粉砂土抗剪強(qiáng)度黏粒含量效應(yīng)

任克彬，鄭文舉，劉彭彭，李新明*，尹 松

(1.河南省文物建筑保護(hù)研究院，鄭州 450002；2.河南省誠(chéng)建檢驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，鄭州 450001；3.中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院，鄭州 450007；4.河南省環(huán)境巖土工程與地下工程災(zāi)害控制工程研究中心，鄭州 450007)

河南省地處黃河中下游地區(qū)，是華夏文明的發(fā)源地，土遺址約有320多座且多為粉土或粉砂土夯筑。由于長(zhǎng)期暴露于自然環(huán)境中，遺址本體性能極易劣化，抗剪能力差，容易產(chǎn)生裂隙、掏蝕、坍塌等病害[1]。添加黏粒的方法符合土遺址保護(hù)中“利用古代材料”“修舊如舊”等原則，在土遺址預(yù)防性保護(hù)工程中多有應(yīng)用，但不同于純凈砂或黏土，細(xì)顆粒尤其是黏粒的存在使得含細(xì)粒砂土(如粉砂土等)的剪切行為變得非常復(fù)雜[2]，其黏粒作用機(jī)制尚不明確。因此，有必要開(kāi)展黏粒含量對(duì)中原地區(qū)土遺址力學(xué)特性影響規(guī)律及機(jī)理的相關(guān)研究。

中外學(xué)者對(duì)不同黏粒含量土樣的力學(xué)特性及形成機(jī)制進(jìn)行了較為深入的研究。如Thevanayagam等[3]、Reza等[4]的研究表明，細(xì)粒含量對(duì)砂土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系等影響很大。顧成權(quán)等[5]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)分析了黏聚力隨試樣含水率與黏粒含量比值的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)其比值越大黏聚力越小。Ukgie等[6]對(duì)不同混合比的黏粒-砂土進(jìn)行了不排水三軸試驗(yàn)，結(jié)果表明隨著細(xì)粒含量的增加，低密度試樣的剪切強(qiáng)度增加，而高密度試樣的剪切強(qiáng)度降低。Dafalla[7]、楊瑞雪等[8]對(duì)含黏粒砂土、黃土進(jìn)行直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試樣的黏聚力隨著黏粒含量的增大呈現(xiàn)逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)；而張曉麗等[9]在含黏粒膨脹土的直剪試驗(yàn)中卻得到了與之截然相反的結(jié)論?？梢园l(fā)現(xiàn)，黏粒含量對(duì)土體力學(xué)特性的影響規(guī)律較為復(fù)雜，目前學(xué)術(shù)界尚未達(dá)成一致。因此，系統(tǒng)地研究黏粒含量對(duì)中原地區(qū)典型粉砂土的作用機(jī)制對(duì)于土遺址保護(hù)修復(fù)工程具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

中原地區(qū)土遺址的裂隙、掏蝕、坍塌等病害主要發(fā)展在土遺址的淺層部位，深度范圍一般不超過(guò)3 m[1]?；嫔系呢Q向應(yīng)力小于30 kPa，小于常規(guī)直剪試驗(yàn)的豎向應(yīng)力(50～400 kPa)。因此，從土遺址病害的實(shí)際出發(fā)，低應(yīng)力條件下土的抗剪強(qiáng)度才能表征其真實(shí)強(qiáng)度。

基于此，現(xiàn)以中原地區(qū)典型遺址粉砂土為研究對(duì)象，采用常規(guī)直剪儀，開(kāi)展了不同黏粒含量、豎向應(yīng)力和干密度的粉砂土的慢剪試驗(yàn)，通過(guò)掃描電鏡試驗(yàn)對(duì)部分樣品的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，探究黏粒含量對(duì)低應(yīng)力和高應(yīng)力下遺址土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)影響規(guī)律及其形成機(jī)理。研究可為土遺址預(yù)防性保護(hù)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

