張其昌 王 璐

（中航勘察設計研究院有限公司，北京 100098）

0 引言

某項目在勘察外業(yè)過程中揭露出一厚層黏-砂混合土，該混合土現(xiàn)有的工程經(jīng)驗較為匱乏。目前國內(nèi)外對混合土的研究主要有以下方面：江強強等[1]開展了不同含石量條件下土石混合體試樣的剪切變形試驗研究；李 曉等[2]對大體積土石混合體進行原位推剪與壓剪試驗；魯 洋等[3]對不同含石量的黏質土石混合體開展重型擊實試驗和三軸滲透試驗；胡瑞林等[4]通過多尺度宏-微觀室內(nèi)和現(xiàn)場物理力學試驗與模擬，對土石混合體的強度特性、變形特性和滲透特性及其結構控制機理展開了深入研究；付佳佳等[5]從微觀層面探討了混合土微觀結構隨固結壓力變化的演變機制；廖秋林等[6]對土石混合體進行單軸壓縮試驗；蘇 陽等[7]對桂林市混合土進行靜力載荷試驗研究，并通過FLAC進行模擬，與試驗結果進行對比分析；王 煉等[8]對黏-砂混合土孔隙特性進行試驗研究，李 偉等[9-10]對混合土進行動力特性研究。Parkasha和 Chandrasekaran[11]通過一維固結試驗、靜態(tài)試驗和循環(huán)三軸試驗，對印第安海洋土壤中砂黏土混合物研究。

目前關于黏-砂混合土室內(nèi)大型固結直剪試驗以及顆粒級配對混合土的強度和變形特性影響的相關研究較少，本研究可以豐富黏-砂混合土物理力學特性研究成果，為巖土工程設計提供參考依據(jù)。

1 天然混合土室內(nèi)大型固結直剪試驗

試驗設備為WGYJ-1500微機控制全自動土工固結直剪儀（見圖1），該儀器可按照《水利水電工程粗粒土試驗規(guī)程》（DL/T 5356-2006）[12]、《土工試驗規(guī)程》（SL 237-1999）[13]、《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-2019）[14]自動進行試驗，所測數(shù)據(jù)均按上述標準進行處理。該儀器實現(xiàn)了全自動試驗和數(shù)據(jù)記錄、處理，測試結果準確可靠。

圖1 大型固結直剪試驗儀

本次大型固結試驗采用直徑300 mm、高度180 mm的模具，單個試樣約25 kg；大型直剪試驗采用直徑300 mm、高度250 mm的模具，單個試樣約35 kg。

1.1 室內(nèi)大型固結試驗結果

取天然土樣，分層碾壓裝樣制備三組平行試樣，分別記錄每組試樣在垂直荷載50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa條件下的位移變化（見圖2），進而計算其孔隙比、壓縮系數(shù)、壓縮模量（見圖3）。

圖2 室內(nèi)大型固結試驗位移-時間關系曲線圖

圖3 室內(nèi)大型固結試驗壓縮系數(shù)／壓縮模量-垂直壓力關系曲線圖

由上述數(shù)據(jù)可得：室內(nèi)大型固結試驗，試樣的豎向位移在同一級荷載作用下隨著加荷時間緩慢增加，每加一級荷載會出現(xiàn)一次位移的顯著增加。3個試樣的壓縮系數(shù)均隨著垂直壓力的增加而減小，壓縮模量隨著垂直壓力的增加而增大。當垂直壓力為800 kPa時，試樣1-試樣3的壓縮模量分別為28.8 MPa、24.9 MPa、22.9 MPa。

1.2 室內(nèi)大型直剪試驗結果

由上述數(shù)據(jù)可得：試樣1-試樣3的室內(nèi)大型直剪試驗剪應力隨著剪切位移的增加均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢（見圖4），取剪應力峰值即抗剪強度作為縱坐標，以垂直壓力作為橫坐標繪制曲線后（見圖5），得到試樣1： c=100.88 kPa，φ=35.06°；試樣2： c=90.52 kPa，φ=32.26°；試樣3 ： c=92.68 kPa，φ=29.21°。

圖4 室內(nèi)大型直剪試驗剪應力-剪切位移關系曲線圖

圖5 室內(nèi)大型直剪試驗抗剪強度-垂直壓力關系曲線圖

2 重塑混合土的物理力學性質研究

2.1 重塑樣制備

取項目現(xiàn)場混合土，烘箱110℃恒溫烘干后取出，用0.075 mm孔徑的篩通過洗篩的方式對黏性土和粉細砂進行分選，分別放入烘箱110℃恒溫烘干后取出，然后黏性土用粉碎機粉碎。

黏性土和粉細砂按照不同干質量比進行配置，分別配置砂類土含量為0、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90% 、100% 共計11個不同顆粒級配的混合土，為表述方便，以NS0、NS10、NS20、NS30、NS40、NS50、NS60、NS70、NS80、NS90、NS100分別表示不同含砂量試樣。

取制備好的重塑樣，加定量的水，攪拌均勻，制備相同含水率的土樣，密實地填入環(huán)刀，制備成壓縮和快剪的環(huán)刀樣。

2.2 重塑土室內(nèi)固結試驗

取制備好的重塑土壓縮環(huán)刀樣，室內(nèi)進行固結試驗。本次試驗采用北京天策恒通科技發(fā)展有限責任公司生產(chǎn)的全自動固結儀（型號：TCCGY02），試驗結果見圖6、圖7。

