浅谈不同含水率对黏土强度指标的影响

王 超

(包头市公路规划勘测设计有限公司，内蒙古 包头 014040)

1 研究的目的和意义

土的强度指标是工程建设的重要依据之一，如果掌握了不同环境因素下土的物理指标性质，将会对工程建设产生重大意义，对工程建设的安全性及经济性产生深远的影响。

2 研究的主要内容

笔者通过采集包头市境内达茂地区的黏土，用于制备不同含水率条件下的黏土试样，采用三轴试验仪器进行试验，得出不同含水率条件下的黏土各种强度指标的变化规律。

3 黏土的基本特性分析

3.1 试样土的选取

以包头市境内达茂地区的黏土为研究对象。

3.2 常规土工试验

3.2.1 含水率试验。根据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)中的要求，采用烘干法进行土的含水率试验，首先进行现场取样并装盒保存，放入实验室烘箱，在恒温105℃～110℃下进行不少于8h的烘干。天然含水率的计算公式如下：

(1)

式中：ω——含水率(%)，计算至0.1；

m——湿土质量(g)；

ms——干土质量(g)。

由表1可知，黏土天然含水率为17.5%。

表1 天然含水率试验记录

3.2.2 界限含水率试验。根据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)中土的界限含水率试验方法，制备三种不同含水率的土样，进行液塑限试验，得出含水率与锥入深度的关系曲线如下。

表2 液限塑限联合试验记录

图1 含水率与锥入深度关系

根据计算及图表的关系曲线可得出：液限wl=39.6%，塑限wp=26.2%，塑性指数Ip=13.4%。

3.2.3 颗粒分析试验。根据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)中采用筛分法进行土的颗粒分析试验，取2kg代表性土样进行筛分实验，实验数据如下。

表3 颗粒分析结果

由图2得出，黏土的不均匀系数Cu为8.71，曲率系数Cc为1.78。

图2 颗粒级配曲线

3.2.4 密度试验。 依据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)中采用环刀法进行土的密度试验，测定黏土的湿密度及干密度，计算公式如下：

(2)

(3)

式中：ρ——湿密度(g/cm3)，计算至0.001；

m1——环刀与土合质量(g)；

m2——环刀质量(g)；

V——环刀体积(cm3)；

ρd——干密度(g/cm3)，计算至0.001；

ω——含水率(%)。

由表4可知，黏土的干密度ρd为1.432g/cm3。

表4 环刀试验记录

3.2.5 击实试验。 根据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)中采用轻型击实法进行土的击实试验，试样所需加水量计算公式如下：

(4)

式中：mw——所需的加水量(g)；

mi——含水率ωi时的土样质量(g)；

ωh——土样原有含水率(%)；

ω——要求达到的含水率(%)。

表5 击实试验记录

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

图3 含水量与干密度关系曲线

4 黏土的三轴试验设计

4.1 试验方法

本次实验设计为得出土的总抗剪强度指标，采用不固结不排水(UU)试验，在试验过程中施加围压和轴压直至破坏，整个过程均不允许试样排水。

4.2 试样选取与试件制备

原土选取包头市达茂旗境内的黏土，选取风干土样10kg，充分碾碎并过2mm的筛，将实验所需的土样加入经计算所得的加水量，拌合充分后制备试件。实验所选取的土样最佳含水量为15.3%，在最佳含水率两侧选取不同的含水率进行实验分析，本次试验选用了13%、15.3%、18%和20%四种不同含水率的土进行制备试件。每组4个试件，试件尺寸为Φ39.1×80(mm) 。在击实器内分层击实，分4层击实，各组土层数量相等，并在各层面上用切土刀刨毛以利于两层面之间结合。

5 结果与分析

5.1 黏土的三轴试验结果

表6 三轴试验

5.2 分析数据、绘制三轴试验的摩尔圆及强度包线并得到抗剪强度参数

图4 13%含水率三轴实验抗剪强度包络线

图5 15.3%含水率三轴实验抗剪强度包络线

图6 18%含水率三轴实验抗剪强度包络线

图7 20%含水率三轴实验抗剪强度包络线

5.2.1 含水率与黏聚力的关系的分析(见图8)。当含水率逐渐增大到最佳含水率时，土粒间水膜受到相邻土粒之间的电分子引力以及土中化合物的胶结作用逐渐增大，使得黏聚力逐渐增大；当含水率超过最佳含水率时，随着水膜的增厚使土粒之间的电分子引力以及胶结作用的逐渐减小使得黏聚力逐渐减小。

图8 含水率与黏聚力的关系

5.2.2 含水率与内摩擦角的关系的分析(见图9)。随着含水率的逐渐增大时，水分在较粗颗粒之间起着润滑作用，使土粒之间摩擦力及咬合力降低，即使得内摩擦角逐渐减小。

图9 含水率与内摩擦角的关系

6 结论及展望

6.1 结论

①随着含水率逐渐增大时(10%～20%)，黏聚力先增大后减小。②随着含水率逐渐增大时(10%～20%)，内摩擦角逐渐减小。③随着含水率逐渐增大时(10%～20%)，黏土的抗剪强度先增大后减小。

6.2 展望

笔者通过试验对包头市达茂旗境内黏土进行分析得出一些结论，取得了部分成果，对日后的工程施工具有一定的帮助与指导作用，但由于水平有限，论文中必然有许多不足之处，总结如下：①土的抗剪强度实验成果一般有两种表示方法，由于时间和试验设备有限的关系，笔者只用了较简单的总应力法进行研究，希望在以后的研究中能考虑用有效应力法进行研究。②笔者在试验选择的部分因素范围略小，虽然也能显示出一些趋势，但希望在以后的研究中能够加大范围，获得更加全面的分析。