苑陵故城位于河南省鄭州市，是第七批全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位，對(duì)研究中原地區(qū)政治、經(jīng)濟(jì)和軍事都有著較高的研究和參考價(jià)值。考慮到土遺址保護(hù)中“最低限度干預(yù)”原則，在取土過(guò)程中應(yīng)盡量避免對(duì)土遺址造成破壞[10]。因此，試驗(yàn)所用土樣取自苑陵故城城墻散落土，其土性指標(biāo)如表1所示，為粉砂土。

表1 土樣基本性質(zhì)

添加到粉砂土中的黏粒為粒徑<0.005 mm的6 000目高嶺土。采用激光衍射技術(shù)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行粒度測(cè)量，測(cè)試結(jié)果顯示黏粒占比81.15%。通過(guò)內(nèi)摻法添加到粉砂土中，圖1為高嶺土和不同黏粒含量土樣的顆粒級(jí)配曲線(xiàn)。

圖1 不同黏粒含量土樣的顆粒級(jí)配曲線(xiàn)

1.2 試驗(yàn)方案

制樣采用千斤頂靜壓法，試樣經(jīng)抽真空飽和后按《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237—1997)中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行慢剪試驗(yàn)，其中剪切速率為0.02 mm/min，剪切位移達(dá)到6 mm時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。此次測(cè)定采用的是南京土壤儀器廠(chǎng)生產(chǎn)的應(yīng)變控制式直剪儀(ZJ-2型)。干密度參數(shù)設(shè)計(jì)為1.60、1.70、1.80 g/cm3，黏粒含量參數(shù)設(shè)計(jì)為0、5%、10%、15%、20%、25%，豎向應(yīng)力設(shè)計(jì)為1、5、10、25、50、100、200、400 kPa，低應(yīng)力是指1、5、10、25 kPa共4級(jí)荷載，通過(guò)施加等效荷載實(shí)現(xiàn)，與之對(duì)應(yīng)的高應(yīng)力為50、100、200、400 kPa(簡(jiǎn)稱(chēng)規(guī)范法)。試驗(yàn)過(guò)程如圖2所示。

圖2 主要試驗(yàn)過(guò)程圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)粉砂土按照不同黏粒含量制備試樣，進(jìn)而完成慢剪試驗(yàn)。各組試樣均包括高、低豎向應(yīng)力控制條件，且均進(jìn)行兩次平行試驗(yàn)，所得測(cè)試結(jié)果平均值經(jīng)整理后如表2所示。

表2 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試樣剪切破壞形態(tài)

由于不同豎向應(yīng)力條件下試樣剪切破壞狀態(tài)相似，僅列出豎向應(yīng)力25 kPa條件下不同黏粒含量的試樣剪切破壞后的照片(圖3)。可以看出，隨著黏粒含量的增加，試樣顏色由深至淺(高嶺土色澤影響)，剪切面趨于平滑，說(shuō)明土樣出現(xiàn)一定的塑性。

圖3 豎向應(yīng)力25 kPa條件下剪切破壞試樣

2.2 固結(jié)應(yīng)力與黏粒含量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

參照楊和平等[11]對(duì)低應(yīng)力條件的膨脹土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究，按規(guī)范法先對(duì)4個(gè)大豎向應(yīng)力的測(cè)點(diǎn)值做擬合，得到抗剪強(qiáng)度直線(xiàn)公式，并據(jù)以計(jì)算4個(gè)低應(yīng)力點(diǎn)相應(yīng)的剪應(yīng)力，同時(shí)列出各個(gè)低應(yīng)力點(diǎn)剪應(yīng)力實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3所示。

對(duì)比分析表3，以黏粒含量5%、干密度 1.60 g/cm3時(shí)為例，豎向應(yīng)力1、5、10、25 kPa時(shí)，按規(guī)范擬合式算得的計(jì)算值為實(shí)測(cè)值的1.49、1.39、1.30、1.16倍；再對(duì)比黏粒含量20%、干密度 1.60 g/cm3時(shí)的數(shù)值，得計(jì)算值分別是實(shí)測(cè)值的1.34、1.30、1.26、1.18倍?？梢?jiàn)，依照規(guī)范法擬合公式所得低應(yīng)力點(diǎn)抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)大于實(shí)測(cè)值。因此，以常規(guī)應(yīng)力所得計(jì)算強(qiáng)度用于土遺址穩(wěn)定性計(jì)算分析時(shí)偏于不安全。

