任克彬，鄭文舉，劉彭彭，李新明*，尹 松

(1.河南省文物建筑保護研究院，鄭州 450002；2.河南省誠建檢驗檢測技術股份有限公司，鄭州 450001；3.中原工學院建筑工程學院，鄭州 450007；4.河南省環(huán)境巖土工程與地下工程災害控制工程研究中心，鄭州 450007)

河南省地處黃河中下游地區(qū)，是華夏文明的發(fā)源地，土遺址約有320多座且多為粉土或粉砂土夯筑。由于長期暴露于自然環(huán)境中，遺址本體性能極易劣化，抗剪能力差，容易產生裂隙、掏蝕、坍塌等病害[1]。添加黏粒的方法符合土遺址保護中“利用古代材料”“修舊如舊”等原則，在土遺址預防性保護工程中多有應用，但不同于純凈砂或黏土，細顆粒尤其是黏粒的存在使得含細粒砂土(如粉砂土等)的剪切行為變得非常復雜[2]，其黏粒作用機制尚不明確。因此，有必要開展黏粒含量對中原地區(qū)土遺址力學特性影響規(guī)律及機理的相關研究。

中外學者對不同黏粒含量土樣的力學特性及形成機制進行了較為深入的研究。如Thevanayagam等[3]、Reza等[4]的研究表明，細粒含量對砂土應力-應變關系等影響很大。顧成權等[5]通過室內試驗分析了黏聚力隨試樣含水率與黏粒含量比值的變化關系，發(fā)現(xiàn)其比值越大黏聚力越小。Ukgie等[6]對不同混合比的黏粒-砂土進行了不排水三軸試驗，結果表明隨著細粒含量的增加，低密度試樣的剪切強度增加，而高密度試樣的剪切強度降低。Dafalla[7]、楊瑞雪等[8]對含黏粒砂土、黃土進行直剪試驗，發(fā)現(xiàn)試樣的黏聚力隨著黏粒含量的增大呈現(xiàn)逐漸增長的趨勢；而張曉麗等[9]在含黏粒膨脹土的直剪試驗中卻得到了與之截然相反的結論?？梢园l(fā)現(xiàn)，黏粒含量對土體力學特性的影響規(guī)律較為復雜，目前學術界尚未達成一致。因此，系統(tǒng)地研究黏粒含量對中原地區(qū)典型粉砂土的作用機制對于土遺址保護修復工程具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

中原地區(qū)土遺址的裂隙、掏蝕、坍塌等病害主要發(fā)展在土遺址的淺層部位，深度范圍一般不超過3 m[1]。滑面上的豎向應力小于30 kPa，小于常規(guī)直剪試驗的豎向應力(50～400 kPa)。因此，從土遺址病害的實際出發(fā)，低應力條件下土的抗剪強度才能表征其真實強度。

基于此，現(xiàn)以中原地區(qū)典型遺址粉砂土為研究對象，采用常規(guī)直剪儀，開展了不同黏粒含量、豎向應力和干密度的粉砂土的慢剪試驗，通過掃描電鏡試驗對部分樣品的微觀結構進行分析，探究黏粒含量對低應力和高應力下遺址土抗剪強度指標影響規(guī)律及其形成機理。研究可為土遺址預防性保護提供依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

苑陵故城位于河南省鄭州市，是第七批全國重點文物保護單位，對研究中原地區(qū)政治、經濟和軍事都有著較高的研究和參考價值。考慮到土遺址保護中“最低限度干預”原則，在取土過程中應盡量避免對土遺址造成破壞[10]。因此，試驗所用土樣取自苑陵故城城墻散落土，其土性指標如表1所示，為粉砂土。

表1 土樣基本性質

添加到粉砂土中的黏粒為粒徑<0.005 mm的6 000目高嶺土。采用激光衍射技術測試系統(tǒng)進行粒度測量，測試結果顯示黏粒占比81.15%。通過內摻法添加到粉砂土中，圖1為高嶺土和不同黏粒含量土樣的顆粒級配曲線。