圖6 壓縮曲線圖

圖7 重塑土壓縮模量／壓縮系數(shù)-含砂量關系曲線圖

由上述試驗結果可得：相同含砂量的黏-砂混合土的孔隙比隨著垂直壓力的增加而減小，該種黏-砂混合土整體的壓縮性隨含砂量的增加而減小，尤其是含砂量≥50%開始，黏-砂混合土的孔隙比顯著減小，含砂量≥70%開始，黏-砂混合土的壓縮模量顯著增大。

2.3 重塑土室內(nèi)直剪試驗

取制備好的重塑土剪切環(huán)刀樣進行室內(nèi)直剪試驗。本次試驗采用北京天策恒通科技發(fā)展有限責任公司生產(chǎn)的全自動直剪儀（型號：FZ-01型），試驗類型為快剪，試驗結果見圖8、圖9。

圖8 抗剪強度-固結應力關系曲線圖

圖9 內(nèi)摩擦角-含砂量關系曲線圖

由抗剪強度和固結應力關系曲線圖可得，不同固結應力下，土的抗剪強度值隨著黏-砂混合土中含砂量的增加而增大。

由內(nèi)摩擦角與含砂量的關系曲線圖可得，隨含砂量的增加，土的內(nèi)摩擦角逐漸增大。該曲線分三個階段，當含砂量不大于40%時，內(nèi)摩擦角增長緩慢；當含砂量大于40%小于80%時，有一個較大增幅；當含砂量大于80%時，增幅放緩。

3 黏-砂混合土重塑樣的顆粒級配分形維數(shù)

3.1 分形維數(shù)計算公式

本次研究采用王國梁提出的顆粒體積-粒徑分布分形模型[15]，見式（1）。

式中：r為測定的尺度，mm；R為某一特定的粒徑 ，mm；V（r

對式（1）兩邊取對數(shù)：

3.2 黏-砂混合土不同級配的分形表征

對于不同級配的黏-砂混合土，通過計算得到不同級配混合土的粒度分布分形曲線（見圖10），混合土的分形維數(shù)D、相關系數(shù)R12的計算結果見表1。

圖10 不同級配粒度分布分形曲線圖

表1 黏-砂混合土分形維數(shù)計算

由上述試驗數(shù)據(jù)可得：混合土分形維數(shù)隨著含砂量的增加逐漸減小，在含砂量為70%時有突變，相關系數(shù)R12為0.7437～0.9645，說明相關性很好。分形維數(shù)與含砂量的關系曲線，通過指數(shù)擬合得關系式：y=-0.0119ex/21.1，相關系數(shù)R12=0.9627，相關性很好（見圖11）。分形維數(shù)的大小清楚地反映了混合土顆粒級配的變化規(guī)律。

圖11 分形維數(shù)-含砂量關系曲線圖

3.3 黏-砂混合土強度和變形的分形表征

（1）黏-砂混合土強度的分形表征

由試驗結果繪制不同顆粒級配混合土的分形維數(shù)-抗剪強度關系曲線（見圖12），繪制不同顆粒級配混合土的分形維數(shù)-內(nèi)摩擦角關系曲線（見圖13）。

圖12 分形維數(shù)-抗剪強度關系曲線圖

圖13 分形維數(shù)-內(nèi)摩擦角關系曲線圖

由上述曲線可得：不同垂直壓力下，抗剪強度隨固結應力的增加而增大；在相同的垂直壓力下，抗剪強度隨分形維數(shù)的增加而減小。不同級配的混合土的內(nèi)摩擦角隨著分形維數(shù)的增加而減小，在含砂量為80%時會有一個突變。黏-砂混合土的分形維數(shù)滿足方程φ=-2.447×10-5ex/0.216+32.2，相關系數(shù)R12=0.9562，該混合土內(nèi)摩擦角的分形維數(shù)相關性很好。

（2）黏-砂混合土變形的分形表征

由試驗結果繪制不同顆粒級配混合土的分形維數(shù)-壓縮系數(shù)關系曲線（見圖14）、不同顆粒級配混合土的分形維數(shù)-壓縮模量關系曲線（見圖15）。

圖14 分形維數(shù)-壓縮系數(shù)關系曲線圖

圖15 分形維數(shù)-壓縮模量關系曲線圖

由上述曲線可得：壓縮系數(shù)隨著分形維數(shù)的增大而增大，在含砂量為80%時有突變，該黏-砂混合土分形維數(shù)滿足方程a1-2=2.54×10-9ex/0.15+0.1，相關系數(shù)R12=0.9538，該混合土壓縮系數(shù)的分形維數(shù)相關性很好。

壓縮模量隨著分形維數(shù)的增大而增大，該黏-砂混合土分形維數(shù)滿足方程Es=0.67+15.51/[1+(x/2.55)14]，相關系數(shù)R12=0.9960，該混合土壓縮模量的分形維數(shù)相關性很好。

4 結論

混合土的室內(nèi)大型固結直剪試驗，彌補了混合土研究的大型試驗空缺，為以后相關的研究打下基礎。重塑混合土的固結和直剪試驗，以及混合土強度和變形的分形表征，在含砂量在70%~80%之間會有一個突變，這不僅反映了混合土含砂量的量變導致其力學性質質變的突變現(xiàn)象，而且反映了混合土由黏粒骨架承擔荷載向砂粒骨架承擔荷載的轉變。分形維數(shù)不僅能描述土的顆粒級配特征，而且能較好地反映土顆粒的分選程度、孔隙特征和結構特征，分形維數(shù)為定量描述顆粒級配對土的力學性質的影響提供了一條新的途徑。