淺談不同含水率對黏土強度指標的影響

王 超

(包頭市公路規劃勘測設計有限公司，內蒙古 包頭 014040)

1 研究的目的和意義

土的強度指標是工程建設的重要依據之一，如果掌握了不同環境因素下土的物理指標性質，將會對工程建設產生重大意義，對工程建設的安全性及經濟性產生深遠的影響。

2 研究的主要內容

筆者通過采集包頭市境內達茂地區的黏土，用于制備不同含水率條件下的黏土試樣，采用三軸試驗儀器進行試驗，得出不同含水率條件下的黏土各種強度指標的變化規律。

3 黏土的基本特性分析

3.1 試樣土的選取

以包頭市境內達茂地區的黏土為研究對象。

3.2 常規土工試驗

3.2.1 含水率試驗。根據《公路土工試驗規程》(JTG 3430—2020)中的要求，采用烘干法進行土的含水率試驗，首先進行現場取樣并裝盒保存，放入實驗室烘箱，在恒溫105℃～110℃下進行不少于8h的烘干。天然含水率的計算公式如下：

(1)

式中：ω——含水率(%)，計算至0.1；

m——濕土質量(g)；

ms——干土質量(g)。

由表1可知，黏土天然含水率為17.5%。

表1 天然含水率試驗記錄

3.2.2 界限含水率試驗。根據《公路土工試驗規程》(JTG 3430—2020)中土的界限含水率試驗方法，制備三種不同含水率的土樣，進行液塑限試驗，得出含水率與錐入深度的關系曲線如下。

表2 液限塑限聯合試驗記錄

圖1 含水率與錐入深度關系

根據計算及圖表的關系曲線可得出：液限wl=39.6%，塑限wp=26.2%，塑性指數Ip=13.4%。

3.2.3 顆粒分析試驗。根據《公路土工試驗規程》(JTG 3430—2020)中采用篩分法進行土的顆粒分析試驗，取2kg代表性土樣進行篩分實驗，實驗數據如下。

表3 顆粒分析結果

由圖2得出，黏土的不均勻系數Cu為8.71，曲率系數Cc為1.78。

圖2 顆粒級配曲線

3.2.4 密度試驗。 依據《公路土工試驗規程》(JTG 3430—2020)中采用環刀法進行土的密度試驗，測定黏土的濕密度及干密度，計算公式如下：

(2)

(3)

式中：ρ——濕密度(g/cm3)，計算至0.001；

m1——環刀與土合質量(g)；

m2——環刀質量(g)；

V——環刀體積(cm3)；

ρd——干密度(g/cm3)，計算至0.001；

ω——含水率(%)。

由表4可知，黏土的干密度ρd為1.432g/cm3。

表4 環刀試驗記錄

3.2.5 擊實試驗。 根據《公路土工試驗規程》(JTG 3430—2020)中采用輕型擊實法進行土的擊實試驗，試樣所需加水量計算公式如下：

(4)

式中：mw——所需的加水量(g)；

mi——含水率ωi時的土樣質量(g)；

ωh——土樣原有含水率(%)；

ω——要求達到的含水率(%)。

表5 擊實試驗記錄

由圖3可知土的最佳含水量和最大干密度分別為15.3%和1.415g/cm3。

圖3 含水量與干密度關系曲線

4 黏土的三軸試驗設計

4.1 試驗方法

本次實驗設計為得出土的總抗剪強度指標，采用不固結不排水(UU)試驗，在試驗過程中施加圍壓和軸壓直至破壞，整個過程均不允許試樣排水。

4.2 試樣選取與試件制備

原土選取包頭市達茂旗境內的黏土，選取風干土樣10kg，充分碾碎并過2mm的篩，將實驗所需的土樣加入經計算所得的加水量，拌合充分后制備試件。實驗所選取的土樣最佳含水量為15.3%，在最佳含水率兩側選取不同的含水率進行實驗分析，本次試驗選用了13%、15.3%、18%和20%四種不同含水率的土進行制備試件。每組4個試件，試件尺寸為Φ39.1×80(mm) 。在擊實器內分層擊實，分4層擊實，各組土層數量相等，并在各層面上用切土刀刨毛以利于兩層面之間結合。

5 結果與分析

5.1 黏土的三軸試驗結果

表6 三軸試驗

5.2 分析數據、繪制三軸試驗的摩爾圓及強度包線并得到抗剪強度參數

圖4 13%含水率三軸實驗抗剪強度包絡線

圖5 15.3%含水率三軸實驗抗剪強度包絡線

圖6 18%含水率三軸實驗抗剪強度包絡線

圖7 20%含水率三軸實驗抗剪強度包絡線

5.2.1 含水率與黏聚力的關系的分析(見圖8)。當含水率逐漸增大到最佳含水率時，土粒間水膜受到相鄰土粒之間的電分子引力以及土中化合物的膠結作用逐漸增大，使得黏聚力逐漸增大；當含水率超過最佳含水率時，隨著水膜的增厚使土粒之間的電分子引力以及膠結作用的逐漸減小使得黏聚力逐漸減小。

圖8 含水率與黏聚力的關系

5.2.2 含水率與內摩擦角的關系的分析(見圖9)。隨著含水率的逐漸增大時，水分在較粗顆粒之間起著潤滑作用，使土粒之間摩擦力及咬合力降低，即使得內摩擦角逐漸減小。

圖9 含水率與內摩擦角的關系

6 結論及展望

6.1 結論

①隨著含水率逐漸增大時(10%～20%)，黏聚力先增大后減小。②隨著含水率逐漸增大時(10%～20%)，內摩擦角逐漸減小。③隨著含水率逐漸增大時(10%～20%)，黏土的抗剪強度先增大后減小。

6.2 展望

筆者通過試驗對包頭市達茂旗境內黏土進行分析得出一些結論，取得了部分成果，對日后的工程施工具有一定的幫助與指導作用，但由于水平有限，論文中必然有許多不足之處，總結如下：①土的抗剪強度實驗成果一般有兩種表示方法，由于時間和試驗設備有限的關系，筆者只用了較簡單的總應力法進行研究，希望在以后的研究中能考慮用有效應力法進行研究。②筆者在試驗選擇的部分因素范圍略小，雖然也能顯示出一些趨勢，但希望在以后的研究中能夠加大范圍，獲得更加全面的分析。