可由兩段直線表示,說明存在一個(gè)界限含水率,超過該含水率后,粉土的抗剪強(qiáng)度受含水率影響減?。晃墨I(xiàn)[5]認(rèn)為原狀Q3黃土具有較高的結(jié)構(gòu)性,重塑土的土粒直剪結(jié)構(gòu)松散,原狀土的抗剪強(qiáng)度要高于重塑土。本試驗(yàn)的研究結(jié)果表明,重塑粉土的抗剪強(qiáng)度均略大于原狀粉土的抗剪強(qiáng)度,證明結(jié)構(gòu)性對(duì)鄭州粉土抗剪強(qiáng)度的影響不大。
三、結(jié)論
(1)原狀粉土及重塑粉土的內(nèi)摩擦角隨著含水率的增加而下降,但變化不大,可認(rèn)為是一常數(shù)。黏聚力隨含水率的增加先是急劇下降,達(dá)到臨界值之后,下降幅度變緩,,可由兩個(gè)斜率不同的直線段描述。
(2)當(dāng)在制作土樣時(shí)保證含水率作為單一變量,原狀粉土的黏聚力與內(nèi)摩擦角隨含水率變化情況與重塑粉土的變化情況基本一致,重塑土的黏聚力和內(nèi)摩擦角均略大于原狀土。
(3)原狀、重塑粉土抗剪強(qiáng)度在含水率較低時(shí),隨著含水率的增加大幅度降低,當(dāng)含水率較高時(shí),隨含水率的增加,減小幅度較小。存在一個(gè)界限含水率,超過該含水率后,粉土的抗剪強(qiáng)度受含水率影響減小。
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作者簡介:彭秀生;1997年3月12日;男;漢族;江西省萍鄉(xiāng)市人;職稱:學(xué)生;單位:鄭州大學(xué);專業(yè):土木工程。