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(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

砂土主要是由砂粒和粉粒、粘粒及礫粒等粒徑混合的土。其工程性質(zhì)及試驗方法、參數(shù)取值，對工程建設(shè)具有重要意義。粘聚力和內(nèi)摩擦角反應(yīng)了土抗剪強(qiáng)度的指標(biāo)，但是兩者的作用機(jī)理是不同的[1-3]。在砂土中，所含顆粒的最大和最小粒徑相差幾個數(shù)量級。砂土的工程性質(zhì)受到粗細(xì)粒徑顆粒的共同制約，以非粘性顆粒為主導(dǎo)，粘性顆粒影響為輔。因此，從非粘性顆粒含量考慮對摩擦角影響，從粘性顆粒含量考慮對粘聚力影響的觀點出發(fā)，依靠粒徑等方便獲得的物理指標(biāo)，可建立依靠砂土粒徑變化判定抗剪強(qiáng)度參數(shù)方法。

砂土作為土顆粒集合體，抗剪強(qiáng)度主要受砂粒含量、粉粒和粘粒含量、密實程度等影響[4]。目前，關(guān)于砂土剪切強(qiáng)度的研究，一方面從砂土粒度成分、密實程度、細(xì)粒含量等[5,6]方面分析抗剪機(jī)理[7]；另一方面從砂土的強(qiáng)度特性與顆粒破碎率程度、空間幾何形狀等進(jìn)行分析[8]，研究認(rèn)為顆粒破碎會改變顆粒粒徑、顆粒級配、密實程度、顆粒間接觸壓力等，從而使顆粒間接觸壓力重新調(diào)整，接觸壓力均勻化，阻礙了剪脹的發(fā)揮，從而降低砂土材料的抗剪強(qiáng)度。本文從砂土抗剪強(qiáng)度發(fā)揮機(jī)理出發(fā)，通過對砂土的密實程度、砂粒組及粉粒和粘粒組含量對其抗剪強(qiáng)度進(jìn)行量化分析，研究砂土顆?；旌象w的表觀抗剪強(qiáng)度與顆粒粒組及密實度的關(guān)系。在特殊條件下，有助于快速有效獲取砂土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

1 試驗方法

剪切試驗所用試樣為采用取砂器鉆孔取樣，如圖1。通過直剪試驗，測定砂土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

圖1 取砂器取樣

2 砂土體抗剪強(qiáng)度影響

2.1 砂粒組含量對砂土內(nèi)摩擦角的影響

通過對不同類型的粗砂、中砂和細(xì)砂進(jìn)行直剪試驗和統(tǒng)計分析，圖2所示為不同含量的粒徑在0.075～2 mm之間的砂土對應(yīng)的內(nèi)摩擦角變化。隨著砂粒組含量的增大，內(nèi)摩擦角呈增大趨勢。在不考慮土體粘聚力的情況下，抗剪強(qiáng)度主要決定于內(nèi)摩擦力，包括土粒間相對滑動的阻力、滾動的阻力和土粒相互嵌接形成的咬合力。當(dāng)剪切面上下部分顆粒發(fā)生相互移動時，首先必須克服咬合力，然后粒間摩擦阻力才起主要作用，對于砂土，顆粒越粗大，土體發(fā)生剪切變形所需要克服咬合力而爬的坡越長越陡，所需要的剪應(yīng)力也越大。

圖2 砂粒組累積百分含量與內(nèi)摩擦角關(guān)系

2.2 粉粒和粘粒組含量對砂土粘聚力的影響

細(xì)粒土顆粒細(xì)小，含較多粘土礦物，粒間主要由結(jié)合水連接、膠結(jié)連接及微弱的毛細(xì)連接，其抗剪強(qiáng)度主要決定于粒間連結(jié)強(qiáng)度。圖3為所示為砂土中粒徑小于0.075 mm的顆粒含量與粘聚力對應(yīng)關(guān)系。隨著試樣中小于0.075 mm顆粒含量增加，粘聚力呈增大趨勢。小粒徑的粉粒和粘粒充填在砂?？紫吨?，形成粘土基質(zhì)，主要提供粘聚力，摩擦力很小。砂土中隨著粉粒和粘粒含量增大，其力學(xué)性質(zhì)將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉钦承灶w粒和粘性顆粒共同作用。

