趙延林，吳 昊，丁志剛

(黑龍江科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

我國幅員遼闊，砂土地層分布廣泛，這些地層在地表之下以細(xì)砂和中砂為主，厚度為5～20 m不等。在我國現(xiàn)行規(guī)范中，在砂土基坑設(shè)計(jì)時(shí)，都將砂土視作無黏性土，即黏聚力為零。而砂土在非飽和狀態(tài)下存在類似于黏聚力的一種力，習(xí)慣上稱之為似黏聚力或表觀黏聚力[1]。對似黏聚力的研究，不僅可以解決工程應(yīng)用的理論缺失，也能夠大大降低一些工程成本。

影響非飽和砂土似黏聚力的因素有很多，如顆粒大小、顆粒級(jí)配、孔隙比、含水率等。近年來，國內(nèi)外學(xué)者通過大量的實(shí)驗(yàn)對非飽和砂土的似黏聚力進(jìn)行了初步研究。H.Louati等[2]通過實(shí)驗(yàn)證明，非飽和砂土的砂土顆粒間存在毛細(xì)管橋，毛細(xì)管橋的存在使砂土存在黏聚力。崔頔[3]通過無側(cè)限實(shí)驗(yàn)方法，研究了非飽和砂土的表觀黏聚力與砂土粒度含水率的定性關(guān)系，得出非飽和砂土的表觀黏聚力會(huì)隨著含水量的增加而升高，隨著砂土的粒度減小而升高的變化規(guī)律。王海東等[4]利用WF循環(huán)單剪實(shí)驗(yàn)，研究了含水率、法向應(yīng)力對非飽和砂土在單向剪切作用下的強(qiáng)度參數(shù)的影響，研究表明：含水率對非飽和砂土的黏聚力和抗剪強(qiáng)度具有很大的影響。蔡國慶等[5]運(yùn)用等速率單軸拉伸方法，在不同的含水率和干密度之下，進(jìn)行了非飽和砂土的抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：非飽和細(xì)砂的抗拉強(qiáng)度隨著含水率的增大，表現(xiàn)出先增大后減小再增大的變化情況，隨著干密度的增大，其抗拉強(qiáng)度一直增大的規(guī)律。李淑娥[6]通過一系列的三軸實(shí)驗(yàn)，對海砂土進(jìn)行了剪切強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，研究表明：海砂土的黏聚力隨著含水率的增大，先增大后減小，12%為界限含水率，且海砂土的強(qiáng)度參數(shù)隨著干密度的增大而增大。

筆者主要通過直剪實(shí)驗(yàn)，研究含水率、顆粒級(jí)配與含土量等因素對非飽和砂土似黏聚力的影響規(guī)律，為砂性土深基坑設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

為保證加載過程中試樣的含水率保持不變，采用直剪快剪實(shí)驗(yàn)來分析含水率w、顆粒級(jí)配(Cc=1，以Cu表示)、摻土量ρ等因素對非飽和沙土似黏聚力的影響規(guī)律，具體實(shí)驗(yàn)方案見表1、表2。

