石家莊市區第一層砂土室內試驗研究

段永樂 秦艷婷 李娜輝

（1.中國兵器工業北方勘察設計研究院有限公司，河北石家莊 050011；2.河北省地下空間工程巖土技術創新中心，河北石家莊 050011；3.石家莊鐵道大學四方學院，河北石家莊 051132）

0 引言

砂土是一種非線性彈塑性材料［1］，非飽和砂土的本構關系復雜，在不同的環境條件、荷載條件以及顆粒組成等條件下，表現出不同的本構特征［2-3］，目前還沒有一個模型能夠適合任何環境下的砂土。

工程中砂土的力學指標一般采用原位測試數據通過經驗公式或地區經驗取得。根據工程經驗，砂土的黏聚力一般取0 kPa，這與實際工程中非飽和砂土的臨時自穩表征不符。基于上述原因，本文從砂土參數的實際應用角度出發，利用室內試驗對砂土的物理力學性質進行研究，分析含水率變化對砂土力學指標的影響，確定砂土的工程特性，為工程設計及施工提供了參數取值依據。

1 研究對象

石家莊市區位于太行山東麓沖洪積扇中上部，太行山南段山麓平原區（冀中平原）西部，屬太行山山前沖洪積平原，宏觀地貌屬山前傾斜平原類型［4］。自第四紀地質時期以來，由于受滹沱河的沖洪積作用，形成了自身的沖洪積扇群，規模較大。

石家莊市區第一層砂土一般埋深3.0～7.0 m，最大埋深約12.0 m；一般層厚4.0～8.0 m，最大層厚約14.0 m。分選性較好，具有明顯的水平層理，純凈的砂土以灰白色為主。該地區工民建以多層及高層為主，基底埋深約地表下1.5～10.0 m，特殊工程基坑深度大于20.0 m，基坑深度范圍內揭露地層多為黏性土、粉土及砂土，其中砂土作為散體材料，不容易采取原狀試樣，且采取原狀試樣室內試驗的成本高、難度大，缺乏相關方面的室內試驗指標。

1.1 砂土類型劃分

在石家莊市區均布選取不同區域的砂土作為研究對象，采取77件第一層砂土試樣進行篩分試驗，對試驗結果統計分析可知：石家莊市區第一層砂土以中砂和細砂為主，占樣本總量約88%，具體統計結果見圖1。通過分析砂土顆粒級配試驗數據，該層砂土多集中處于細砂和中砂的定名界限上，即砂土樣本中“大于0.25 mm顆粒質量占比”和“大于0.075 mm的顆粒質量占比”均比較大，所以石家莊市區第一層砂土可以定義為細中砂。

圖1 石家莊市區第一層砂土采取試樣各類型占比

1.2 砂土的天然密度

沿市區勝利大街及建設大街南北方向，分段選取代表性區域作為研究對象進行試驗分析。外業鉆探選用DPP100型、DPP150型及SH30型鉆機，沖擊鉆進，待揭露第一層砂土后，安裝THD30型取砂器，每隔1～2 m采用重錘少擊法或壓入法取樣。

試樣的天然密度采用環刀法測定，試驗結果為：粉砂的天然密度為1.73～1.83 g/cm3，細砂的天然密度為1.50～1.77 g/cm3，中砂的天然密度為1.50～1.68 g/cm3。砂土的類型、天然密度及埋深的關系見圖2。

圖2 砂土的天然密度與深度的關系

1.3 標準砂的選取

試驗用標準砂取自河北省委建設工程土地，工程位于維明大街與裕華路交口西北角，屬于市區中西部區域。該區域砂土呈灰白色，分選性較好，原狀砂土具有明顯的層理結構，經篩分試驗測定砂土為細中砂。砂土的取樣深度為—7.5 m，天然密度為1.50 g/cm3，天然含水率為4.0%。

