細粒含量對砂土三軸不排水強度的影響

陳筱竹，鄭曉潔，譚 彩，萬 里，

(1.四川大學水利水電學院，四川成都 610065； 2.國網重慶市電力公司經濟技術研究院規劃評審中心, 重慶 400020；3.廣東省水利水電科學研究院，廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣東廣州 510610)

含細粒砂是砂和細粒的混合料，在沖積層、水力沖填、海岸線附近自然沉積土層以及湖海相沉積中均廣泛存在[1]。含細粒砂由于細粒的存在，其性質在砂與細粒土之間，其物理力學性質與純砂有一定不同，故有必要對含細粒砂土的物理力學性質進行研究。

近年來，普遍認為細粒含量使工程特性發生變化的重要原因之一為細粒摻入后引起的孔隙比等的改變[2]。Georgiannou等[3]對含高嶺土的飽和砂樣進行了三軸壓縮試驗，結果表明含黏粒砂與純砂相比具有更不穩定的性狀。Thevanayagam和Martin[4]認為當粉粒含量超過30 %時，粉粒對土體性質的影響才表現出來。朱建群等[5]通過固結不排水試驗分析了細粒含量對砂土強度特性的影響。Carraro等[6]通過研究發現飽和砂土的峰值應力和臨界狀態摩擦角隨著黏粒含量增多而減小，而隨著粉粒含量增多而增大。呂文芳[7]研究了松散粉質土在不同黏粒含量下強度指標的變化，表明內摩擦角、峰值強度、殘余強度和隨著黏粒含量增多而減小，穩態內摩擦角隨著黏粒含量增多而減小，但變化幅度很小。田湖南[8]研究了不同細粒含量的砂土的性狀，表明細粒含量對非飽和砂土強度影響顯著，臨界細粒含量在15 %～20 %之間；同一基質吸力情況下，隨細粒含量的增加，內摩擦角減小，總凝聚力增加，且表觀凝聚力隨細粒含量呈線性增加；摩擦角隨著粒間孔隙比的增大而減小。Troncoso等[9]對相同孔隙比，不同粉粒含量下的尾礦砂進行了循環剪切試驗，發現在孔隙比不變的情況下，隨粉粒含量的增多循環抗剪強度減小。秦紅玉[10]通過大型三軸試驗，對高低圍壓下粗粒料的應力應變特性、內摩擦角、抗剪強度進行了對比分析，研究表明細粒含量的增加使粒間的咬合力與顆粒表面的摩擦阻力減弱，導致抗剪強度降低。李會中等[11]分別對粒徑大于和小于0.075 mm的顆粒進行了研究，并認為細粒含量與c成正比，與φ成反比。余宏明等[12]對含礫黏土的抗剪強度參數研究后得出：隨黏粒含量的增加，粘聚力c增大，而φ隨黏粒含量的增加而減小，在相同黏粒含量增幅比例下，c增加43.6 %，φ則降低33 %。雖然各國學者對細粒含量的試驗研究較多，但對細粒含量對砂土的強度特性和應力應變關系的影響尚未達成共識[13]。

本文對細粒含量為0 %、10 %、20 %、30 %、40 %和50 %的飽和砂土進行固結不排水三軸壓縮試驗，分析細粒含量對砂土破壞偏應力、孔壓和抗剪強度的影響。

1 試驗

試樣含細粒砂由砂土和高嶺土混合組成。砂土為細砂，粒徑d=0.075～1mm，相對體積質量Gs=2.65。高嶺土粒徑d<0.075mm，Gs=2.72，采用液塑限聯合法測定高嶺土液限wl=79%，塑性指數Ip=38，分類定名為高液限粉土MH。為探討不排水條件下細粒含量對砂土強度和變形特性的影響，配置了細粒含量質量百分比fc分別為0 %、10 %、20 %、30 %、40 %和50 %的混合料作為試驗備用土料，試驗土料如圖1所示，土料顆粒級配曲線如圖2所示。級配特征參數不均勻系數Cu、曲率系數Cc、有效粒徑d10、粒徑d30、平均粒徑d50和限制粒徑d60如表1所示。試樣尺寸直徑D×高H=39.1mm×80mm，制樣干密度1.59 g/cm3。

表1 試驗土料級配特征值

(a)fc=0%

(b)fc=10%

(c)fc=20%

(d)fc=30%

(e)fc=40%

(f)fc=50%

圖2 試驗土料級配曲線

試驗儀器為應變控制式三軸壓縮儀，該儀器由壓力室、軸向加荷系統、施加周圍壓力系統、孔隙水壓力量測系統等組成。

對細粒含量0 %、10 %、20 %、30 %、40 %和50 %的砂土進行固結不排水三軸壓縮試驗。當細粒含量較多時，不便于水下裝樣，為保證制樣方式一致，試樣分三層擊實以保證試樣的均勻性。試樣采用真空抽氣飽和法進行飽和，飽和及試樣用水均采用蒸餾水。圍壓σ3=100 kPa、200 kPa和300 kPa，剪切速率0.168 mm/min。