圖3 粉粒和粘粒累積百分含量與粘聚力關(guān)系

2.3 密實度對砂土內(nèi)摩擦角的影響

圖4為不同干密度砂土試樣對應(yīng)的內(nèi)摩擦角變化。如圖所示，隨著試樣干密度的增大，內(nèi)摩擦角呈增大趨勢。當(dāng)砂土密實度增加時，顆粒之間相互咬合變的更加緊密，故土體發(fā)生剪切時，土顆粒發(fā)生滑動、滾動需要克服的障礙則增加的更多，內(nèi)摩擦角越來越大。

2.4 密實度對砂土粘聚力的影響

圖5所示為不同干密度砂土試樣對應(yīng)的粘聚力變化。砂粒主要礦物為原生礦物，其成分大多以石英、長石、云母等為主。一般意義上，對于組成砂粒的石英、長石等礦物顆粒是不可壓縮的，粉粒和粘粒充填在砂顆粒之間的孔隙。因此，砂土干密度的增加，除了粒間孔隙的減小，將直接導(dǎo)致的是細(xì)顆粒得到壓密。土的粘聚力是土顆粒-水-電系統(tǒng)間相互作用的結(jié)果，是顆粒間的引力和斥力的綜合作用。除了膠結(jié)之外，粘聚力都是來源于顆粒間各種內(nèi)部吸引而產(chǎn)生的正應(yīng)力。也就是說，隨著干密度增大，粉粒和粘粒之間更加靠近，導(dǎo)致粘聚力隨之增大。

圖4 干密度與內(nèi)摩擦角關(guān)系

圖5 干密度與粘聚力關(guān)系

3 砂土體抗剪強(qiáng)度機(jī)理分析

3.1 含砂率與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系

砂土其結(jié)構(gòu)特征主要以大粒徑的砂粒形成骨架，提供摩擦力，幾乎不提供粘聚力，且在其抗剪強(qiáng)度中占主導(dǎo)作用；低含量細(xì)粒徑的粉土、粘土充填在砂?？紫吨?，形成基質(zhì)，主要提供粘聚力。

已有的砂土抗剪強(qiáng)度試驗結(jié)果表明，砂土中的非粘性顆粒和粘性顆粒含量變化存在一個區(qū)間，該區(qū)間內(nèi)摩擦角和粘聚力變化明顯，且砂土抗剪強(qiáng)度控制機(jī)制會發(fā)生質(zhì)的變化(圖6)。研究結(jié)果表明[9]，控制砂土抗剪強(qiáng)度作用機(jī)制變化的非粘性顆粒和粘性顆粒含量為P1=54%和P2=79%(以砂粒含量為準(zhǔn))。當(dāng)砂土中的非粘性顆粒含量P>P2 時，其的抗剪強(qiáng)度主要由砂顆粒的摩擦強(qiáng)度提供；當(dāng)非粘性顆粒含量Ps=P1～P2 時，砂土的抗剪強(qiáng)度部分由粘性顆粒提供，部分由非粘性顆粒的摩擦強(qiáng)度提供；當(dāng)粗粒含量P

圖6 摻砂率對砂土抗剪強(qiáng)度的控制界限[9-14]

3.2 密實度與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系

土的密實度越大，其抗剪強(qiáng)度就越高。對于非粘性顆粒土來說，密度越大則顆粒之間的咬合作用越強(qiáng)，接觸面積越大，因而摩阻力就越大；對于非粘性顆粒來說，密度越大則意味著顆粒間的距離越小，帶電粒子之間的吸引力越大，結(jié)合水膜越薄，因而粘聚力也就越大[15]。因此，相對密度不變的條件下，砂土作為一種粗細(xì)顆?；旌贤?，其干密度基本是隨砂粒含量的增大而增大，當(dāng)砂粒含量增加時，由于砂粒相對粉粒和粘粒較大，同體積的砂顆粒代替同體積的粉粒和粘粒的個數(shù)多，從而使土體單位體積土重增大。

