宿州地區(qū)含水率對粉質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度的影響研究

邵 政，張海濤，王建偉，李 凱，李波濤

（宿州學(xué)院 資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000）

1.引言

施工巖土體的自身性質(zhì)在很大方面上決定著各項(xiàng)施工工程的成敗與否，因此在工程開始之前，必須對即將開工的土地地基進(jìn)行嚴(yán)格的檢測，防止由于外因而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形與差異問題，水平位移，地基沉降以及其他很多類型的巖土應(yīng)力作用[1-3]；劉昭希[4]采用室內(nèi)土工試驗(yàn)與理論分析方法，擬合出抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨含水率變化曲線表達(dá)式，得出荊江河岸黏土黏聚力在臨界含水率存在峰值；穆銳[5]、張培培[6]等分別對紅黏土進(jìn)行不均勻含水率、不同含水率條件下抗剪強(qiáng)度指標(biāo)試驗(yàn)研究，并提出含水率20%是紅黏土抗剪強(qiáng)度減小快慢的分界點(diǎn)；陳磊等[7]通過常規(guī)三軸試驗(yàn)分析強(qiáng)度參數(shù)黏聚力和內(nèi)摩擦角與含水率之間的關(guān)系，得到了非飽和黏土的抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式。本文以宿州市為例，針對地表第四系粉質(zhì)黏土在不同含水率下的抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律進(jìn)行研究，為找出該區(qū)地基承載力的特征值提供理論基礎(chǔ)。

2.研究區(qū)域簡介

工程區(qū)地層主要為太古界至第四系，其中主要缺失為下石炭統(tǒng)，上可追溯到上奧陶統(tǒng)。其中山體表層主要為“震旦系”覆蓋，同時(shí)又被第四系沖擊層所覆蓋，層序自上而下為“震旦系”青白口系、奧陶系中統(tǒng)馬家溝群灰?guī)r，石炭系中、上統(tǒng)、二迭系下通石盒子組、第四系。由于宿州地理位置較復(fù)雜，因此相對應(yīng)該區(qū)內(nèi)的地形構(gòu)造也是比較復(fù)雜的，形成目前的構(gòu)造格局是經(jīng)過多期、多向、多種構(gòu)造體系復(fù)合的產(chǎn)物。多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對于本區(qū)都有影響，其中以將本市一分二的東西向符離集斷裂為例。市區(qū)分界線北面，依次為皇藏峪復(fù)式背斜、支河向斜、青銅山—黑鋒向斜、林廠背斜等主要地形構(gòu)成。

3.取土與試驗(yàn)

研究樣品取自宿州市西北部汴河沿岸，通過土工試驗(yàn)，按不同的土類分別展開物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出含水率、濕密度、干密度、孔隙比平均值（如表1所示）。

根據(jù)巖土的物理性質(zhì)、靜力學(xué)性質(zhì)的不同，我們將室內(nèi)土工試驗(yàn)分為常規(guī)試驗(yàn)和專門試驗(yàn)。試驗(yàn)針對各項(xiàng)指標(biāo)得出的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的嚴(yán)謹(jǐn)程度將直接關(guān)系到整體工作的進(jìn)展以及可行性問題。但由于外界因素的干擾，例如設(shè)備的顛簸等，對于試驗(yàn)也帶來了一定的難度。所以，針對于如何解決室內(nèi)土工試驗(yàn)室可能出現(xiàn)的問題變得十分重要。常規(guī)試驗(yàn)包括物理性質(zhì)指標(biāo)試驗(yàn)（如顆粒分析試驗(yàn)、液限和塑限試驗(yàn)、含水量試驗(yàn)等）和靜力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)試驗(yàn)（如壓縮實(shí)驗(yàn)、抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)等）[8-10]。

表1 研究區(qū)各土層物理力學(xué)性指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

4.分析與討論

4.1 含水率

含水率是土濕度的重要物理性質(zhì)指標(biāo)， 也是工程土施工質(zhì)量控制依據(jù)之一。室內(nèi)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法是烘干法。先稱小塊原狀土樣的濕土質(zhì)量，然后置于烘箱內(nèi)維持105-110℃，烘干到恒量，再稱干土質(zhì)量。濕、干質(zhì)量之差就是土中所含水的質(zhì)量，水的質(zhì)量與干質(zhì)量的比值就是水的含水率。

根據(jù)對巖土試樣的測定得出：含水量在第3層最高，平均值為32.6%，其余3層含水量介于21.0%-26.9%之間，1層土中重粉質(zhì)壤土含水量，介于21.9%-26.7%之間，平均為24.3%；2層土中砂壤土含水量最低，介于21.0%-26.5%之間，平均為23.5%。

根據(jù)圖1可看出，該地區(qū)土壤中，顆粒狀約細(xì)的位置，含水量也越大；而試樣土位置越深，含水量則越少。含水率偏大，可能會(huì)形成橡皮土(又稱彈簧土)，針對于這種情況，可以采取翻松、晾干、風(fēng)干、換土回填、摻入干土或石灰等其它吸水性材料等措施。

