两种粉质黏土的静强度特征对比分析＊

黄嘉伟 周正华

（南京工业大学，南京 211800）

引言

抗剪强度特征是土的一个重要力学性质。随着城市的不断发展，南京和无锡地区大量基础设施建设项目即将或正在建设，而南京地区和无锡地区地基土存在一定差异，为配合新一轮城市规划和建设，确保工程建设安全，需要对地基土物理参数存在的差异以及扰动作用对两地土抗剪强度造成的影响进行分析。

我国东部地区发育有大量的粉质粘土层，是由第四纪地质历史时期冲洪积形成的。该区域内的粉质黏土黏粒含量一般介于30%—50%，且粉粒含量大于砂粒组含量，具有强度差，压缩性高的特征。国内学者对粉质黏土已开展了一定研究：黄博等[1]结合动三轴仪，对京津高速铁路沿线经历交通荷载长期作用前后的饱和粉质黏土强度进行对比试验，研究排水条件、施工扰动及超固结等因素对土体振后不排水强度的影响；张英等[2]研究基于SEM和MIP的冻融循环对粉质黏土强度影响机制；牛亚强等[3]通过对−6℃的冻结粉质黏土在初始含水率12.5%—20%范围内进行一系列的三轴试验，分析初始含水状态对冻土变形和强度的影响规律。

对比两地土的物理指标（表1）可以发现，两个地区粉质黏土物理特征存在差异，这说明不同地区土体的力学特性也必定存在一定差异[4]。通过对南京和无锡地区粉质黏土静强度特征对比分析，可以清楚地了解粘性土地基强度和变形机理。试验试样分别取自南京和无锡地区，结合TSZ-2全自动三轴仪，对两种土的物理力学特性进行分析。在试验中加入重塑试样对比分析，在控制孔隙比、饱和程度相同的条件下将原状与重塑土强度进行比较，分析扰动作用对两地区土带来的结构性影响。

表1 两种粉质黏土基本物理指标Table 1 Basic physical indexes of two kinds of silty clay

1 土的基本物理性质

南京试验土样取土深度范围在10—14 m。无锡试验土样取土深度范围在7—12 m。通过整理两个试验土样取土地区工程地质条件资料[5-6]，绘制两地区大致土层分布情况（图1）。可以看出，两个取土地区均分布有较厚的粉质黏土层。

图1 取土位置土层分布Fig.1 Soil layer distribution at the borrow location

通过对试验结果的总结，绘制出无锡、南京地区粉质黏土基本特性指标表，如表1所示，各参数获取的试验步骤参照《土工试验方法标准GBT50123—1999》[7]。对同一试验中的4组平行试验数据近似结果求均值，作为其最终试验参数结果。

以相对密度结果为例，对同一试验的4组平行试验结果离散性分析。经计算发现，无锡土样相对密度平均值为2.456，标准差值为0.019，变异系数值为0.008。其计算结果远小于两类之间的变异系数值0.046。可以推测两类土存在较为显著的差异。

按照《土工试验标准》[7]的甲种密度计法（d<0.075 mm）进行颗粒分析试验，同一种土的颗分试验重复进行3次，取3次试验均值作为试验结果。两地区粉质黏土的颗粒级配曲线如图2所示。

图2 颗粒级配曲线对比Fig.2 Comparison of particle grading curves

试验结果显示，两种土粉粒含量占土粒组成的大部分，无锡土样粉粒含量为62.94%，黏粒含量为37.06%；南京土样粉粒含量为76.84%，黏粒含量为23.16%。将粉粒粒径结果进行对比，无锡土样粗粉粒（0.075—0.01 mm）含量为 60%，细粉粒（0.01—0.005 mm）含量为40%；南京土样粗粉粒含量为64.17%，细粉粒含量为35.83%，粗细粉粒所占比例存在较大差异，两地区土都主要由粗粉粒组成。经计算，南京地区粉质黏土的不均匀系数Cu=6，曲率系数Cc=1.74；无锡地区粉质黏土的不均匀系数Cu≈7，曲率系数Cc=1.18。按《建筑地基基础设计规范》[8]进行分类判别，两种土均为级配良好的粉质黏土。

