(揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇 揚(yáng)州 225127)

引言

目前，國內(nèi)外學(xué)者對純黏土的滲透性研究較多，而對黏土-砂混合物的滲透性研究較少。Taylor等[1]學(xué)者通過滲透試驗(yàn)，得到重塑黏土的滲透系數(shù)k的對數(shù)值與孔隙比e呈線性關(guān)系；Nagaraj等[2]學(xué)者通過對含水率在液限附近的飽和重塑黏土的研究，確立了e/eL與滲透系數(shù)間的線性關(guān)系；Achari等[3]學(xué)者在先前試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了滲透系數(shù)的預(yù)測精度。

國內(nèi)學(xué)者費(fèi)康[4]對摻入鋼珠的黏土試樣和摻細(xì)礫石黏土試樣進(jìn)行了計(jì)算機(jī)斷層掃描，發(fā)現(xiàn)粒間孔隙數(shù)量和體積隨著粗骨料含量的增加而增大。隨粗骨料含量的增加，混合物的壓縮性先提高后降低。在不排水加荷下，高壓縮性試樣的孔隙水壓力較大，抗剪強(qiáng)度較小。隨著粗骨料含量的增加，混合土的內(nèi)摩擦角逐漸增大。

現(xiàn)有研究主要探討了含砂量對黏土-砂混合物滲透性[4-7]的影響，吳子龍等[8]學(xué)者研究了純黏土與砂黏土混合物在滲透特性上的差異性。他們研究發(fā)現(xiàn)，黏土-砂混合物滲透系數(shù)的對數(shù)值與孔隙比之間呈現(xiàn)非線性關(guān)系，這與純黏土的滲透特性不一致，見圖1。

圖1 孔隙比e與滲透系數(shù)k的關(guān)系曲線圖

圖2 不同含砂量e-lgp曲線圖

一、黏土-砂混合物壓縮/直剪試驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)方案

此次壓縮/直剪試驗(yàn)所用的試樣共分為5組，分別為純黏土和含砂量為20%、40%、60%、80%的黏土-砂混合物。試驗(yàn)時(shí)控制5組試樣的干密度和含水率不變(即試樣中黏土顆粒、砂顆?？傎|(zhì)量和水質(zhì)量均為常量)，通過改變黏土和砂顆粒的相對含量，使得砂粒質(zhì)量占砂、黏土總質(zhì)量的百分比分別為0、20%、40%、60%、80%。在壓縮實(shí)驗(yàn)中對試樣分級(jí)依次施加荷載25kPa、50kPa、100kPa、200kPa、400kPa、800kPa，當(dāng)試樣在每一級(jí)荷載下固結(jié)穩(wěn)定后再施加下一級(jí)荷載，最后根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制e-lgp曲線圖，并且得到壓縮指數(shù)Cc。在直剪實(shí)驗(yàn)中對試樣分別在100kPa、200kPa、300kPa、400kPa的垂直壓力下排水固結(jié)穩(wěn)定，然后快速施加水平剪切力直至試樣剪壞。記錄下每一垂直壓力下試樣剪壞時(shí)的剪應(yīng)力，即該垂直壓力下試樣的抗剪強(qiáng)度，從而得到抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。由含砂量不同的5組試樣繪制不同的抗剪強(qiáng)度與含砂量關(guān)系曲線圖，通過比較各組試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)來分析含砂量對黏土-砂混合物的抗剪強(qiáng)度的影響。

二、黏土-砂混合物的壓縮性試驗(yàn)研究

從試樣壓縮指數(shù)和含砂量的關(guān)系圖(圖2)中可以看出黏土-砂混合物的壓縮指數(shù)隨著含砂量的增加，先是逐漸增大，然后逐漸減小。含砂量在10%到30%之間(大約20%附近)時(shí)，壓縮指數(shù)出現(xiàn)峰值，即此時(shí)的混合土壓縮指數(shù)最大，壓縮性最高。當(dāng)含砂量在40%到60%范圍內(nèi)時(shí)，土的壓縮指數(shù)下降得比較緩慢，土的壓縮性變化不太明顯。當(dāng)含砂量繼續(xù)增加時(shí)，土的壓縮指數(shù)下降速度加快，土的壓縮性變化較明顯。

對此可以用黏土顆粒與砂顆粒的排列組合方式來解釋：當(dāng)含砂量較少時(shí)，土的壓縮性主要由黏土控制。砂顆粒在土中處于懸浮狀態(tài)，尚未形成砂骨架，并且砂顆粒周圍易存在孔隙，在荷載作用下比純黏土更易產(chǎn)生壓縮變形，從而使得土的壓縮指數(shù)隨著含砂量的增加而增大，即土的壓縮性逐漸增高。當(dāng)含砂量在20%附近時(shí)，土中的砂骨架逐漸開始形成。繼續(xù)增加含砂量，土中的砂骨架作用越來越大，土的壓縮性由砂骨架控制，土的整體愈發(fā)密實(shí)，從而使得土的壓縮指數(shù)隨著含砂量的增加而減小，即土的壓縮性逐漸降低。按照規(guī)律推測，含砂量增加到100%，即純砂土?xí)r，壓縮性降到最低。