2 試驗結果及其分析

2.1 應力-應變關系

不同細粒含量的砂土的偏應力q-軸向應變εa關系曲線見圖3。取εa=15%對應的偏應力為試樣破壞偏應力qf0。不同細粒含量的砂土的破壞偏應力見表2。

由圖3和表2可知：

(1)在相同圍壓條件下，隨細粒含量增多，qf先減小后增大，細粒含量為30%時qf最小，在100 kPa、200 kPa、300 kPa的圍壓條件下，qf最小值分別為192 kPa、335 kPa、501.8 kPa。

(2)在相同圍壓條件下，隨細粒含量增多，其初始斜率先減小后增大，細粒含量30 %是其轉折點。

(a)σ3=100kPa

(b)σ3=200kPa

(c)σ3=300kPa

細粒含量/%圍壓/kPa100200300048574710221039363287620301433674301923355024022738858150276476640

(3)不同細粒含量的砂土應力-應變關系曲線基本呈應變硬化型，試樣呈鼓狀破壞，試樣破壞形態見圖4。

圖4 試樣破壞形態

2.2 孔壓

不同細粒含量的砂土的孔壓u-軸向應變εa關系曲線見圖5，不同細粒含量的砂土破壞時(εa=15%)的孔壓見表3。由圖5和表3可知：

(1)同一軸向應變εa下，隨細粒含量增多，砂土孔壓先增大后減小，細粒含量為30 %時孔壓最大，取εa=15 %，在100 kPa、200 kPa、300 kPa的圍壓條件下，30 %細粒含量對應的孔壓最大值分別為32 kPa、65.1 kPa、92.5 kPa。

(2)當細粒含量少時，試樣呈先剪縮后剪脹趨勢，表現為孔壓先增大后減小，隨細粒含量增多，試樣逐步呈單調剪縮趨勢，孔壓表現為單調遞增。

(3)隨著圍壓的增大，孔壓u-軸向應變εa關系曲線圖初始斜率在逐級增大。細粒含量為20 %，砂土在100 kPa、200 kPa圍壓下由先剪縮后剪脹轉化為在300 kPa圍壓下的單調剪縮。

表3 不同細粒含量砂土破壞孔壓

2.3 抗剪強度

由摩爾-庫倫強度理論得出內摩擦角與粘聚力的大小見表4。細粒含量與抗剪強度指標內摩擦角與有效內摩擦角關系曲線如圖6所示，可知隨細粒含量增多，土樣內摩擦角φ和有效內摩擦角φ′，均先減小后增大，當細粒含量為30 %時，土樣內摩擦角和有效內摩擦角最??；細粒含量為0 %時，試樣內摩擦角φ>有效內摩擦角φ′，而其他細粒含量的砂土φ′>φ。這主要是細粒含量為0 %時，試樣有受剪呈膨脹趨勢，產生負孔隙水壓力，等效于增大圍壓，提高了總強度。隨細粒含量增多，試樣逐漸向受剪壓縮轉變，產生正孔隙水壓力，降低了總強度。有效應力為總應力與孔壓之差，孔壓為正時，摩爾圓左移，增大φ′，反之，則減小φ′。

細粒含量與抗剪強度指標粘聚力關系曲線如圖7所示，

(a)σ3=100kPa

(b)σ3=200kPa

(c)σ3=300kPa

圖6 內摩擦角-細粒含量關系曲線

表4 內摩擦角與粘聚力

可知：土樣粘聚力c和有效粘聚力c′隨細粒含量增多亦呈先減小后增大趨勢，細粒含量30 %是其轉折點。

圖7 粘聚力-細粒含量關系曲線

3 結論

針對不同細粒含量的砂土進行三軸不排水壓縮試驗，分析了細粒含量對其偏應力、孔壓和強度的影響。主要結論如下：

(1)在不排水條件下，隨細粒含量增多，破壞偏應力先減小后增大，細粒含量為30 %時破壞偏應力最小。

(2)隨細粒含量增多，砂土孔壓發展模式逐漸由先增大后減小轉變為單調遞增，細粒含量30 %時是這種變化趨勢的轉折點；同一軸向應變下，砂土孔壓先增大后減小，細粒含量30 %時孔壓最大。

(3)隨細粒含量增多，抗剪強度指標先減小后增大，內摩擦角與粘聚力在細粒含量為30 %時達到最小。