砂與黏土混合物強度特性環(huán)剪試驗研究*

呂璽琳 張 濱 章 澎

( ①同濟大學，巖土及地下工程教育部重點實驗室 上海 200092)

( ②同濟大學，地下建筑與工程系 上海 200092)

( ③重慶市基礎工程有限公司 重慶 401121)

0 引 言

砂與黏土混合物在自然界中大量存在，工程建設時常需確定其工程特性。由于黏土和砂土物理力學性質差異較大，不同比例的黏土和砂土組成的混合土力學特性變化復雜，因而有必要對混合土的力學特性開展相應研究。

當前國內外已開展過摻黏粒砂土強度、抗液化性、壓縮性等的研究。Naeini et al. ( 2004) 開展不排水單調和循環(huán)加載三軸試驗，研究了黏粒含量對砂土靜動強度的影響規(guī)律。Monkul et al. ( 2007) 根據重塑高嶺土－砂混合土的固結試驗結果，研究了黏粒含量對混合土壓縮性的影響。Kim et al. ( 2005)通過開展直剪試驗和三軸試驗，研究了黏粒含量對夯實的已分解花崗質土力學性質的影響。Sadrekarimi( 2013) 根據室內試驗和現場實測確立了一種評估砂土不排水剪強度的關系，并據此研究了黏粒含量對砂土液化強度的影響。劉建坤等( 2017) 開展三軸剪切試驗，研究了凍融循環(huán)對含不均勻分布顆粒土的粗粒土應力－應變關系及剪脹特性的影響。衡朝陽等( 2001) 根據不同黏粒含量的重塑土動三軸試驗和X 光衍射試驗結果，研究了含黏粒砂土的抗液化性能。朱建群等( 2007) 對含無塑性黏粒砂土進行了三軸固結不排水試驗，研究了黏粒含量對砂土強度特性的影響。

環(huán)剪儀近年來被廣泛用于測試重塑土樣殘余強度。Sadrekarimi et al. ( 2009) 對環(huán)剪儀進行了改進，降低了應力和應變不均勻性的影響，并且防止了試驗過程中土的擠出。Iverson et al. ( 2010) 基于環(huán)剪試驗結果，研究了土骨料對泥石流的影響。Hoyos et al. ( 2014) 通過控制吸力的環(huán)剪試驗得到了非飽和土的殘余強度。Jeong et al. ( 2014) 根據排水和不排水的環(huán)剪試驗結果，研究了廢石料的剪切性能。王順等( 2012) 通過試驗結果研究了不同環(huán)剪方式下滑帶土的殘余強度。孫濤等( 2009) 采用環(huán)剪儀對超固結黏土抗剪強度特性進行了研究。洪勇等( 2009) 對土工環(huán)剪儀的開發(fā)和應用現狀進行了分析，總結了應變軟化和殘余強度方面的成果。楊有蓮等( 2009) 利用環(huán)剪試驗研究了土與結構接觸面的力學特性。

本文針對不同質量比砂與高嶺土混合物的力學特性進行環(huán)剪試驗研究。采用不同質量比的豐浦砂和高嶺土配制混合土，并在不同軸壓下開展固結排水環(huán)剪試驗，進一步根據試驗結果研究黏土含量對混合土強度的影響規(guī)律。

1 砂與黏土混合物試樣環(huán)剪試驗

1.1 試樣制作

試驗所用土樣通過豐浦砂與高嶺土混合制作。豐浦砂的顆粒累積級配曲線如圖1 所示，其物理特性為: d50= 0.17 mm，ds= 2.622，( ρd)min= 1.349，( ρd)max=1.638。黏土為1600 目煅燒高嶺土，呈粉末狀，d50=0.012 mm，ds=2.615，塑性指數Ip=19。將不同質量比的豐浦砂和高嶺土配制混合土試樣，如圖2 所示。

圖1 砂土級配曲線Fig. 1 The particle size distribution curve of the sand

圖2 試驗土樣配制過程Fig. 2 Preparation of the experimental soil

1.2 試驗過程

試驗基于SRS-150 型環(huán)剪試驗儀( 圖3) 開展。試驗前將不同質量比的砂土和高嶺土攪和均勻，然后將土樣裝進環(huán)剪儀剪切盒，抽真空飽和除去土樣中的空氣。抽真空時間為1 h，之后打開出氣閥，待真空儀的壓力與外部壓力相同后靜置5 h，取出裝有土樣的剪切盒。土樣完全飽和后，將剪切盒安裝在環(huán)剪儀上進行試驗。剪切盒尺寸為: 內徑100 mm，外徑150 mm，最大試驗試樣高度25 mm。最大軸向加載壓力達10 kN，剪切速率范圍為0.001°/min ～360°/min，最大剪切角度為720°。試驗時通過機械傳動系統(tǒng)和伺服馬達驅動上部剪切盒水平轉動，從而使土樣沿上下環(huán)狀剪切盒頂部的預設剪切面進行剪切。