含砂量在10%到30%之間存在一臨界值。當(dāng)含砂量小于該臨界值時(shí)，由于砂顆粒在黏土中處于懸浮狀態(tài)，未形成砂骨架，且砂顆粒周圍存在孔隙，在荷載作用下更易產(chǎn)生壓縮變形，土的壓縮指數(shù)隨著含砂量的增加而增大，達(dá)到峰值時(shí)壓縮指數(shù)約為純黏土?xí)r的1.1-1.2倍；當(dāng)含砂量大于該臨界值時(shí)，土中砂骨架的作用逐漸體現(xiàn)，土的壓縮性逐漸由砂骨架控制，土的壓縮指數(shù)隨著含砂量的增加而減小，土的壓縮性逐漸降低，含砂量為80%時(shí)的壓縮指數(shù)大約只有峰值時(shí)的一半。

表1 含砂量與壓縮系數(shù)表

三、黏土-砂混合物的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究

圖3 粘聚力和含砂量的關(guān)系曲線圖圖

圖4 內(nèi)摩擦角和含砂量的關(guān)系曲線圖

從(圖3，圖4)中可以看出，混合土的粘聚力c隨含砂量的增加而減??；內(nèi)摩擦角隨含砂量的增加而增大。具體來看，當(dāng)含砂量在0-20%附近時(shí)，隨著含砂量的增加，粘聚力的下降幅度和內(nèi)摩擦角的增長幅度均較小，曲線平緩；當(dāng)含砂量在20%至60%范圍內(nèi)時(shí)，幅度較大，曲線較陡；當(dāng)含砂量超過60%后曲線又趨于平緩。

對此可以從混合物結(jié)構(gòu)組合特征以及顆粒間作用的角度作出如下解釋：

當(dāng)含砂量在0-20%內(nèi)時(shí)，土中砂顆粒含量較低，未形成砂骨架，混合土以黏土顆粒為主。隨著含砂量增加，黏土、砂顆粒間的摩擦力增大，內(nèi)摩擦角增大(增幅不大)，由于砂顆粒含量較低，混合土的粘聚力c基本無變化(稍有降低)，此時(shí)混合土的抗剪強(qiáng)度由黏土控制。

當(dāng)含砂量在20%-60%內(nèi)時(shí)，土中存在砂骨架作用，顆粒間的摩擦作用增強(qiáng)，內(nèi)摩擦角增幅較大。由于砂顆粒含量的增加，使得黏土顆粒間的聯(lián)結(jié)力減小，即混合土的粘聚力明顯減小，故圖中該段粘聚力下降幅度較大，此時(shí)混合土的抗剪強(qiáng)度由黏土、砂顆粒共同承擔(dān)。

當(dāng)含砂量高于60%后，土中黏土顆粒含量較低，砂顆粒含量較高，砂顆粒之間直接接觸且顆粒間孔隙較大，混合土的密實(shí)度較低，粘聚力逐漸降低到最小值。黏土顆粒間、黏土和砂顆粒間的摩擦力較低，混合土的內(nèi)摩擦角基本不再增大，此時(shí)混合土的抗剪強(qiáng)度由砂顆?？刂?。

四、結(jié)論

(一)不同含砂量下室內(nèi)壓縮實(shí)驗(yàn)

通過室內(nèi)壓縮試驗(yàn)，對五組含砂量不同的試樣土的壓縮指數(shù)進(jìn)行分析，可以得到如下結(jié)論：

含砂量在10%到30%之間存在一臨界值。當(dāng)含砂量小于該臨界值時(shí)，由于砂顆粒在黏土中處于懸浮狀態(tài)，未形成砂骨架，且砂顆粒周圍存在孔隙，在荷載作用下更易產(chǎn)生壓縮變形，土的壓縮指數(shù)隨著含砂量的增加而增大，達(dá)到峰值時(shí)壓縮指數(shù)約為純黏土?xí)r的1.1-1.2倍；當(dāng)含砂量大于該臨界值時(shí)，土中砂骨架的作用逐漸體現(xiàn)，土的壓縮性逐漸由砂骨架控制，土的壓縮指數(shù)隨著含砂量的增加而減小，土的壓縮性逐漸降低，含砂量為80%時(shí)的壓縮指數(shù)大約只有峰值時(shí)的一半。

(二)不同含砂量下室內(nèi)直剪實(shí)驗(yàn)

通過直剪試驗(yàn)，得到了不同垂直壓力下抗剪強(qiáng)度與含砂量的關(guān)系以及粘聚力和內(nèi)摩擦角與含砂量的關(guān)系，具體結(jié)論如下：

1)在較低的垂直壓力作用下，隨著含砂量的增加，混合土的抗剪強(qiáng)度先是逐漸增大，然后逐漸減小，界限含砂量在40%-60%之間；在較高的垂直壓力作用下，混合土的抗剪強(qiáng)度隨著含砂量的增加而逐漸增大，純黏土與80%含砂量混合土的抗剪強(qiáng)度相差20kPa左右，80%含砂量混合土比純黏土的抗剪強(qiáng)度提高了10%左右。

2)混合土的粘聚力c隨含砂量的增加而逐漸減小。開始降幅較小，當(dāng)含砂量超過20%時(shí)，粘聚力下降的速度明顯加快，變化明顯，60%含砂量混合土的粘聚力只有純黏土粘聚力的10%左右，而當(dāng)含砂量達(dá)到80%時(shí)，粘聚力c已基本喪失。

3)混合土的內(nèi)摩擦角隨含砂量的增加而逐漸增大。開始增幅較小，當(dāng)含砂量超過20%時(shí)，內(nèi)摩擦角增大的速度明顯加快。當(dāng)含砂量達(dá)到60%以后內(nèi)摩擦角基本無變化，含砂量為80%時(shí)的內(nèi)摩擦角比純黏土增加了3°左右。