砂与黏土混合物强度特性环剪试验研究*

吕玺琳 张 滨 章 澎

( ①同济大学，岩土及地下工程教育部重点实验室 上海 200092)

( ②同济大学，地下建筑与工程系 上海 200092)

( ③重庆市基础工程有限公司 重庆 401121)

0 引 言

砂与黏土混合物在自然界中大量存在，工程建设时常需确定其工程特性。由于黏土和砂土物理力学性质差异较大，不同比例的黏土和砂土组成的混合土力学特性变化复杂，因而有必要对混合土的力学特性开展相应研究。

当前国内外已开展过掺黏粒砂土强度、抗液化性、压缩性等的研究。Naeini et al. ( 2004) 开展不排水单调和循环加载三轴试验，研究了黏粒含量对砂土静动强度的影响规律。Monkul et al. ( 2007) 根据重塑高岭土－砂混合土的固结试验结果，研究了黏粒含量对混合土压缩性的影响。Kim et al. ( 2005)通过开展直剪试验和三轴试验，研究了黏粒含量对夯实的已分解花岗质土力学性质的影响。Sadrekarimi( 2013) 根据室内试验和现场实测确立了一种评估砂土不排水剪强度的关系，并据此研究了黏粒含量对砂土液化强度的影响。刘建坤等( 2017) 开展三轴剪切试验，研究了冻融循环对含不均匀分布颗粒土的粗粒土应力－应变关系及剪胀特性的影响。衡朝阳等( 2001) 根据不同黏粒含量的重塑土动三轴试验和X 光衍射试验结果，研究了含黏粒砂土的抗液化性能。朱建群等( 2007) 对含无塑性黏粒砂土进行了三轴固结不排水试验，研究了黏粒含量对砂土强度特性的影响。

环剪仪近年来被广泛用于测试重塑土样残余强度。Sadrekarimi et al. ( 2009) 对环剪仪进行了改进，降低了应力和应变不均匀性的影响，并且防止了试验过程中土的挤出。Iverson et al. ( 2010) 基于环剪试验结果，研究了土骨料对泥石流的影响。Hoyos et al. ( 2014) 通过控制吸力的环剪试验得到了非饱和土的残余强度。Jeong et al. ( 2014) 根据排水和不排水的环剪试验结果，研究了废石料的剪切性能。王顺等( 2012) 通过试验结果研究了不同环剪方式下滑带土的残余强度。孙涛等( 2009) 采用环剪仪对超固结黏土抗剪强度特性进行了研究。洪勇等( 2009) 对土工环剪仪的开发和应用现状进行了分析，总结了应变软化和残余强度方面的成果。杨有莲等( 2009) 利用环剪试验研究了土与结构接触面的力学特性。

本文针对不同质量比砂与高岭土混合物的力学特性进行环剪试验研究。采用不同质量比的丰浦砂和高岭土配制混合土，并在不同轴压下开展固结排水环剪试验，进一步根据试验结果研究黏土含量对混合土强度的影响规律。

1 砂与黏土混合物试样环剪试验

1.1 试样制作

试验所用土样通过丰浦砂与高岭土混合制作。丰浦砂的颗粒累积级配曲线如图1 所示，其物理特性为: d50= 0.17 mm，ds= 2.622，( ρd)min= 1.349，( ρd)max=1.638。黏土为1600 目煅烧高岭土，呈粉末状，d50=0.012 mm，ds=2.615，塑性指数Ip=19。将不同质量比的丰浦砂和高岭土配制混合土试样，如图2 所示。

图1 砂土级配曲线Fig. 1 The particle size distribution curve of the sand

图2 试验土样配制过程Fig. 2 Preparation of the experimental soil

1.2 试验过程

试验基于SRS-150 型环剪试验仪( 图3) 开展。试验前将不同质量比的砂土和高岭土搅和均匀，然后将土样装进环剪仪剪切盒，抽真空饱和除去土样中的空气。抽真空时间为1 h，之后打开出气阀，待真空仪的压力与外部压力相同后静置5 h，取出装有土样的剪切盒。土样完全饱和后，将剪切盒安装在环剪仪上进行试验。剪切盒尺寸为: 内径100 mm，外径150 mm，最大试验试样高度25 mm。最大轴向加载压力达10 kN，剪切速率范围为0.001°/min ～360°/min，最大剪切角度为720°。试验时通过机械传动系统和伺服马达驱动上部剪切盒水平转动，从而使土样沿上下环状剪切盒顶部的预设剪切面进行剪切。

图3 SRS-150 型环剪试验仪Fig. 3 SRS-150 ring shear apparatus

1.3 试验结果

首先针对纯砂土和纯高岭土试样开展75 kPa、150 kPa、300 kPa 和600 kPa 轴压条件下的环剪试验。在预定轴压下固结24 h，待试样内部孔隙水压和环剪仪轴向位移基本稳定后，在2°/min 速率下对土样进行剪切。剪切时排水阀门始终打开，保证试样在剪切过程中处于排水状态。所得的剪切力与剪切角关系曲线分别如图4 和图5 所示。进一步地，将纯高岭土和纯砂土按质量比为15︰1、7︰1、3︰1、1︰1、1︰3、1︰7 和1︰15 制作混合土样后，在75 kPa、150 kPa、300 kPa、600 kPa 轴压下进行固结排水环剪试验。所得试验结果如图6 所示。结果表明在剪切角为15°前土样达到峰值强度，其后随着剪切角度增加，将出现两种情况。第1 种情况是剪切强度降低直至残余强度后基本保持不变。第2 种情况是在土样达到一定剪切强度后保持在一个波动很小的稳定值。在剪切角达到20°后，剪切强度基本处于一个稳定值，此时随剪切角继续增加，剪切强度变化幅度已很小。

