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        淺談不同含水率對(duì)黏土強(qiáng)度指標(biāo)的影響

        2021-07-07 14:15:52

        王 超

        (包頭市公路規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)有限公司,內(nèi)蒙古 包頭 014040)

        1 研究的目的和意義

        土的強(qiáng)度指標(biāo)是工程建設(shè)的重要依據(jù)之一,如果掌握了不同環(huán)境因素下土的物理指標(biāo)性質(zhì),將會(huì)對(duì)工程建設(shè)產(chǎn)生重大意義,對(duì)工程建設(shè)的安全性及經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

        2 研究的主要內(nèi)容

        筆者通過采集包頭市境內(nèi)達(dá)茂地區(qū)的黏土,用于制備不同含水率條件下的黏土試樣,采用三軸試驗(yàn)儀器進(jìn)行試驗(yàn),得出不同含水率條件下的黏土各種強(qiáng)度指標(biāo)的變化規(guī)律。

        3 黏土的基本特性分析

        3.1 試樣土的選取

        以包頭市境內(nèi)達(dá)茂地區(qū)的黏土為研究對(duì)象。

        3.2 常規(guī)土工試驗(yàn)

        3.2.1 含水率試驗(yàn)。根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)中的要求,采用烘干法進(jìn)行土的含水率試驗(yàn),首先進(jìn)行現(xiàn)場取樣并裝盒保存,放入實(shí)驗(yàn)室烘箱,在恒溫105℃~110℃下進(jìn)行不少于8h的烘干。天然含水率的計(jì)算公式如下:

        (1)

        式中:ω——含水率(%),計(jì)算至0.1;

        m——濕土質(zhì)量(g);

        ms——干土質(zhì)量(g)。

        由表1可知,黏土天然含水率為17.5%。

        表1 天然含水率試驗(yàn)記錄

        3.2.2 界限含水率試驗(yàn)。根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)中土的界限含水率試驗(yàn)方法,制備三種不同含水率的土樣,進(jìn)行液塑限試驗(yàn),得出含水率與錐入深度的關(guān)系曲線如下。

        表2 液限塑限聯(lián)合試驗(yàn)記錄

        圖1 含水率與錐入深度關(guān)系

        根據(jù)計(jì)算及圖表的關(guān)系曲線可得出:液限wl=39.6%,塑限wp=26.2%,塑性指數(shù)Ip=13.4%。

        3.2.3 顆粒分析試驗(yàn)。根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)中采用篩分法進(jìn)行土的顆粒分析試驗(yàn),取2kg代表性土樣進(jìn)行篩分實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下。

        表3 顆粒分析結(jié)果

        由圖2得出,黏土的不均勻系數(shù)Cu為8.71,曲率系數(shù)Cc為1.78。

        圖2 顆粒級(jí)配曲線

        3.2.4 密度試驗(yàn)。 依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)中采用環(huán)刀法進(jìn)行土的密度試驗(yàn),測定黏土的濕密度及干密度,計(jì)算公式如下:

        (2)

        (3)

        式中:ρ——濕密度(g/cm3),計(jì)算至0.001;

        m1——環(huán)刀與土合質(zhì)量(g);

        m2——環(huán)刀質(zhì)量(g);

        V——環(huán)刀體積(cm3);

        ρd——干密度(g/cm3),計(jì)算至0.001;

        ω——含水率(%)。

        由表4可知,黏土的干密度ρd為1.432g/cm3。

        表4 環(huán)刀試驗(yàn)記錄

        3.2.5 擊實(shí)試驗(yàn)。 根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)中采用輕型擊實(shí)法進(jìn)行土的擊實(shí)試驗(yàn),試樣所需加水量計(jì)算公式如下:

        (4)

        式中:mw——所需的加水量(g);

        mi——含水率ωi時(shí)的土樣質(zhì)量(g);

        ωh——土樣原有含水率(%);

        ω——要求達(dá)到的含水率(%)。

        表5 擊實(shí)試驗(yàn)記錄

        由圖3可知土的最佳含水量和最大干密度分別為15.3%和1.415g/cm3。

        圖3 含水量與干密度關(guān)系曲線

        4 黏土的三軸試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        4.1 試驗(yàn)方法