在粉粒和粘粒較多的情況下，而砂顆粒被細(xì)的粉粒和粘粒包裹，砂粒料還不能起骨架作用，此時試樣的干密度主要取決于細(xì)的粉粒和粘粒，粗砂粒對其干密度影響較小，干密度值增加較緩慢； 當(dāng)粗砂粒含量增加到一定程度后，砂顆粒開始起骨架作用，粉粒和粘粒填充粗骨料形成的空隙, 使試樣逐漸密實，干密度值增加較快，這就是干密度隨砂粒含量增大而增大的主要原因。砂粒含量繼續(xù)增大一定程度后，干密度增加逐漸變慢甚至有減小趨勢，這是由于砂粒含量增大，空隙增加，細(xì)粒土不足以填充砂粒所形成的空隙而使干密度有減小的趨勢，如圖7。

圖7 砂粒累積百分含量與干密度關(guān)系

3.3 抗剪強(qiáng)度預(yù)測

通過對不同干密度和砂粒組含量對內(nèi)摩擦角、不同干密度和粉粒組、粘粒組含量對粘聚力影響進(jìn)行回歸分析，得到以下關(guān)系式：

φ1=16.496+0.183P1

必須要讓基層民警了解并分清他們的服務(wù)職能，什么應(yīng)該做，什么不應(yīng)該做?；鶎泳瘎?wù)工作者服務(wù)也不能事事都管，不屬于基層警務(wù)工作者管轄范圍不應(yīng)該越權(quán)，這樣會導(dǎo)致群眾對于基層警務(wù)工作者工作的不滿。加強(qiáng)對于基層警務(wù)工作者的崗位培訓(xùn)，讓基層警務(wù)工作者了解目前的法律政策、自己的職能范圍和與群眾溝通交流的技巧等，讓基層警務(wù)工作者在履行自身職責(zé)時更有底氣和依據(jù)，并且在與群眾交流過程中更容易得到群眾的肯定。

(1)

φ2=23.153+6.541ρd

(2)

c1=6.819+0.196P2

(3)

c2=6.386+0.818ρd

(4)

式中：φ1，φ2為內(nèi)摩擦角；c1，c2為粘聚力；P1為砂土中的砂粒組含量；P2為砂土中的粉粒和粘粒組含量；ρd為干密度；

(5)

(6)

從式(6)可以看出，砂土作為一種混合土，在大量試驗基礎(chǔ)上，其抗剪強(qiáng)度和一般土石混合體的抗剪強(qiáng)度有一定的相似性，通過回歸分析砂土的抗剪強(qiáng)度與所含顆粒不同粒徑、密實度關(guān)系，特殊條件下，可以有效快速判定砂土剪切指標(biāo)。

4 結(jié)語

(1)在試驗范圍內(nèi)，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果隨著砂粒組含量的增大內(nèi)摩擦角呈線性增大趨勢，粉粒和粘粒含量增加將導(dǎo)致粘聚力呈線性增大趨勢。隨著試樣干密度的增大，內(nèi)摩擦角和粘聚力均呈增大趨勢。

(2)砂土中的非粘性顆粒和粘性顆粒含量變化存在一個對應(yīng)的內(nèi)摩擦角和粘聚力變化的區(qū)間，即控制砂土抗剪強(qiáng)度作用機(jī)制變化的砂粒組含量變化的區(qū)間為P=54%～79%。

(3)通過回歸分析砂土的抗剪強(qiáng)度與所含顆粒不同粒徑、密實度關(guān)系，特殊條件下，可以有效快速判定砂土剪切指標(biāo)。