物理參數對剪切強度指標影響試驗探究

董大坤 李亞濤

(河南理工大學能源科學與工程學院，河南 焦作 454000)

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物理參數對剪切強度指標影響試驗探究

董大坤 李亞濤

(河南理工大學能源科學與工程學院，河南 焦作 454000)

以粘土的含水率、孔隙比為主要調控參數，根據庫侖定律，并通過土工試驗，對抗剪切強度指標內聚力c和內摩擦角φ的影響因素進行了數據處理擬合分析，得出了一些有應用價值的結論。

含水率，孔隙比，土工試驗，抗剪切強度

抗剪切強度作為重要力學參數，是工程穩定性計算當中必不可少的[1]。粘性土的抗剪切強度指標按照摩爾庫侖定律提供的模型由土的內聚力c與內摩擦角φ兩個部分組成。不論是內聚力還是內摩擦角，都會受到含水率、土體間結合建構、顆粒形狀以及與土體的級配和礦物組成成分等物理參數因素的影響[2-5]。

1 試樣制備

(1)

(2)

mW0=ms+msW0

(3)

(4)

由上式可以求出所配制的所用水的量及所需土的量：

(5)

(6)

其中，e為設計的孔隙比；W為設計的含水率；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為所需要的土的干量；W0為風干土的含水率；mW0為所需要的風干土；mW為所需要的水的質量。

根據式(5)，式(6)可以得到在配制不同含水率下所對應的風干試驗土樣的用量和水的用量，如表1所示。

2)為了探究分析孔隙比e對c值，φ值的變化規律及影響，設計研究中把孔隙比e作為變量，在研究過程中，試樣含水率都設定為16%，孔隙比以0.1為梯度依次遞增，設計孔隙比為0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，同樣依據式(5)，式(6)，計算出不同孔隙比試驗必要的風干試樣用土的用量和水的用量，如表2所示。

2 基本原理

直剪切法是求取粘土抗剪強度的常用方法[5]。試驗以庫侖定律為根據，粘土的剪切面上施加垂直方向的壓力與內摩擦力呈正相關關系。將神東礦區取得的粘土制備若土樣，施加各不相同的法向壓力且剪切面固定，沿著剪切面加載水平剪力，待試樣破壞時，施加的對應剪應力即為所求的試樣抗剪強度τf，進而求取c和φ對應的數值。

表1 含水率對c值，φ值影響配比樣表

表2 孔隙比對c值，φ值影響配比樣表

3 試驗結果及分析

3.1 含水率與內聚力c和內摩擦角φ的關系

含水率在粘土抗剪強度指標的影響中，起著特別重要的影響作用，含水率的大小影響到土粒之間蘊含的結合水所占比例，同時結合水對粘土內聚力c有很大的影響，所以土的含水率對粘土抗剪強度指標起著至關重要的作用。由神東礦區松散層粘土抗剪切強度試驗得出的不同含水率粘土試樣對應的c值，φ值見表3。

表3 不同含水率對應的c值，φ值

考慮環境因素對試驗的影響，試驗中粘土試樣的實際情況與提前設計的參數不能完全吻合，但同一組試樣兩兩之間的含水率誤差在0.5%內，總體組別間差距1%左右，基本對試驗結果影響不大。在含水率達到29.4%時，由于土質非常松軟，導致壓制試樣過程中，砂土部分溢出，本實驗能夠測得含水率最大值為29.4%。

根據表3可畫W—φ曲線、W—c曲線，如圖1，圖2所示。

由數據整理并擬合得出φ與W之間的關系式為：

內聚力c與含水率W的關系式可為：

從圖1，圖2分析可知，對于粘土來說，含水率W與其φ和c都有很大關系，且隨著含水率增大，φ和c越來越小。

3.2 孔隙比對內聚力c和內摩擦角φ的影響

土是由三相成分組成，固相是礦物顆粒，液相是水或其他溶液，氣相是空氣。其中固相的礦物顆粒在粘土中起支撐結構作用，支撐結構間存在著許多液相或氣相的物質。衡量粘土空隙的重要指標是孔隙比，其值越大則含水或空氣就越多。此外該指標也是粘土土體密實程度的重要衡量依據，其值越小，土體就相對越密實，反之越松散。

在抗剪切試驗中孔隙比不同的試樣對應c值、φ值如表4所示。

表4 不同孔隙比對應的c值，φ值

根據表4可畫e—φ曲線，e—c曲線，如圖3，圖4所示。

根據擬合關系，內摩擦角φ和孔隙比e滿足以下關系式：

內聚力c與孔隙比e的關系式可為：

從圖3，圖4可以看出對于粘土來說，孔隙比對其內聚力有很大影響，可以看出隨著孔隙比的增大內聚力越來越小且幅度較大，而內摩擦角也隨著孔隙比的增大而減小，但是幅度不大。

4 結語

本文對神東礦區松散層粘土在不同孔隙比、含水率下進行了相關抗剪切強度試驗，并分別分析了含水率W與抗剪切強度指標內聚力c，內摩擦角φ的關系及孔隙比e與抗剪切的強度指標內聚力c，內摩擦角φ的關系，并對產生原因進行了簡要分析，得出了以下結論：

[1] 東南大學，浙江大學，湖南大學，等.土力學[M].北京：中國建筑工業出版社,2007.

[2] 顧成權,孫 艷.土體內聚力隨含水量、粘粒含量及干密度變化關系探討[J].水文地質工程地質,2005,32(1):34-36.

[3] 范智杰,屈建軍,周 煥.沙土內摩擦角與粒徑、含水率及天然坡角的關系[J].中國沙漠，2015(2):301-305.

[4] 李晨晨，徐世光，董 懋，等.昆明南市區淺層軟土內聚力與各物理指標之間的相關關系分析[J].價值工程,2016(3):95-97.

[5] 葉佰花.直接剪切試驗方法及應用分析[J].土工基礎,2012,26(3):109-111.

Experimental study on the physical parameters to shear strength indexes

Dong Dakun Li Yatao

(SchoolofEnergyScienceandEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China)

Taking the moisture content of the clay and porosity as the major parameter, the paper undertakes the data processing fitting analysis for the influence of the civil tests on the cohesioncand inner friction angleφof the shearing strength indexes, according to the law of coulomb and achieves some valuable conclusion.

porosity, moisture ratio, civil test, shearing strength

1009-6825(2016)26-0077-02

2016-07-07

董大坤(1988- )，男，在讀碩士

TU432

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