直接快剪條件下黏土抗剪強度影響因素探討*

王星華，黃長溪，隆 威

(1.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410083;2.中南大學地球科學與信息物理學院，湖南長沙 410083)

土體抗剪強度是指土體抵抗剪切破壞的極限能力，是土的重要力學性質之一。影響抗剪強度的影響因素有很多，根據庫侖公式可知:土的抗剪強度與法向壓力σ﹑土的內摩擦角φ和土的黏聚力c三者有關［1－4］。影響抗剪強度的因素可歸納為兩類:(1)土的物理化學性質影響;(2)孔隙水壓力影響。本論文就針對黏土的孔隙比e﹑含砂量s對抗剪強度指標黏聚力c和內摩擦角φ的影響進行分析，從而建立黏土抗剪強度指標與孔隙比e﹑含砂量s的關系。

1 直接剪切試驗方案

在工程中，黏土抗剪強度指標的影響因素很多。通過實際調查研究發現，既有內在因素:如孔隙比、含砂量等，也有外在因素:如土的應力歷史及環境等［5－7］。為此，本文著重考慮了孔隙比、含砂量等影響因素，來研究抗剪強度指標與孔隙比、含砂量的關系。選用較均勻的黏土，粒徑為0.075～1.000mm的標準砂，直剪樣參數為D=61.8mm，H=20.0mm，V=60.0cm3。這樣就可以根據所需配制的土樣的體積和設計孔隙比﹑設計含砂量來計算所需要的土量和砂量，也就是說，可以通過控制土和砂的配比和摻量來精確控制直剪樣的孔隙比和含砂量。

1.1 孔隙比對c和φ的影響試驗

由

可得:

且

由式(2)～(4)可以求出所需的土量和水量:

式中:e為設計孔隙比;w為設計含水率;ρs為土的顆粒密度;ρd為土的設計干密度;V為土樣的設計體積;ms為所需土的干質量;wo為土的風干含水率;mwo為所需的風干土的重量;mw為所需水的質量。

根據上述公式并設定w=26%，ρs=2.71，wo=8% ，便可計算出孔隙比取值分別為 0.4，0.6，0.8和1.0時所需土和水的用量。按計算的土量，將所需的水量均勻地灑在土里，拌勻，然后密封不小于20h，待其含水均勻，再轉移到壓樣模具內壓實成樣，每組試驗4個試樣。分別在垂直壓力0.1，0.2，0.3和0.4MPa下進行直接快剪試驗。

1.2 含砂量對c和φ的影響試驗

砂土混合后的平均顆粒密度:

由

得:

且

由式(10)～(13)及(2)～(4)可以求出所需的土量、砂量和水量:

式中:s為設計含砂量;ρ為摻砂后土樣的平均顆粒密度;ρss為砂的顆粒密度;Ms為土與砂混合后的干質量;m砂為所需的標準砂的質量。

根據上述公式并設定w=26%，e=0.6，ρs=2.71，ρss=2.65，w0=8%，當在土中摻入標準砂含砂量取值分別為5%，10%，15%，20%，25%，30%，35%和40%時所需土、水和標準砂的用量。按計算的土量與砂量混合均勻，再將所需的水量均勻地灑在土里，拌勻，然后密封不小于20h，待其含水均勻，再轉移到壓樣模具內壓實成樣，每組試驗4個試樣。分別在垂直壓力 0.1，0.2，0.3 和 0.4MPa下進行直接快剪試驗。

2 抗剪強度指標與其影響因素的關系分析

2.1 內摩擦角與各因素的關系

利用曲線擬合的最小二乘法［8］對內摩擦角的相關數據進行擬合，可以得到內摩擦角φ與孔隙比e、含砂量s的函數關系。

2.1.1 內摩擦角與孔隙比的關系

內摩擦角與孔隙比的關系如圖1所示，具體函數關系式為:

由圖1可知，內摩擦角隨著孔隙比的增大而減小，形成1條拋物線。這是由于當孔隙比越小時，土顆粒擠得越來越緊密，在剪切過程中顆粒間的摩擦力逐漸增大［9］，故內摩擦角增大。反之，孔隙比越大，內摩擦角越小。

2.1.2 內摩擦角與含砂量的關系

內摩擦角與含砂量的關系如圖2所示，具體函數關系式為:

圖1 φ與e的關系Fig.1 Relationship between internal friction angles and void ratio

圖2 內摩擦角與含砂量的關系Fig.2 Relationship between internal friction angles and sand content

由圖2可知:內摩擦角隨著含砂量的增加而減小，形成1條拋物線。這主要是因為隨著含砂量增加，試樣的密實度減小，比表面積減小，涵水能力減小［10］，從而試樣自由水含量相對增加，在砂粒表面形成1層水化膜，而這種水化膜起潤滑作用，在剪切過程中顆粒間的摩擦力減小，所以，試樣內摩擦角減小;其次，本試樣含砂量在較小范圍內增加時，由于所加的標準砂中含有云母礦物，所以，內摩擦角相應越小。

2.2 黏聚力與各因素的關系

利用曲線擬合的最小二乘法，對黏聚力的相關數據進行擬合，可以得到黏聚力c與孔隙比e、含砂量s的函數關系。

2.2.1 黏聚力與孔隙比的關系

黏聚力與孔隙比的關系如圖3所示，具體函數關系式為:

圖3 黏聚力與孔隙比的關系Fig.3 Relationship between cohesion of clay and void ratio

由圖3可知:黏聚力變化曲線是1條隨著孔隙比的增大而逐漸減小的拋物線。其原因主要是:(1)當分子間距離r＞r0(r0=10－10m)且r＜10r0時，分子力表現為引力，當孔隙比增大時，r增大，分子間引力減小，黏聚力減小;(2)黏土顆粒上下平面帶負電荷而邊角處帶正電荷，當孔隙比減小時，土顆粒間接觸緊密，邊對面及角對面的概率增多，因異性電荷而產生靜電引力，從而黏聚力增大;(3)隨著孔隙比的減小，土體越密實，則土顆粒間膠結作用增強［11］，黏聚力增大。所以，隨著孔隙比的增大，黏聚力逐漸減小。

2.2.2 黏聚力與含砂量的關系

黏聚力與含砂量的關如系圖4所示，具體函數關系式為:

圖4 黏聚力與含砂量的關系Fig.4 Relationship between cohesion of clay and sand content

由圖4可知:黏聚力變化曲線是1條隨著含砂量的增大而逐漸減小的拋物線。這是因為砂土是無黏性土，黏聚力為0。所以，隨著含砂量的增加，黏聚力減小。

3 結論

(1)孔隙比對黏土的黏聚力及內摩擦角都有影響，當孔隙比越小時，影響越大。孔隙比對黏聚力的影響要遠大于對內摩擦角的影響。隨著孔隙比的增大，黏聚力和內摩擦角都減小。

(2)含砂量對黏土的黏聚力及內摩擦角都有影響。隨著含砂量的增大，黏聚力和內摩擦角都減小，且黏聚力減小的幅度更大。

在黏土的力學性質和工程性質的研究中，孔隙比和含砂量是2個不可忽略的因素。本文只是就孔隙比和含砂量對長沙岳麓區黏土強度的影響進行了初步探討，還需進一步試驗和研究。

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