表3 低應(yīng)力下剪應(yīng)力實(shí)測(cè)值與對(duì)應(yīng)計(jì)算值

對(duì)直剪試驗(yàn)所得土體高、低應(yīng)力段的強(qiáng)度進(jìn)行比較，依規(guī)范對(duì)4個(gè)高豎向應(yīng)力的測(cè)點(diǎn)值進(jìn)行公式擬合，同時(shí)將4個(gè)低豎向應(yīng)力的測(cè)點(diǎn)值做直線(xiàn)擬合。由于整體試驗(yàn)中剪應(yīng)力曲線(xiàn)分段規(guī)律類(lèi)似，僅列出黏粒含量10%、干密度1.60 g/cm3試樣的分段式強(qiáng)度折線(xiàn)(圖4)。由圖4可知，低應(yīng)力段擬合公式為y=0.57x+14.73，高應(yīng)力段為y=0.51x+22.83，高、低應(yīng)力段強(qiáng)度擬合公式斜率、截距差異明顯。

圖4 分段式強(qiáng)度折線(xiàn)

此外，不同豎向應(yīng)力條件下試樣的抗剪強(qiáng)度均隨黏粒含量增加而增大，說(shuō)明通過(guò)添加黏粒有效地提升了粉砂土強(qiáng)度。

2.3 黏粒含量與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系

由于3種干密度條件下黏聚力和內(nèi)摩擦角隨黏粒含量的變化規(guī)律類(lèi)似，僅繪制出干密度為 1.70 g/cm3時(shí)高、低應(yīng)力段強(qiáng)度參數(shù)與黏粒含量的關(guān)系曲線(xiàn)(圖5)。

圖5 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與黏粒含量的關(guān)系

土樣的黏聚力呈現(xiàn)隨黏粒含量增加而顯著增大、內(nèi)摩擦角隨黏粒含量增加逐漸減小的趨勢(shì)，與Dafalla[7]所得結(jié)論一致。

無(wú)論是高應(yīng)力還是低應(yīng)力固結(jié)狀態(tài)，黏聚力均隨黏粒含量的增加呈兩段折線(xiàn)型增長(zhǎng)趨勢(shì)，拐點(diǎn)位于黏粒含量10%處，且“拐點(diǎn)”右側(cè)高、低應(yīng)力段曲線(xiàn)斜率均明顯大于左側(cè)。此外，隨著黏粒含量由0增加至25%，低應(yīng)力段黏聚力增大更為顯著。

文獻(xiàn)[11]指出，黏聚力大小對(duì)土坡是否發(fā)生淺層坍塌起到了決定性作用。黏粒含量低于10%的粉砂土高、低應(yīng)力下黏聚力相差很大。隨著黏粒含量的增大，高、低應(yīng)力段黏聚力的差值逐漸縮小，在黏粒含量25%時(shí)基本相同。中原地區(qū)土遺址主要由粉土或粉砂土構(gòu)成(黏粒含量<10%)，且土遺址病害集中于淺層部位。因此，在中原地區(qū)土遺址保護(hù)工作中，更應(yīng)加強(qiáng)低應(yīng)力和高應(yīng)力對(duì)比工作，根據(jù)實(shí)際保護(hù)工況獲得合理的強(qiáng)度參數(shù)。

在土遺址修復(fù)工程中，獲得本體強(qiáng)度參數(shù)的取樣工作與“最低限度干預(yù)”等文物保護(hù)原則“相?！?，而河南地區(qū)部分土遺址土性屬于不同黏粒含量下的粉砂土。因此，試驗(yàn)所得強(qiáng)度指標(biāo)可為在確定其本體力學(xué)參數(shù)時(shí)提供參考。