圖1 不同黏粒含量土樣的顆粒級配曲線

1.2 試驗方案

制樣采用千斤頂靜壓法，試樣經抽真空飽和后按《土工試驗規(guī)程》(SL237—1997)中相關規(guī)定進行慢剪試驗，其中剪切速率為0.02 mm/min，剪切位移達到6 mm時試驗結束。此次測定采用的是南京土壤儀器廠生產的應變控制式直剪儀(ZJ-2型)。干密度參數(shù)設計為1.60、1.70、1.80 g/cm3，黏粒含量參數(shù)設計為0、5%、10%、15%、20%、25%，豎向應力設計為1、5、10、25、50、100、200、400 kPa，低應力是指1、5、10、25 kPa共4級荷載，通過施加等效荷載實現(xiàn)，與之對應的高應力為50、100、200、400 kPa(簡稱規(guī)范法)。試驗過程如圖2所示。

圖2 主要試驗過程圖

2 試驗結果與分析

對粉砂土按照不同黏粒含量制備試樣，進而完成慢剪試驗。各組試樣均包括高、低豎向應力控制條件，且均進行兩次平行試驗，所得測試結果平均值經整理后如表2所示。

表2 抗剪強度試驗結果

2.1 試樣剪切破壞形態(tài)

由于不同豎向應力條件下試樣剪切破壞狀態(tài)相似，僅列出豎向應力25 kPa條件下不同黏粒含量的試樣剪切破壞后的照片(圖3)?？梢钥闯?，隨著黏粒含量的增加，試樣顏色由深至淺(高嶺土色澤影響)，剪切面趨于平滑，說明土樣出現(xiàn)一定的塑性。

圖3 豎向應力25 kPa條件下剪切破壞試樣

2.2 固結應力與黏粒含量對抗剪強度的影響

參照楊和平等[11]對低應力條件的膨脹土抗剪強度試驗研究，按規(guī)范法先對4個大豎向應力的測點值做擬合，得到抗剪強度直線公式，并據(jù)以計算4個低應力點相應的剪應力，同時列出各個低應力點剪應力實測值進行對比，結果如表3所示。

對比分析表3，以黏粒含量5%、干密度 1.60 g/cm3時為例，豎向應力1、5、10、25 kPa時，按規(guī)范擬合式算得的計算值為實測值的1.49、1.39、1.30、1.16倍；再對比黏粒含量20%、干密度 1.60 g/cm3時的數(shù)值，得計算值分別是實測值的1.34、1.30、1.26、1.18倍?？梢?，依照規(guī)范法擬合公式所得低應力點抗剪強度遠大于實測值。因此，以常規(guī)應力所得計算強度用于土遺址穩(wěn)定性計算分析時偏于不安全。

表3 低應力下剪應力實測值與對應計算值

對直剪試驗所得土體高、低應力段的強度進行比較，依規(guī)范對4個高豎向應力的測點值進行公式擬合，同時將4個低豎向應力的測點值做直線擬合。由于整體試驗中剪應力曲線分段規(guī)律類似，僅列出黏粒含量10%、干密度1.60 g/cm3試樣的分段式強度折線(圖4)。由圖4可知，低應力段擬合公式為y=0.57x+14.73，高應力段為y=0.51x+22.83，高、低應力段強度擬合公式斜率、截距差異明顯。

圖4 分段式強度折線

此外，不同豎向應力條件下試樣的抗剪強度均隨黏粒含量增加而增大，說明通過添加黏粒有效地提升了粉砂土強度。

2.3 黏粒含量與抗剪強度指標的關系

由于3種干密度條件下黏聚力和內摩擦角隨黏粒含量的變化規(guī)律類似，僅繪制出干密度為 1.70 g/cm3時高、低應力段強度參數(shù)與黏粒含量的關系曲線(圖5)。