通过试验结果对比分析表明，当黏土与砂土质量比大于1 时，试样未表现明显的软化特性。但当黏土与砂土质量比小于1 及纯砂土情况下，土样均表现出不同程度的软化现象。通过图4 ～图6 试验的曲线对比可看出，随着黏土质量占比的减少，土样逐渐由持续硬化转变为先硬化后软化。说明黏土与砂土质量比变化对混合土应变特性有较大影响。此外，随着黏土与砂土质量比增加，同等轴压条件下剪切强度呈下降趋势。总体上，在砂土黏土混合试样中，黏土与砂土质量比变化将对土样的应变和强度特性有明显影响。

图4 丰浦砂试验结果Fig. 4 The test results of pure silica sand

图5 高岭土试验结果Fig. 5 The test results of pure kaolin clay

2 砂与黏土质量比对强度的影响

为分析黏土与砂土质量比对混合土样强度参数的影响，根据环剪试验结果，得出黏聚力c 和摩擦角φ 两个强度参数值。强度参数根据应力－应变关系确定，若土样表现出软化特性，将剪应力峰值作为土样的剪切强度; 若土样持续硬化，由于土样在剪切角大于20°时强度值变化已很小，故以剪切角20°时的剪应力作为抗剪强度。取75 kPa、150 kPa、300 kPa 和600 kPa 轴压下环剪试验得到的抗剪强度，得到强度线如图7 所示。从图7 可看出，高岭土与砂土质量比变化将明显改变试样的强度线。

图6 不同质量比高岭土与砂土混合试样试验结果Fig. 6 Test results of mixed samples of sand and kaolin with different mass ratio

图7 不同高岭土与砂土质量比条件下混合土的强度Fig. 7 Strength of soil under different mass ratio of kaolin clay to sand

图8 高岭土与砂土质量比对混合土强度参数的影响Fig. 8 Effect of mass ratio of kaolin clay to sand on the strength parameters of mixed soil

通过试验获得的峰值强度线，得出不同高岭土与砂土质量比条件下黏聚力和内摩擦角值变化如图8 所示。通过图8a 可看出，当试样为纯砂土时，试样黏聚力略大于零。其原因是所采用的砂土中含一定细颗粒，导致砂土试样存在一定黏聚力，这可根据砂土级配曲线( 图1) 看出。随着黏土含量增加，黏聚力表现为先增加随后减小的趋势，当高岭土与砂土质量比为1 时，黏聚力将达到最小值。随着高岭土含量的进一步增加，黏聚力呈现出先增大再略减小的趋势。这是由于当混合物土样中高岭土与砂土质量比变化时，土样微观结构复杂变化，导致黏聚力呈现波动。整体上而言，随着高岭土与砂土质量比的增加，混合物土样的黏聚力有增加的趋势。图8b曲线表明，当高岭土与砂土质量比小于1 时，高岭土所占质量百分比增大时，土样摩擦角变化不大，略有减小。这是由于当高岭土与砂土质量比小于1 时，高岭土主要存在于粗颗粒砂土颗粒间的孔隙中，因而对混合物土样摩擦角的影响相对较小。当高岭土与砂土质量比超过1 时，混合物土样的摩擦角随高岭土与砂土质量比增加明显减小，纯高岭土的摩擦角达到最小值。当高岭土与砂土的质量比大于1时，混合物土样内部结构发生了变化，细颗粒间的摩擦占全部颗粒间摩擦的比例随高岭土含量增大而增加，导致内摩擦角随高岭土与砂土质量比增加而降低的趋势得更明显。

3 结 论

通过对不同质量比的高岭土和砂土混合物饱和试样在75 kPa、150 kPa、300 kPa 和600 kPa 轴压下进行固结排水环剪试验，得到剪应力－剪切角关系曲线。根据混合土的剪切强度，得到黏土与砂土质量比对混合土黏聚力和摩擦角的影响规律。主要得到以下结论。

(1) 黏土与砂土质量比对试样强度和应变曲线有较明显的影响，随着黏土与砂土质量比的减少，应力－应变关系从持续硬化转变到先硬化后软化的特性，混合土剪切强度随黏土与砂土质量比增加而减小。

(2) 黏土与砂土质量比对混合土的黏聚力影响并不明显，在5～18 kPa 范围波动。当黏土含量和砂土含量大致相当时，黏聚力最小。

( 3) 随着黏土与砂土质量比增大，内摩擦角持续减小。相比黏土与砂土质量比大于1 的试样而言，当质量比在1 以内时，摩擦角减小得小一些。