表1 含水率與顆粒級(jí)配實(shí)驗(yàn)方案

表2 摻土量實(shí)驗(yàn)方案

2 試樣制備

實(shí)驗(yàn)砂土樣與黏土樣取自哈爾濱市某深基坑工程。砂樣取回后，去除砂樣其中的多余雜質(zhì)，再將砂土放入純凈水中沖洗數(shù)次，直至沖洗的水清澈不渾濁。黏土樣為粉質(zhì)黏土(通過液塑限實(shí)驗(yàn)測得粉質(zhì)黏土的塑限為15.7%，液限為28.5%，塑性指數(shù)12.8；通過密度計(jì)法測得粉質(zhì)黏土的黏粒含量為17%)，取回后，挑揀出其中的雜質(zhì)后晾曬，再用篩網(wǎng)篩分出純凈黏土樣。將純凈砂土樣和黏土樣放入烘干箱中烘干，烘干箱溫度設(shè)置為105 ℃；再將烘干后的砂土樣用10、5、2、1、0.5、0.25、0.075 mm的篩屜逐屜篩分；然后按配比配制Cu=4、Cu=5、Cu=6與Cu=7四種顆粒級(jí)配的砂土樣，最后將配置好的砂土樣分別放入密封袋內(nèi)封存?zhèn)溆?。在試樣制備的過程中，為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采取現(xiàn)用現(xiàn)配的原則。每次制備試樣時(shí)取500 g砂土樣，根據(jù)砂土樣的質(zhì)量計(jì)算出各試樣的含水量與摻土量，見表3、表4。

表3 含水率試樣制備方案

表4 摻土量試樣制備方案

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 含水率對非飽和砂土似黏聚力的影響

非飽和砂土似黏聚力隨含水率變化曲線如圖1所示，其中，c為非飽和砂土似黏聚力。

圖1 c-w關(guān)系曲線Fig. 1 Relationship curve of c-w

從圖1中數(shù)據(jù)可以看到，當(dāng)2%≤w≤10%時(shí)，非飽和砂土似黏聚力隨含水率的增加而增加，且增加幅度較大。以Cu=4的試樣為例，w=2%時(shí)，c=1.58 kPa；w=6%時(shí)，c=3.37 kPa，相較于w=2%時(shí)增加113.3%；w=10%時(shí)，c=6.57 kPa，相較于w=2%時(shí)增加315.8%。當(dāng)含水率w=10%時(shí)，非飽和砂土似黏聚力達(dá)到峰值。當(dāng)含水率10%

圖2為含水率分別為2%～6%、6%～10%時(shí)非飽和砂土似黏聚力增長率變化曲線。

圖2 c增長率曲線Fig. 2 Curve of growth rate of c

由圖2a可知，當(dāng)含水率介于2%～6%時(shí)，非飽和砂土似黏聚力的增長率隨顆粒級(jí)配的增加呈現(xiàn)先增加后減小的變化規(guī)律，增長率的變化范圍為45.98%～ 55.23%，其中Cu=5時(shí)增長率最大，Cu=7時(shí)增長率最小。由圖2b可知，當(dāng)含水率介于6%～10%時(shí)，非飽和砂土似黏聚力的增長率隨顆粒級(jí)配的增加也呈現(xiàn)先增加后減小的變化規(guī)律，增長率的變化范圍為46.63%～50.92%，其中Cu=6時(shí)，增長率最大，Cu=7時(shí)增長率最小。

3.2 顆粒級(jí)配對非飽和砂土似黏聚力的影響

非飽和砂土似黏聚力隨顆粒級(jí)配變化曲線如圖3所示。

圖3 Cu-c關(guān)系曲線Fig. 3 Relationship curve of Cu-c

從圖3可以看出，非飽和砂土的黏聚力隨著曲率系數(shù)Cu的增大而近似于線性減小，良好級(jí)配(Cu=4、5)比不良級(jí)配(Cu=6、7)的似黏聚力大。這是由于非飽和砂土的孔隙直徑越大，土顆粒間的彎月面越大，液面張力越小。良好級(jí)配的非飽和砂土由于細(xì)粒組分的存在，減小了土顆粒間的孔隙直徑，使彎月面更小，液面張力更大，所以良好級(jí)配的似黏聚力更大。以w=10%的試樣為例，Cu=4時(shí)，c=6.57 kPa；Cu=5時(shí)，c=5.95 kPa，相較于Cu=4時(shí)減小9.4%；Cu=6時(shí)，c=4.87 kPa，相較于Cu=4時(shí)減小25.9%；Cu=7時(shí)，c=3.26 kPa，相較于Cu=4時(shí)減小50.4%。從圖中還可以看到，w=6%、w=10%與w=12%三種情況下的變化曲線基本平行，表明顆粒級(jí)配與含水率對非飽和砂土似黏聚力的交互影響作用不顯著。