1.3.1 相對密實度

砂土的密實狀態對其工程性質影響很大。砂土的密實程度越大則強度越高、壓縮性越小，其工程特性越好；反之，砂土密實程度越松散則強度越低、壓縮性越大，其工程特性越差。砂土的顆粒大小、形狀及級配受區域沉積環境及自然條件的影響，相同密實度及孔隙比的砂土未必處于同一狀態，所以工程上常用相對密實度Dr來衡量砂土的松緊狀態。

式中：ρdmax——砂土的最大干密度，g/cm3；

ρdmin——砂土的最小干密度，g/cm3；

ρd——砂土的天然干密度，g/cm3。

砂土的最小干密度試驗采用漏斗法和量筒法，進行兩次平行測定，取兩次測值的平均值：ρdmin=1.38 g/cm3；砂土的最大干密度試驗采用振動錘擊法，進行兩次平行測定，取兩次測值的平均值：ρdmax=1.74 g/cm3。標準砂的天然干密度為ρd=1.44 g/cm3。

標準砂的相對密實度為Dr=0.20，介于0～1/3之間，砂土層處于疏松狀態。

取該場地標準砂深度附近6.0～9.0 m范圍內42個標準貫入試驗數據進行對比分析，實測錘擊數N=7～19擊，修正后錘擊數N′=6.3～16.2擊，實測錘擊數平均值=13.2擊。根據《巖土工程勘察規范》（GB 50021—2001）（2009年版），試驗樣本中79%處于松散—稍密狀態，21%處于中密狀態。

上述兩種判別砂土密實程度的方法得到的結論相似，說明標準砂原狀試樣擾動程度較小，能夠較好的反應砂土的原位特性。

1.3.2 顆粒分析試驗

砂土的顆粒粒徑構成主要通過顆粒分析試驗獲得，顆粒分析試驗采用篩分法測定，分析篩的孔徑分別為2.0 mm、0.5 mm、0.25 mm、0.075 mm，篩后各級篩上和篩底試樣質量的總和與篩前試樣總質量的差值不大于試樣總質量的1%。篩分結果見表1。

表1 標準砂各粒徑留篩質量

繪制標準砂的顆粒分析試驗曲線（見圖3），可以查得砂土粒組的土粒含量：d10=0.035 mm，d30=0.18 mm，d60=0.31 mm，d50=0.28 mm（平均粒徑）。

圖3 標準砂的粒徑分布曲線

砂土的級配好壞可由砂土中的顆粒均勻程度及粒徑分布曲線形狀來反應，采用不均勻系數Cu及曲率系數Cc作為衡量標準。試驗結果表明，標準砂的Cu=8.86大于5；Cc=2.98，介于1～3之間，所以該樣本顆粒粒徑組成連續，級配良好。

2 砂土的力學參數

考慮到砂土的礦物成分、形狀、級配、含水率、密度、結構及應力歷史均會影響其抗剪強度指標，本次采用同一沉積環境、礦物組分及沉積年代的砂土作為研究對象，在相同的試驗條件下制備重塑砂土，其結構及應力歷史均相同，假定含水率的變化是影響砂土抗剪強度指標的唯一因素。

2.1 自然休止角

自然休止角為砂土在松散狀態堆積時，其坡面與水平面所形成的最大傾角，是砂土的重要指標之一。自然休止角試驗可以測定砂土在風干狀態下和水下狀態的休止角。

依據《土工試驗規程》（SL 237—1999）無黏性土休止角試驗要求，采用直徑100 mm托盤測定的自然休止角試驗結果詳見表2。

表2 自然休止角試驗結果

2.2 抗剪強度指標

2.2.1 砂土的直剪試驗

直剪試驗采用南京土壤儀器廠生產的四聯直剪儀，垂直壓力分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，剪切速率為0.8 mm/min。

根據試驗含水率要求制備砂土試樣，砂樣實際含水率分別為2.33%、5.36%、6.30%、10.78%及14.65%。直剪試驗中控制試樣干密度為天然干密度（即1.44 g/cm3），根據不同的含水率稱取相應質量的砂樣，實際所需的試樣質量與含水率關系詳見表3。