2.4 干密度與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系

因多組試驗(yàn)中抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨干密度變化規(guī)律類(lèi)似，僅繪制出黏粒含量25%時(shí)高、低應(yīng)力段強(qiáng)度參數(shù)與干密度的關(guān)系曲線(xiàn)(圖6)。

圖6 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與干密度的關(guān)系

試樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)隨干密度增加而增大的趨勢(shì)，同王林浩等[12]對(duì)于壓實(shí)黃土狀粉土的相關(guān)研究成果相一致。究其原因，隨著干密度的增大，試樣逐漸變得密實(shí)，骨料間的摩擦力逐漸增大，外力克服骨料間的摩擦力所要做的功將迅速增大，從而抗剪強(qiáng)度指標(biāo)增大較快。

隨著干密度從1.60 g/cm3增加到1.80 g/cm3，低應(yīng)力段黏聚力、內(nèi)摩擦角增大了71.09%、18.97%；高應(yīng)力段黏聚力、內(nèi)摩擦角增大了59.29%、16.37%，說(shuō)明干密度對(duì)黏聚力的影響效果比內(nèi)摩擦角顯著，而對(duì)低應(yīng)力和高應(yīng)力段黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響幅度基本相當(dāng)。

3 含黏粒遺址粉砂土作用機(jī)理分析

含黏粒粉砂土的力學(xué)特性既不同于純凈砂，也區(qū)別于典型黏土[2-3]。高國(guó)瑞[13]在土體空間結(jié)構(gòu)體系研究中發(fā)現(xiàn)，粉砂土或粉土為粒狀結(jié)構(gòu)體系，而黏性土則屬于片狀結(jié)構(gòu)體系。隨著黏粒含量的增加，含黏粒粉砂土經(jīng)歷“類(lèi)砂土”到“類(lèi)黏土”的轉(zhuǎn)換過(guò)程，并最終趨向于黏土[14-15]，也就是說(shuō)其顆粒骨架由粒狀結(jié)構(gòu)體系演化為片狀結(jié)構(gòu)體系。即在黏粒增加的過(guò)程中，含黏粒粉砂土的受力骨架先是取決于土樣中的砂顆粒，隨后黏粒的作用開(kāi)始顯現(xiàn)并逐漸增加。

圖7為黏粒作用下粉砂土顆粒的調(diào)整過(guò)程示意圖?？梢钥闯觯S著黏粒含量的增加，粉砂土中顆粒的調(diào)整過(guò)程主要分為2個(gè)階段。第一階段為“類(lèi)砂土”階段，屬于粒狀結(jié)構(gòu)體系。有學(xué)者指出，黏粒含量在10%以下的砂土并不具有黏性土的性質(zhì)[15]。此時(shí)，黏粒在砂粒之間的“潤(rùn)滑”起著主導(dǎo)作用，以致含黏粒粉砂土具有較低的黏聚力，這與圖5中試驗(yàn)結(jié)果一致。Donald Wood Taylor認(rèn)為砂土的抗剪強(qiáng)度是由顆粒的滑動(dòng)和滾動(dòng)摩擦提供的剪阻力(摩擦分量)和砂粒間咬合作用引起的剪阻力(剪脹分量)組成[13]。砂土在低應(yīng)力作用下呈現(xiàn)剪脹現(xiàn)象，在高應(yīng)力作用下呈現(xiàn)剪縮現(xiàn)象，如圖8所示。低豎向應(yīng)力水平剪切作用下，顆粒間的咬合結(jié)構(gòu)被破壞，剪切面上顆粒翻越相鄰顆粒；高豎向應(yīng)力下，砂土較低應(yīng)力下更加密實(shí)，在水平剪切應(yīng)力作用下，顆粒間發(fā)生相互錯(cuò)動(dòng)，從而需要消耗更大的能量，宏觀上表現(xiàn)為相對(duì)較大的黏聚力[16]，這與圖5中0～10%黏粒含量較低(“類(lèi)砂土”)下高、低應(yīng)力段黏聚力差值較大的結(jié)果吻合。為驗(yàn)證上述分析的合理性，對(duì)不同黏粒含量下土樣進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn)，如圖9所示?？梢钥闯?～10%黏粒含量下，黏粒以填充砂?？紫兜姆植夹问綖橹?，少量的黏附在顆粒表面。