圖5 抗剪強度指標與黏粒含量的關系

土樣的黏聚力呈現(xiàn)隨黏粒含量增加而顯著增大、內摩擦角隨黏粒含量增加逐漸減小的趨勢，與Dafalla[7]所得結論一致。

無論是高應力還是低應力固結狀態(tài)，黏聚力均隨黏粒含量的增加呈兩段折線型增長趨勢，拐點位于黏粒含量10%處，且“拐點”右側高、低應力段曲線斜率均明顯大于左側。此外，隨著黏粒含量由0增加至25%，低應力段黏聚力增大更為顯著。

文獻[11]指出，黏聚力大小對土坡是否發(fā)生淺層坍塌起到了決定性作用。黏粒含量低于10%的粉砂土高、低應力下黏聚力相差很大。隨著黏粒含量的增大，高、低應力段黏聚力的差值逐漸縮小，在黏粒含量25%時基本相同。中原地區(qū)土遺址主要由粉土或粉砂土構成(黏粒含量<10%)，且土遺址病害集中于淺層部位。因此，在中原地區(qū)土遺址保護工作中，更應加強低應力和高應力對比工作，根據(jù)實際保護工況獲得合理的強度參數(shù)。

在土遺址修復工程中，獲得本體強度參數(shù)的取樣工作與“最低限度干預”等文物保護原則“相?！?，而河南地區(qū)部分土遺址土性屬于不同黏粒含量下的粉砂土。因此，試驗所得強度指標可為在確定其本體力學參數(shù)時提供參考。

2.4 干密度與抗剪強度指標的關系

因多組試驗中抗剪強度指標隨干密度變化規(guī)律類似，僅繪制出黏粒含量25%時高、低應力段強度參數(shù)與干密度的關系曲線(圖6)。

圖6 抗剪強度指標與干密度的關系

試樣的黏聚力、內摩擦角呈現(xiàn)隨干密度增加而增大的趨勢，同王林浩等[12]對于壓實黃土狀粉土的相關研究成果相一致。究其原因，隨著干密度的增大，試樣逐漸變得密實，骨料間的摩擦力逐漸增大，外力克服骨料間的摩擦力所要做的功將迅速增大，從而抗剪強度指標增大較快。

隨著干密度從1.60 g/cm3增加到1.80 g/cm3，低應力段黏聚力、內摩擦角增大了71.09%、18.97%；高應力段黏聚力、內摩擦角增大了59.29%、16.37%，說明干密度對黏聚力的影響效果比內摩擦角顯著，而對低應力和高應力段黏聚力和內摩擦角的影響幅度基本相當。

3 含黏粒遺址粉砂土作用機理分析

含黏粒粉砂土的力學特性既不同于純凈砂，也區(qū)別于典型黏土[2-3]。高國瑞[13]在土體空間結構體系研究中發(fā)現(xiàn)，粉砂土或粉土為粒狀結構體系，而黏性土則屬于片狀結構體系。隨著黏粒含量的增加，含黏粒粉砂土經歷“類砂土”到“類黏土”的轉換過程，并最終趨向于黏土[14-15]，也就是說其顆粒骨架由粒狀結構體系演化為片狀結構體系。即在黏粒增加的過程中，含黏粒粉砂土的受力骨架先是取決于土樣中的砂顆粒，隨后黏粒的作用開始顯現(xiàn)并逐漸增加。

