宿州地區含水率對粉質黏土抗剪強度的影響研究

邵 政，張海濤，王建偉，李 凱，李波濤

（宿州學院 資源與土木工程學院，安徽 宿州 234000）

1.引言

施工巖土體的自身性質在很大方面上決定著各項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行嚴格的檢測，防止由于外因而產生的結構變形與差異問題，水平位移，地基沉降以及其他很多類型的巖土應力作用[1-3]；劉昭希[4]采用室內土工試驗與理論分析方法，擬合出抗剪強度參數隨含水率變化曲線表達式，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]等分別對紅黏土進行不均勻含水率、不同含水率條件下抗剪強度指標試驗研究，并提出含水率20%是紅黏土抗剪強度減小快慢的分界點；陳磊等[7]通過常規三軸試驗分析強度參數黏聚力和內摩擦角與含水率之間的關系，得到了非飽和黏土的抗剪強度計算公式。本文以宿州市為例，針對地表第四系粉質黏土在不同含水率下的抗剪強度變化規律進行研究，為找出該區地基承載力的特征值提供理論基礎。

2.研究區域簡介

工程區地層主要為太古界至第四系，其中主要缺失為下石炭統，上可追溯到上奧陶統。其中山體表層主要為“震旦系”覆蓋，同時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、奧陶系中統馬家溝群灰巖，石炭系中、上統、二迭系下通石盒子組、第四系。由于宿州地理位置較復雜，因此相對應該區內的地形構造也是比較復雜的，形成目前的構造格局是經過多期、多向、多種構造體系復合的產物。多次構造運動對于本區都有影響，其中以將本市一分二的東西向符離集斷裂為例。市區分界線北面，依次為皇藏峪復式背斜、支河向斜、青銅山—黑鋒向斜、林廠背斜等主要地形構成。

3.取土與試驗

研究樣品取自宿州市西北部汴河沿岸，通過土工試驗，按不同的土類分別展開物理力學性質指標的統計，經實驗得出含水率、濕密度、干密度、孔隙比平均值（如表1所示）。

根據巖土的物理性質、靜力學性質的不同，我們將室內土工試驗分為常規試驗和專門試驗。試驗針對各項指標得出的數據，數據的嚴謹程度將直接關系到整體工作的進展以及可行性問題。但由于外界因素的干擾，例如設備的顛簸等，對于試驗也帶來了一定的難度。所以，針對于如何解決室內土工試驗室可能出現的問題變得十分重要。常規試驗包括物理性質指標試驗（如顆粒分析試驗、液限和塑限試驗、含水量試驗等）和靜力學性質指標試驗（如壓縮實驗、抗剪強度試驗等）[8-10]。

表1 研究區各土層物理力學性指標統計表

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指標， 也是工程土施工質量控制依據之一。室內試驗標準方法是烘干法。先稱小塊原狀土樣的濕土質量，然后置于烘箱內維持105-110℃，烘干到恒量，再稱干土質量。濕、干質量之差就是土中所含水的質量，水的質量與干質量的比值就是水的含水率。

根據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%。

根據圖1可看出，該地區土壤中，顆粒狀約細的位置，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”測定本次測驗土樣中，孔隙比最高的為第3層，平均為0.925。第4層重粉質壤土次之，介于0.538-0.923之間，平均為0.712。1層重粉質壤土，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 抗剪強度

因為所測驗樣地的獨特位置，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土，對于這種樣本，該試驗都在不固結不排水的狀態下開始。

根據圖2可知，1層重粉質壤土粘聚力平均值為29.8kPa，內摩擦角平均值11.7度；2層砂壤土凝聚力平均值為8.7kPa，內摩擦角平均值為24.9kPa；3層重粉質壤土凝聚力平均值為36.2kPa，內摩擦角平均值13.1度；4層重粉質壤土凝聚力平均值為40.2kPa，內摩擦角平均值15.3度。

圖2 內摩擦角、凝聚力變化折線圖

在本次試驗中，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度則由互動面上土的凝聚力與土的內摩阻力兩部分組成。而形成巖土體抗剪強度的這兩部分數值越大，土的抗剪強度也越高。因此，我們可以得出了上層和下層的土樣的抗剪強度高，中部的土樣抗剪強度較低。

4.3 粉質黏土性質分析

根據以上多個土工實驗和實驗區的地質資料分析，該工程區土壤一共有四層，分別有重粉質壤土和砂壤土兩種土，以下是各層土工程性質分析：

1層重粉質壤土，屬中硬土，在該工程區內全區分布，厚度適中，呈硬塑狀態，土質均勻性一般，工程性質較好。該區域內含水率較低，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，在該工程區內全區分布，厚度適中，埋深較深，土質均勻，承載力一般，工程性質較好。該區域內含水率最低，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層重粉質壤土，屬中硬土，在該工程區內全區分布，厚度較薄，呈硬塑狀態，局部夾粉土夾層，承載力一般，工程性質一般。該區域內含水率最高，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層重粉質壤土，屬堅硬土，在該工程區內全區分布，厚度大，壓縮性低，承載力較高，工程性質較好。該區域內含水率較大，平均值為25.7%；內摩擦角較小，平均值為15.3度；凝聚力最大，平均值為40.2kPa。

5.結語

在系統的測試宿州市西北部巖土體土樣的基礎上，進行多種數理統計分析，并取得了如下結果：

實驗區土中砂壤土含水率為21.0%-26.5%之間，重粉質壤土含水率為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。被測驗區域的巖土體中孔隙比較小，巖土體之間的緊密度較大，發生壓縮的可能性也較小。

工程區巖土體凝聚力在基本在22.4kPa-46.7kPa之間，內摩擦角在10.6°-26.5°之間，抗剪強度較大，為低壓縮性細粒土，巖土體整體較穩定。

通過物理力學性質和靜力學性質可以看出，實驗區巖土體屬于高密度，高壓縮性土，孔隙比較小，抗剪強度大，工程性質較好，是良好的天然地基。