圖3 SRS-150 型環(huán)剪試驗儀Fig. 3 SRS-150 ring shear apparatus

1.3 試驗結果

首先針對純砂土和純高嶺土試樣開展75 kPa、150 kPa、300 kPa 和600 kPa 軸壓條件下的環(huán)剪試驗。在預定軸壓下固結24 h，待試樣內部孔隙水壓和環(huán)剪儀軸向位移基本穩(wěn)定后，在2°/min 速率下對土樣進行剪切。剪切時排水閥門始終打開，保證試樣在剪切過程中處于排水狀態(tài)。所得的剪切力與剪切角關系曲線分別如圖4 和圖5 所示。進一步地，將純高嶺土和純砂土按質量比為15︰1、7︰1、3︰1、1︰1、1︰3、1︰7 和1︰15 制作混合土樣后，在75 kPa、150 kPa、300 kPa、600 kPa 軸壓下進行固結排水環(huán)剪試驗。所得試驗結果如圖6 所示。結果表明在剪切角為15°前土樣達到峰值強度，其后隨著剪切角度增加，將出現兩種情況。第1 種情況是剪切強度降低直至殘余強度后基本保持不變。第2 種情況是在土樣達到一定剪切強度后保持在一個波動很小的穩(wěn)定值。在剪切角達到20°后，剪切強度基本處于一個穩(wěn)定值，此時隨剪切角繼續(xù)增加，剪切強度變化幅度已很小。

通過試驗結果對比分析表明，當黏土與砂土質量比大于1 時，試樣未表現明顯的軟化特性。但當黏土與砂土質量比小于1 及純砂土情況下，土樣均表現出不同程度的軟化現象。通過圖4 ～圖6 試驗的曲線對比可看出，隨著黏土質量占比的減少，土樣逐漸由持續(xù)硬化轉變?yōu)橄扔不筌浕Ｕf明黏土與砂土質量比變化對混合土應變特性有較大影響。此外，隨著黏土與砂土質量比增加，同等軸壓條件下剪切強度呈下降趨勢。總體上，在砂土黏土混合試樣中，黏土與砂土質量比變化將對土樣的應變和強度特性有明顯影響。

圖4 豐浦砂試驗結果Fig. 4 The test results of pure silica sand

圖5 高嶺土試驗結果Fig. 5 The test results of pure kaolin clay

2 砂與黏土質量比對強度的影響

為分析黏土與砂土質量比對混合土樣強度參數的影響，根據環(huán)剪試驗結果，得出黏聚力c 和摩擦角φ 兩個強度參數值。強度參數根據應力－應變關系確定，若土樣表現出軟化特性，將剪應力峰值作為土樣的剪切強度; 若土樣持續(xù)硬化，由于土樣在剪切角大于20°時強度值變化已很小，故以剪切角20°時的剪應力作為抗剪強度。取75 kPa、150 kPa、300 kPa 和600 kPa 軸壓下環(huán)剪試驗得到的抗剪強度，得到強度線如圖7 所示。從圖7 可看出，高嶺土與砂土質量比變化將明顯改變試樣的強度線。

圖6 不同質量比高嶺土與砂土混合試樣試驗結果Fig. 6 Test results of mixed samples of sand and kaolin with different mass ratio

圖7 不同高嶺土與砂土質量比條件下混合土的強度Fig. 7 Strength of soil under different mass ratio of kaolin clay to sand

圖8 高嶺土與砂土質量比對混合土強度參數的影響Fig. 8 Effect of mass ratio of kaolin clay to sand on the strength parameters of mixed soil

通過試驗獲得的峰值強度線，得出不同高嶺土與砂土質量比條件下黏聚力和內摩擦角值變化如圖8 所示。通過圖8a 可看出，當試樣為純砂土時，試樣黏聚力略大于零。其原因是所采用的砂土中含一定細顆粒，導致砂土試樣存在一定黏聚力，這可根據砂土級配曲線( 圖1) 看出。隨著黏土含量增加，黏聚力表現為先增加隨后減小的趨勢，當高嶺土與砂土質量比為1 時，黏聚力將達到最小值。隨著高嶺土含量的進一步增加，黏聚力呈現出先增大再略減小的趨勢。這是由于當混合物土樣中高嶺土與砂土質量比變化時，土樣微觀結構復雜變化，導致黏聚力呈現波動。整體上而言，隨著高嶺土與砂土質量比的增加，混合物土樣的黏聚力有增加的趨勢。圖8b曲線表明，當高嶺土與砂土質量比小于1 時，高嶺土所占質量百分比增大時，土樣摩擦角變化不大，略有減小。這是由于當高嶺土與砂土質量比小于1 時，高嶺土主要存在于粗顆粒砂土顆粒間的孔隙中，因而對混合物土樣摩擦角的影響相對較小。當高嶺土與砂土質量比超過1 時，混合物土樣的摩擦角隨高嶺土與砂土質量比增加明顯減小，純高嶺土的摩擦角達到最小值。當高嶺土與砂土的質量比大于1時，混合物土樣內部結構發(fā)生了變化，細顆粒間的摩擦占全部顆粒間摩擦的比例隨高嶺土含量增大而增加，導致內摩擦角隨高嶺土與砂土質量比增加而降低的趨勢得更明顯。

3 結 論

通過對不同質量比的高嶺土和砂土混合物飽和試樣在75 kPa、150 kPa、300 kPa 和600 kPa 軸壓下進行固結排水環(huán)剪試驗，得到剪應力－剪切角關系曲線。根據混合土的剪切強度，得到黏土與砂土質量比對混合土黏聚力和摩擦角的影響規(guī)律。主要得到以下結論。

(1) 黏土與砂土質量比對試樣強度和應變曲線有較明顯的影響，隨著黏土與砂土質量比的減少，應力－應變關系從持續(xù)硬化轉變到先硬化后軟化的特性，混合土剪切強度隨黏土與砂土質量比增加而減小。

(2) 黏土與砂土質量比對混合土的黏聚力影響并不明顯，在5～18 kPa 范圍波動。當黏土含量和砂土含量大致相當時，黏聚力最小。

( 3) 隨著黏土與砂土質量比增大，內摩擦角持續(xù)減小。相比黏土與砂土質量比大于1 的試樣而言，當質量比在1 以內時，摩擦角減小得小一些。