圖7為黏粒作用下粉砂土顆粒的調整過程示意圖?？梢钥闯?，隨著黏粒含量的增加，粉砂土中顆粒的調整過程主要分為2個階段。第一階段為“類砂土”階段，屬于粒狀結構體系。有學者指出，黏粒含量在10%以下的砂土并不具有黏性土的性質[15]。此時，黏粒在砂粒之間的“潤滑”起著主導作用，以致含黏粒粉砂土具有較低的黏聚力，這與圖5中試驗結果一致。Donald Wood Taylor認為砂土的抗剪強度是由顆粒的滑動和滾動摩擦提供的剪阻力(摩擦分量)和砂粒間咬合作用引起的剪阻力(剪脹分量)組成[13]。砂土在低應力作用下呈現(xiàn)剪脹現(xiàn)象，在高應力作用下呈現(xiàn)剪縮現(xiàn)象，如圖8所示。低豎向應力水平剪切作用下，顆粒間的咬合結構被破壞，剪切面上顆粒翻越相鄰顆粒；高豎向應力下，砂土較低應力下更加密實，在水平剪切應力作用下，顆粒間發(fā)生相互錯動，從而需要消耗更大的能量，宏觀上表現(xiàn)為相對較大的黏聚力[16]，這與圖5中0～10%黏粒含量較低(“類砂土”)下高、低應力段黏聚力差值較大的結果吻合。為驗證上述分析的合理性，對不同黏粒含量下土樣進行電鏡掃描試驗，如圖9所示。可以看出0～10%黏粒含量下，黏粒以填充砂?？紫兜姆植夹问綖橹鳎倭康酿じ皆陬w粒表面。

圖7 黏粒作用下土顆粒的調整

圖8 豎向位移-剪切位移關系曲線

圖9 黏粒作用下土的微觀結構

第二階段為“類黏土”階段，屬于片狀結構體系。Lamb從亞微觀的尺度把黏性土的抗剪強度分為3個基本分量，即凝聚分量、剪脹分量和摩擦分量，其中黏粒間黏結或膠結引起的剪阻力提供了凝聚分量[13]。隨著黏粒含量的增加，黏粒開始包裹砂粒并作為土體受力骨架的一部分，土性從“類砂土”向“類黏土”過渡，因此黏聚力逐漸增大，這與圖6中黏粒含量大于10%后，黏聚力值增幅顯著的變化規(guī)律相一致。當黏粒含量大于10%后，“類黏土”雖也有剪脹、剪縮現(xiàn)象(圖8)，但其剪切作用機理與“類砂土”不同。此時，包裹在砂粒表面的黏粒在剪切過程中起到了主導作用，在剪切應力作用下，其剪脹、剪縮幅度均較“類砂土”小；另外，土樣黏聚力主要由黏粒牢固的短程聯(lián)結破裂所致，而在黏粒含量大于10%之后，隨著黏粒含量的增加，土樣中砂粒表面黏粒由較散亂分布向均勻分布發(fā)展直至形成“黏粒網(wǎng)架”，從而導致黏粒含量10%～25%(“類黏土”)時高、低應力段黏聚力差值較小(圖5)；因此，可以推測當黏粒充分包裹砂粒后，黏粒含量再增大也不會引起黏聚力的變化。如楊和平等[11]在黏粒含量為43.56%的膨脹土抗剪強度試驗中發(fā)現(xiàn)高、低應力段黏聚力差值僅為1.9 kPa，這也側面證明了上述推測成立。從圖9中亦可看出，當黏粒含量為25%時，黏粒附著在砂粒表面并對砂粒進行包裹，與圖7中土顆粒的調整過程相互驗證。

4 結論

(1)依照規(guī)范法擬合所得低應力段的抗剪強度與實際結果不符，做遺址土強度試驗時須包含低應力條件，才能獲得符合土遺址淺層破壞狀態(tài)時的真實強度指標值。

(2)添加黏粒后粉砂土強度的增長主要是黏聚力大幅提升。黏聚力隨黏粒含量增加呈兩段折線型增長(拐點位于黏粒含量10%處)，且高、低應力段黏聚力的差值逐漸減小，直至黏粒含量25%時基本相同。

(3)當黏粒含量大于10%后，遺址粉砂土經歷從“類砂土”向“類黏土”的轉變，受力骨架由砂粒、砂粒與砂粒表面黏粒共同作用向“黏粒網(wǎng)架”過渡，黏聚力大幅提升，土樣抗剪強度顯著提高。