圖1 含水率變化折線圖

土的最大孔隙比可用“松散器法”測定，最小孔隙比用“振擊法”測定本次測驗(yàn)土樣中，孔隙比最高的為第3層，平均為0.925。第4層重粉質(zhì)壤土次之，介于0.538-0.923之間，平均為0.712。1層重粉質(zhì)壤土，介于0.617-0.812之間，平均為0.703。2層砂壤土孔隙比最低，介于0.603-0.679之間，平均為0.634。

4.2 抗剪強(qiáng)度

因?yàn)樗鶞y驗(yàn)樣地的獨(dú)特位置，因此該樣本屬于含氣泡沉積物以及工程中高含水率的壓實(shí)土，對于這種樣本，該試驗(yàn)都在不固結(jié)不排水的狀態(tài)下開始。

根據(jù)圖2可知，1層重粉質(zhì)壤土粘聚力平均值為29.8kPa，內(nèi)摩擦角平均值11.7度；2層砂壤土凝聚力平均值為8.7kPa，內(nèi)摩擦角平均值為24.9kPa；3層重粉質(zhì)壤土凝聚力平均值為36.2kPa，內(nèi)摩擦角平均值13.1度；4層重粉質(zhì)壤土凝聚力平均值為40.2kPa，內(nèi)摩擦角平均值15.3度。

圖2 內(nèi)摩擦角、凝聚力變化折線圖

在本次試驗(yàn)中，所取上層土樣品中，我們可以看到，由于上層土中顆粒較細(xì)所以該樣本中的含水量較小，而凝聚力較大。其次巖土體的抗剪強(qiáng)度則由互動(dòng)面上土的凝聚力與土的內(nèi)摩阻力兩部分組成。而形成巖土體抗剪強(qiáng)度的這兩部分?jǐn)?shù)值越大，土的抗剪強(qiáng)度也越高。因此，我們可以得出了上層和下層的土樣的抗剪強(qiáng)度高，中部的土樣抗剪強(qiáng)度較低。

4.3 粉質(zhì)黏土性質(zhì)分析

根據(jù)以上多個(gè)土工實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)區(qū)的地質(zhì)資料分析，該工程區(qū)土壤一共有四層，分別有重粉質(zhì)壤土和砂壤土兩種土，以下是各層土工程性質(zhì)分析：

1層重粉質(zhì)壤土，屬中硬土，在該工程區(qū)內(nèi)全區(qū)分布，厚度適中，呈硬塑狀態(tài)，土質(zhì)均勻性一般，工程性質(zhì)較好。該區(qū)域內(nèi)含水率較低，平均值為24.3%；干密度和濕密度較大，平均值為1.60和1.99g/cm3；孔隙比較小，平均值為0.703；內(nèi)摩擦角最小，平均值為11.7度；凝聚力較大，平均值為29.8kPa。

2層砂壤土，屬中硬土，在該工程區(qū)內(nèi)全區(qū)分布，厚度適中，埋深較深，土質(zhì)均勻，承載力一般，工程性質(zhì)較好。該區(qū)域內(nèi)含水率最低，平均值為23.5%；干密度和濕密度最大，平均值為1.65和2.04g/cm3；孔隙比最小，平均值為0.634；內(nèi)摩擦角最大，平均值為24.9度；凝聚力最小，平均值為8.7kPa。

3層重粉質(zhì)壤土，屬中硬土，在該工程區(qū)內(nèi)全區(qū)分布，厚度較薄，呈硬塑狀態(tài)，局部夾粉土夾層，承載力一般，工程性質(zhì)一般。該區(qū)域內(nèi)含水率最高，平均值為32.6%；干密度和濕密度最小，平均值為1.42和1.89g/cm3；孔隙比最大，平均值為0.925；內(nèi)摩擦角較小，平均值為13.1度；凝聚力較大，平均值為36.2kPa。

4層重粉質(zhì)壤土，屬堅(jiān)硬土，在該工程區(qū)內(nèi)全區(qū)分布，厚度大，壓縮性低，承載力較高，工程性質(zhì)較好。該區(qū)域內(nèi)含水率較大，平均值為25.7%；內(nèi)摩擦角較小，平均值為15.3度；凝聚力最大，平均值為40.2kPa。

5.結(jié)語

在系統(tǒng)的測試宿州市西北部巖土體土樣的基礎(chǔ)上，進(jìn)行多種數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，并取得了如下結(jié)果：

實(shí)驗(yàn)區(qū)土中砂壤土含水率為21.0%-26.5%之間，重粉質(zhì)壤土含水率為21.9%-26.7%之間；一般砂土孔隙比在0.603-0.679之間，粉土孔隙比在0.538-0.927之間。被測驗(yàn)區(qū)域的巖土體中孔隙比較小，巖土體之間的緊密度較大，發(fā)生壓縮的可能性也較小。

工程區(qū)巖土體凝聚力在基本在22.4kPa-46.7kPa之間，內(nèi)摩擦角在10.6°-26.5°之間，抗剪強(qiáng)度較大，為低壓縮性細(xì)粒土，巖土體整體較穩(wěn)定。

通過物理力學(xué)性質(zhì)和靜力學(xué)性質(zhì)可以看出，實(shí)驗(yàn)區(qū)巖土體屬于高密度，高壓縮性土，孔隙比較小，抗剪強(qiáng)度大，工程性質(zhì)較好，是良好的天然地基。