陳筱竹，鄭曉潔，譚 彩，萬(wàn) 里，

(1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川成都 610065； 2.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院規(guī)劃評(píng)審中心, 重慶 400020；3.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510610)

含細(xì)粒砂是砂和細(xì)粒的混合料，在沖積層、水力沖填、海岸線附近自然沉積土層以及湖海相沉積中均廣泛存在[1]。含細(xì)粒砂由于細(xì)粒的存在，其性質(zhì)在砂與細(xì)粒土之間，其物理力學(xué)性質(zhì)與純砂有一定不同，故有必要對(duì)含細(xì)粒砂土的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究。

近年來(lái)，普遍認(rèn)為細(xì)粒含量使工程特性發(fā)生變化的重要原因之一為細(xì)粒摻入后引起的孔隙比等的改變[2]。Georgiannou等[3]對(duì)含高嶺土的飽和砂樣進(jìn)行了三軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明含黏粒砂與純砂相比具有更不穩(wěn)定的性狀。Thevanayagam和Martin[4]認(rèn)為當(dāng)粉粒含量超過(guò)30 %時(shí)，粉粒對(duì)土體性質(zhì)的影響才表現(xiàn)出來(lái)。朱建群等[5]通過(guò)固結(jié)不排水試驗(yàn)分析了細(xì)粒含量對(duì)砂土強(qiáng)度特性的影響。Carraro等[6]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)飽和砂土的峰值應(yīng)力和臨界狀態(tài)摩擦角隨著黏粒含量增多而減小，而隨著粉粒含量增多而增大。呂文芳[7]研究了松散粉質(zhì)土在不同黏粒含量下強(qiáng)度指標(biāo)的變化，表明內(nèi)摩擦角、峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度和隨著黏粒含量增多而減小，穩(wěn)態(tài)內(nèi)摩擦角隨著黏粒含量增多而減小，但變化幅度很小。田湖南[8]研究了不同細(xì)粒含量的砂土的性狀，表明細(xì)粒含量對(duì)非飽和砂土強(qiáng)度影響顯著，臨界細(xì)粒含量在15 %～20 %之間；同一基質(zhì)吸力情況下，隨細(xì)粒含量的增加，內(nèi)摩擦角減小，總凝聚力增加，且表觀凝聚力隨細(xì)粒含量呈線性增加；摩擦角隨著粒間孔隙比的增大而減小。Troncoso等[9]對(duì)相同孔隙比，不同粉粒含量下的尾礦砂進(jìn)行了循環(huán)剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在孔隙比不變的情況下，隨粉粒含量的增多循環(huán)抗剪強(qiáng)度減小。秦紅玉[10]通過(guò)大型三軸試驗(yàn)，對(duì)高低圍壓下粗粒料的應(yīng)力應(yīng)變特性、內(nèi)摩擦角、抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)比分析，研究表明細(xì)粒含量的增加使粒間的咬合力與顆粒表面的摩擦阻力減弱，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度降低。李會(huì)中等[11]分別對(duì)粒徑大于和小于0.075 mm的顆粒進(jìn)行了研究，并認(rèn)為細(xì)粒含量與c成正比，與φ成反比。余宏明等[12]對(duì)含礫黏土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)研究后得出：隨黏粒含量的增加，粘聚力c增大，而φ隨黏粒含量的增加而減小，在相同黏粒含量增幅比例下，c增加43.6 %，φ則降低33 %。雖然各國(guó)學(xué)者對(duì)細(xì)粒含量的試驗(yàn)研究較多，但對(duì)細(xì)粒含量對(duì)砂土的強(qiáng)度特性和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的影響尚未達(dá)成共識(shí)[13]。

本文對(duì)細(xì)粒含量為0 %、10 %、20 %、30 %、40 %和50 %的飽和砂土進(jìn)行固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)，分析細(xì)粒含量對(duì)砂土破壞偏應(yīng)力、孔壓和抗剪強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)

試樣含細(xì)粒砂由砂土和高嶺土混合組成。砂土為細(xì)砂，粒徑d=0.075～1mm，相對(duì)體積質(zhì)量Gs=2.65。高嶺土粒徑d<0.075mm，Gs=2.72，采用液塑限聯(lián)合法測(cè)定高嶺土液限wl=79%，塑性指數(shù)Ip=38，分類定名為高液限粉土MH。為探討不排水條件下細(xì)粒含量對(duì)砂土強(qiáng)度和變形特性的影響，配置了細(xì)粒含量質(zhì)量百分比f(wàn)c分別為0 %、10 %、20 %、30 %、40 %和50 %的混合料作為試驗(yàn)備用土料，試驗(yàn)土料如圖1所示，土料顆粒級(jí)配曲線如圖2所示。級(jí)配特征參數(shù)不均勻系數(shù)Cu、曲率系數(shù)Cc、有效粒徑d10、粒徑d30、平均粒徑d50和限制粒徑d60如表1所示。試樣尺寸直徑D×高H=39.1mm×80mm，制樣干密度1.59 g/cm3。

表1 試驗(yàn)土料級(jí)配特征值

(a)fc=0%

(b)fc=10%

(c)fc=20%

(d)fc=30%

(e)fc=40%

(f)fc=50%

圖2 試驗(yàn)土料級(jí)配曲線

試驗(yàn)儀器為應(yīng)變控制式三軸壓縮儀，該儀器由壓力室、軸向加荷系統(tǒng)、施加周圍壓力系統(tǒng)、孔隙水壓力量測(cè)系統(tǒng)等組成。