圖4為非飽和砂土黏聚力變化量隨含水率的變化曲線。由圖4可知，非飽和砂土黏聚力的變化量隨著含水率的增大先增大后減小，w=10%時(shí)的黏聚力變化量最大，w為6%、11%、12%時(shí)的黏聚力變化量較大，含水率w為2%、13%時(shí)的黏聚力變化量較小。

圖4 c減少量隨w變化曲線Fig. 4 Curve of reduction of c and w

3.3 摻土量對非飽和砂土似黏聚力的影響

不同含水率下?lián)酵亮繉Ψ秋柡蜕巴了起ぞ哿Φ挠绊懬€如圖5所示。

圖5 不同含水率下ρ-c關(guān)系曲線Fig. 5 Relation curves of ρ-c under different water content

由圖5可知，隨著摻土量的增加，非飽和砂土的似黏聚力基本呈現(xiàn)出線性增長，且摻土量對非飽和砂土似黏聚力的影響較大。這是由于摻土量越大，砂土中的黏粒含量越多，非飽和砂土的似黏聚力越大。以顆粒級(jí)配Cu=4、含水率w=10%的試樣為例，摻土量10%時(shí)，似黏聚力為c=14.14 kPa；摻土量20%時(shí)，似黏聚力為c=17.64 kPa，相對于摻土量10%時(shí)增加24.8%；摻土量30%時(shí)，似黏聚力為c=23.74 kPa，相對于摻土量10%時(shí)增加67.9%；摻土量40%時(shí)，似黏聚力為c=30.58 kPa，相對于摻土量10%時(shí)增加116.3%；摻土量50%時(shí)，似黏聚力為c=34.14 kPa，相對于摻土量10%時(shí)增加141.4%。

同時(shí)，從圖5中還可以看出，含水率為2%、10%、12%時(shí)，似黏聚力最大值與最小值的差值分別為8.139、20.002、27.391 kPa，表明含水率越高，摻土量對非飽和砂土的似黏聚力的影響越大；含水率越低，摻土量對非飽和砂土的似黏聚力的影響越小。由此可見，含水率與摻土量對非飽和砂土似黏聚力的交互影響作用顯著。

不同顆粒級(jí)配下?lián)酵亮繉Ψ秋柡蜕巴了起ぞ哿Φ挠绊懬€如圖6所示。

圖6 不同顆粒級(jí)配下ρ-c關(guān)系曲線Fig. 6 Relation curve of ρ-c under different grain size distribution

由圖6可知，當(dāng)含水率相同時(shí)，在任意摻土量條件下良好級(jí)配(Cu=4)砂土試樣的似黏聚力均比不良級(jí)配(Cu=7)的大；而且Cu=4與Cu=7的2條變化曲線基本平行，表明顆粒級(jí)配與摻土量對非飽和砂土似黏聚力的交互影響作用不顯著。

4 結(jié) 論

(1)當(dāng)2%≤w≤10%時(shí)，非飽和砂土似黏聚力隨含水率的增加而增加，且增加幅度較大。含水率w=10%時(shí)，非飽和砂土似黏聚力達(dá)到峰值。當(dāng)10%

(2)非飽和砂土的黏聚力隨著顆粒級(jí)配曲率系數(shù)的增大而接近于線性減小，良好級(jí)配比不良級(jí)配的黏聚力大。

(3)隨著摻土量的增加，非飽和砂土的似黏聚力基本呈現(xiàn)出線性增長，且摻土量對非飽和砂土似黏聚力的影響較大。

(4)含水率與摻土量對非飽和砂土似黏聚力的交互影響作用顯著，顆粒級(jí)配與含水率、摻土量對非飽和砂土似黏聚力的交互影響作用不顯著。