        本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為得出土的總抗剪強(qiáng)度指標(biāo),采用不固結(jié)不排水(UU)試驗(yàn),在試驗(yàn)過程中施加圍壓和軸壓直至破壞,整個(gè)過程均不允許試樣排水。

        4.2 試樣選取與試件制備

        原土選取包頭市達(dá)茂旗境內(nèi)的黏土,選取風(fēng)干土樣10kg,充分碾碎并過2mm的篩,將實(shí)驗(yàn)所需的土樣加入經(jīng)計(jì)算所得的加水量,拌合充分后制備試件。實(shí)驗(yàn)所選取的土樣最佳含水量為15.3%,在最佳含水率兩側(cè)選取不同的含水率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,本次試驗(yàn)選用了13%、15.3%、18%和20%四種不同含水率的土進(jìn)行制備試件。每組4個(gè)試件,試件尺寸為Φ39.1×80(mm) 。在擊實(shí)器內(nèi)分層擊實(shí),分4層擊實(shí),各組土層數(shù)量相等,并在各層面上用切土刀刨毛以利于兩層面之間結(jié)合。

        5 結(jié)果與分析

        5.1 黏土的三軸試驗(yàn)結(jié)果

        表6 三軸試驗(yàn)

        5.2 分析數(shù)據(jù)、繪制三軸試驗(yàn)的摩爾圓及強(qiáng)度包線并得到抗剪強(qiáng)度參數(shù)

        圖4 13%含水率三軸實(shí)驗(yàn)抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線

        圖5 15.3%含水率三軸實(shí)驗(yàn)抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線

        圖6 18%含水率三軸實(shí)驗(yàn)抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線

        圖7 20%含水率三軸實(shí)驗(yàn)抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線

        5.2.1 含水率與黏聚力的關(guān)系的分析(見圖8)。當(dāng)含水率逐漸增大到最佳含水率時(shí),土粒間水膜受到相鄰?fù)亮Vg的電分子引力以及土中化合物的膠結(jié)作用逐漸增大,使得黏聚力逐漸增大;當(dāng)含水率超過最佳含水率時(shí),隨著水膜的增厚使土粒之間的電分子引力以及膠結(jié)作用的逐漸減小使得黏聚力逐漸減小。

        圖8 含水率與黏聚力的關(guān)系

        5.2.2 含水率與內(nèi)摩擦角的關(guān)系的分析(見圖9)。隨著含水率的逐漸增大時(shí),水分在較粗顆粒之間起著潤滑作用,使土粒之間摩擦力及咬合力降低,即使得內(nèi)摩擦角逐漸減小。

        圖9 含水率與內(nèi)摩擦角的關(guān)系

        6 結(jié)論及展望

        6.1 結(jié)論

        ①隨著含水率逐漸增大時(shí)(10%~20%),黏聚力先增大后減小。②隨著含水率逐漸增大時(shí)(10%~20%),內(nèi)摩擦角逐漸減小。③隨著含水率逐漸增大時(shí)(10%~20%),黏土的抗剪強(qiáng)度先增大后減小。

        6.2 展望

        筆者通過試驗(yàn)對(duì)包頭市達(dá)茂旗境內(nèi)黏土進(jìn)行分析得出一些結(jié)論,取得了部分成果,對(duì)日后的工程施工具有一定的幫助與指導(dǎo)作用,但由于水平有限,論文中必然有許多不足之處,總結(jié)如下:①土的抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)成果一般有兩種表示方法,由于時(shí)間和試驗(yàn)設(shè)備有限的關(guān)系,筆者只用了較簡單的總應(yīng)力法進(jìn)行研究,希望在以后的研究中能考慮用有效應(yīng)力法進(jìn)行研究。②筆者在試驗(yàn)選擇的部分因素范圍略小,雖然也能顯示出一些趨勢,但希望在以后的研究中能夠加大范圍,獲得更加全面的分析。

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