對(duì)細(xì)粒含量0 %、10 %、20 %、30 %、40 %和50 %的砂土進(jìn)行固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)。當(dāng)細(xì)粒含量較多時(shí)，不便于水下裝樣，為保證制樣方式一致，試樣分三層擊實(shí)以保證試樣的均勻性。試樣采用真空抽氣飽和法進(jìn)行飽和，飽和及試樣用水均采用蒸餾水。圍壓σ3=100 kPa、200 kPa和300 kPa，剪切速率0.168 mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

不同細(xì)粒含量的砂土的偏應(yīng)力q-軸向應(yīng)變?chǔ)臿關(guān)系曲線見圖3。取εa=15%對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力為試樣破壞偏應(yīng)力qf0。不同細(xì)粒含量的砂土的破壞偏應(yīng)力見表2。

由圖3和表2可知：

(1)在相同圍壓條件下，隨細(xì)粒含量增多，qf先減小后增大，細(xì)粒含量為30%時(shí)qf最小，在100 kPa、200 kPa、300 kPa的圍壓條件下，qf最小值分別為192 kPa、335 kPa、501.8 kPa。

(2)在相同圍壓條件下，隨細(xì)粒含量增多，其初始斜率先減小后增大，細(xì)粒含量30 %是其轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

(a)σ3=100kPa

(b)σ3=200kPa

(c)σ3=300kPa

細(xì)粒含量/%圍壓/kPa100200300048574710221039363287620301433674301923355024022738858150276476640

(3)不同細(xì)粒含量的砂土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線基本呈應(yīng)變硬化型，試樣呈鼓狀破壞，試樣破壞形態(tài)見圖4。

圖4 試樣破壞形態(tài)

2.2 孔壓

不同細(xì)粒含量的砂土的孔壓u-軸向應(yīng)變?chǔ)臿關(guān)系曲線見圖5，不同細(xì)粒含量的砂土破壞時(shí)(εa=15%)的孔壓見表3。由圖5和表3可知：

(1)同一軸向應(yīng)變?chǔ)臿下，隨細(xì)粒含量增多，砂土孔壓先增大后減小，細(xì)粒含量為30 %時(shí)孔壓最大，取εa=15 %，在100 kPa、200 kPa、300 kPa的圍壓條件下，30 %細(xì)粒含量對(duì)應(yīng)的孔壓最大值分別為32 kPa、65.1 kPa、92.5 kPa。

(2)當(dāng)細(xì)粒含量少時(shí)，試樣呈先剪縮后剪脹趨勢(shì)，表現(xiàn)為孔壓先增大后減小，隨細(xì)粒含量增多，試樣逐步呈單調(diào)剪縮趨勢(shì)，孔壓表現(xiàn)為單調(diào)遞增。

(3)隨著圍壓的增大，孔壓u-軸向應(yīng)變?chǔ)臿關(guān)系曲線圖初始斜率在逐級(jí)增大。細(xì)粒含量為20 %，砂土在100 kPa、200 kPa圍壓下由先剪縮后剪脹轉(zhuǎn)化為在300 kPa圍壓下的單調(diào)剪縮。

表3 不同細(xì)粒含量砂土破壞孔壓

2.3 抗剪強(qiáng)度

由摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度理論得出內(nèi)摩擦角與粘聚力的大小見表4。細(xì)粒含量與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角與有效內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線如圖6所示，可知隨細(xì)粒含量增多，土樣內(nèi)摩擦角φ和有效內(nèi)摩擦角φ′，均先減小后增大，當(dāng)細(xì)粒含量為30 %時(shí)，土樣內(nèi)摩擦角和有效內(nèi)摩擦角最??；細(xì)粒含量為0 %時(shí)，試樣內(nèi)摩擦角φ>有效內(nèi)摩擦角φ′，而其他細(xì)粒含量的砂土φ′>φ。這主要是細(xì)粒含量為0 %時(shí)，試樣有受剪呈膨脹趨勢(shì)，產(chǎn)生負(fù)孔隙水壓力，等效于增大圍壓，提高了總強(qiáng)度。隨細(xì)粒含量增多，試樣逐漸向受剪壓縮轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生正孔隙水壓力，降低了總強(qiáng)度。有效應(yīng)力為總應(yīng)力與孔壓之差，孔壓為正時(shí)，摩爾圓左移，增大φ′，反之，則減小φ′。

細(xì)粒含量與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力關(guān)系曲線如圖7所示，

(a)σ3=100kPa

(b)σ3=200kPa

(c)σ3=300kPa

圖6 內(nèi)摩擦角-細(xì)粒含量關(guān)系曲線

表4 內(nèi)摩擦角與粘聚力

可知：土樣粘聚力c和有效粘聚力c′隨細(xì)粒含量增多亦呈先減小后增大趨勢(shì)，細(xì)粒含量30 %是其轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

圖7 粘聚力-細(xì)粒含量關(guān)系曲線

3 結(jié)論

針對(duì)不同細(xì)粒含量的砂土進(jìn)行三軸不排水壓縮試驗(yàn)，分析了細(xì)粒含量對(duì)其偏應(yīng)力、孔壓和強(qiáng)度的影響。主要結(jié)論如下：

(1)在不排水條件下，隨細(xì)粒含量增多，破壞偏應(yīng)力先減小后增大，細(xì)粒含量為30 %時(shí)破壞偏應(yīng)力最小。

(2)隨細(xì)粒含量增多，砂土孔壓發(fā)展模式逐漸由先增大后減小轉(zhuǎn)變?yōu)閱握{(diào)遞增，細(xì)粒含量30 %時(shí)是這種變化趨勢(shì)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；同一軸向應(yīng)變下，砂土孔壓先增大后減小，細(xì)粒含量30 %時(shí)孔壓最大。

(3)隨細(xì)粒含量增多，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)先減小后增大，內(nèi)摩擦角與粘聚力在細(xì)粒含量為30 %時(shí)達(dá)到最小。