圖7 黏粒作用下土顆粒的調(diào)整

圖8 豎向位移-剪切位移關(guān)系曲線(xiàn)

圖9 黏粒作用下土的微觀結(jié)構(gòu)

第二階段為“類(lèi)黏土”階段，屬于片狀結(jié)構(gòu)體系。Lamb從亞微觀的尺度把黏性土的抗剪強(qiáng)度分為3個(gè)基本分量，即凝聚分量、剪脹分量和摩擦分量，其中黏粒間黏結(jié)或膠結(jié)引起的剪阻力提供了凝聚分量[13]。隨著黏粒含量的增加，黏粒開(kāi)始包裹砂粒并作為土體受力骨架的一部分，土性從“類(lèi)砂土”向“類(lèi)黏土”過(guò)渡，因此黏聚力逐漸增大，這與圖6中黏粒含量大于10%后，黏聚力值增幅顯著的變化規(guī)律相一致。當(dāng)黏粒含量大于10%后，“類(lèi)黏土”雖也有剪脹、剪縮現(xiàn)象(圖8)，但其剪切作用機(jī)理與“類(lèi)砂土”不同。此時(shí)，包裹在砂粒表面的黏粒在剪切過(guò)程中起到了主導(dǎo)作用，在剪切應(yīng)力作用下，其剪脹、剪縮幅度均較“類(lèi)砂土”??；另外，土樣黏聚力主要由黏粒牢固的短程聯(lián)結(jié)破裂所致，而在黏粒含量大于10%之后，隨著黏粒含量的增加，土樣中砂粒表面黏粒由較散亂分布向均勻分布發(fā)展直至形成“黏粒網(wǎng)架”，從而導(dǎo)致黏粒含量10%～25%(“類(lèi)黏土”)時(shí)高、低應(yīng)力段黏聚力差值較小(圖5)；因此，可以推測(cè)當(dāng)黏粒充分包裹砂粒后，黏粒含量再增大也不會(huì)引起黏聚力的變化。如楊和平等[11]在黏粒含量為43.56%的膨脹土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)高、低應(yīng)力段黏聚力差值僅為1.9 kPa，這也側(cè)面證明了上述推測(cè)成立。從圖9中亦可看出，當(dāng)黏粒含量為25%時(shí)，黏粒附著在砂粒表面并對(duì)砂粒進(jìn)行包裹，與圖7中土顆粒的調(diào)整過(guò)程相互驗(yàn)證。

4 結(jié)論

(1)依照規(guī)范法擬合所得低應(yīng)力段的抗剪強(qiáng)度與實(shí)際結(jié)果不符，做遺址土強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)須包含低應(yīng)力條件，才能獲得符合土遺址淺層破壞狀態(tài)時(shí)的真實(shí)強(qiáng)度指標(biāo)值。

(2)添加黏粒后粉砂土強(qiáng)度的增長(zhǎng)主要是黏聚力大幅提升。黏聚力隨黏粒含量增加呈兩段折線(xiàn)型增長(zhǎng)(拐點(diǎn)位于黏粒含量10%處)，且高、低應(yīng)力段黏聚力的差值逐漸減小，直至黏粒含量25%時(shí)基本相同。

(3)當(dāng)黏粒含量大于10%后，遺址粉砂土經(jīng)歷從“類(lèi)砂土”向“類(lèi)黏土”的轉(zhuǎn)變，受力骨架由砂粒、砂粒與砂粒表面黏粒共同作用向“黏粒網(wǎng)架”過(guò)渡，黏聚力大幅提升，土樣抗剪強(qiáng)度顯著提高。