表3 不同含水率條件下所需的試樣質量

將稱取的砂樣倒入剪切容器內，撫平表面，敲擊震動剪切容器，使試樣顆粒之間相互填充，直至剪切容器內的砂樣高度不再變化為止。依次完成儀器安裝，調整好儀表后開始試驗，記錄測力計和位移讀數，剪切位移達到6 mm時停機，試驗結束。

以抗剪強度為縱坐標，垂直壓力為橫坐標，根據數值偏差對試驗結果進行取舍，繪制抗剪強度與垂直壓力關系曲線，直線的傾角為內摩擦角，直線在縱坐標上的截距為黏聚力。重塑砂土在剪切過程中隨著剪切位移的增加剪應力不斷增大，無峰值，取剪切位移達4 mm時所對應的剪應力作為抗剪強度，分析結果詳見表4。將試驗所得到的抗剪強度指標進行統計，取對應含水率條件下的指標平均值作為標準砂的抗剪強度指標。

2.2.2 砂土的黏聚力

砂土處于飽和或干燥狀態時，黏聚力為0 kPa；非飽和砂土一般具有一定的自立能力，因此黏聚力大于0 kPa。非飽和砂土的黏聚力主要是由基質吸力引起的，因此也稱為假黏聚力。基質吸力通常與水的表面張力引起的毛細現象緊密相關，毛細壓力使砂土結構內的壓應力增加，提高了非飽和砂土的抗剪強度，在抗剪強度構成上主要表現為假黏聚力的存在。

非飽和砂土的假黏聚力受含水率及黏粒含量等因素的影響，在一定含水率范圍內，砂土的假黏聚力呈現出逐漸增加的趨勢，參見砂土的直剪試驗結果（見表4）。

表4 不同含水率條件下標準砂抗剪強度指標

2.2.3 砂土的內摩擦角

內摩擦角是巖土工程設計中的重要參數，反應了顆粒之間摩擦特性和顆粒的抗剪切強度。顆粒之間的摩擦特性主要表現為滑動摩擦；抗剪切強度主要表現為顆粒間的嵌入和聯鎖作用產生的咬合力。

砂土的抗剪強度受顆粒物理屬性及砂土狀態影響，其中，砂土的物理屬性包括礦物成分、粒徑、級配及顆粒形狀；砂土狀態包括土體結構、密實程度、有效應力狀態等［5］。

標準砂試樣的物理狀態、應力歷史及顆粒組成相同，可以認為標準砂處于不同含水率條件下的內摩擦角相同，因此取不同含水率條件下所測得的內摩擦角平均值=28.6°）作為標準砂的內摩擦角。可以認為，當砂土干密度為ρd=1.44 g/cm3，相對密實度為Dr=0.20，砂土處于疏松狀態時的內摩擦角為φ=28.6°。

3 結論

本文通過室內試驗研究，得出以下結論：

1）石家莊市區第一層砂土為細中砂，顆粒粒徑組成連續，級配良好。

2）標準砂的天然干密度為ρd=1.44 g/cm3；最小干密度為ρdmin=1.38 g/cm3；最大干密度為ρdmax=1.74 g/cm3。標準砂的相對密實度為Dr=0.20，處于疏松狀態。

3）砂土處于飽和或干燥狀態時，黏聚力為0 kPa；非飽和砂土在基質吸力的作用下產生了一定的假黏聚力，這種假黏聚力主要受含水率及黏粒含量等因素的影響，在一定含水率范圍內，砂土的假黏聚力呈現出逐漸增加的趨勢。

4）砂土的含水率變化不會對其內摩擦角產生影響，可以取不同含水率條件下的內摩擦角平均值=28.6°作為標準砂的內摩擦角建議值。

收稿日期：2018-08-19