两地区土的压缩曲线情况如图3所示。通过计算发现，无锡土样压缩系数 a1−2=0.108 MPa−1，南京土样压缩系数 a1−2=0.205 MPa−1，两种土均属中压缩性土，且两种土初始孔隙比相差较小。对比以上指标可以看出，无锡土样与南京土样相比，具有含水率低、密度高、孔隙比小、压缩性低的特征。

图3 e-lgP 曲线对比Fig.3 Comparison of e-lgP curves

2 饱和土抗剪强度

采用固结不排水三轴试验（CU试验）测定土的静强度，具体试验步骤参照《土工试验方法标准》[7]。土样高度为80 mm，直径为39.1 mm。原状土固定在切土器上下盘之间，用钢丝锯和切土刀切削至规定的直径。重塑土样控制含水率、孔隙比与原状土一致，分5层击实，各层土料质量相等，接触面刨毛。无锡土样重塑样含水率控制为26%，孔隙比控制为0.574；南京土样含水率控制为19%，孔隙比控制为0.441。试验土样饱和采取水头饱和与反压饱和相结合的方式，装样结束后，逐级施加反压至300 kPa，当B≥0.98时认为试样饱和。试样等向固结，当孔隙水压力消散95%以上时，认定固结完成。试验剪切速率控制在0.006 mm/min。当主应力差出现峰值，继续剪切5%轴向应变试验结束；若未出现，剪切至轴向应变为20%时结束试验。

每种土分别在3个不同的围压下进行剪切试验测定抗剪强度。试验中围压的选择通过卡萨格兰德法在图3中绘制并计算来确定。试验中无锡土样围压大小设置为 100 kPa、200 kPa、300 kPa；南京土样围压大小设置为 250 kPa、300 kPa、400 kPa。在每个围压情况下又设置3组平行试验，筛除差异明显的试验土样数据，取其中近似数据求均值作为最终试验结果。

图4为南京、无锡两地区土的原状和重塑样静三轴试验应力-应变曲线关系图。

为方便比较两种土之间抗剪强度的差异性，选取300 kPa围压作用下的试验结果曲线进行对比分析，整合绘制结果如图5所示。

通过图4、图5可以很明显地看出，两种土的原状样和重塑样的表现存在较大差异。无锡地区的原状土样呈现出应变软化状态，而南京地区的原状土样则呈现出应变硬化状态；南京土样原状样孔隙压力增长幅度远高于无锡土样原状样，而无锡土样试样的强度则远高于南京土样。如图5所示，在300 kPa围压作用下，无锡土样原状样的主应力差峰值达58.9 kPa，南京土样原状样的主应力差峰值仅为30.3 kPa。

图4 南京、无锡地区原状和重塑粉质黏土应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curves of undisturbed and remolded silty clays in Nanjing and Wuxi areas

图5 300 kPa 围压下两种土原状和重塑粉质黏土静三轴实验结果Fig.5 Static triaxial test results of two kinds of undisturbed soil and remolded silty clay under 300 kPa confining pressure

对比分析两种土的重塑样实验结果。从应力-应变曲线图可以看出，两种土重塑样都表现为应变硬化状态，重塑后强度都有降低，但无锡重塑土样强度降低幅度远高于南京重塑土样。对比主应力差峰值变化情况可以发现，无锡土样原状样主应力差峰值强度对应的轴向应变值约为8.5%，而重塑样剪切至试验结束即轴向应变为20%时，仍然未出现主应力差峰值；南京土样除强度在重塑后有一定的降低外，主应力差峰值出现位置对应的轴向应变与原状土差异很小。这表明扰动作用对无锡土样造成的影响较大，扰动作用引起土体变形特性发生改变；扰动作用对南京地区土体造成的影响相对较小。

对静三轴试验结果整理，绘制固结不排水强度包线图，得到两种土原状样和重塑样的总应力指标c、φ值。计算结果如表2所示。

从表2可以明显看出，无锡重塑土样和原状土样相比黏聚力降低了7.23 kPa，重塑土样黏聚力仅为原状样的56.68%，这表明无锡土样在重塑后黏聚力大幅下降。这一实验结果说明，无锡土样在进行过重塑后，其颗粒间的微观结构被改变，土体结构遭受破坏，结构间的联结作用降低，从而导致黏聚力下降。南京重塑样较原状样黏聚力仅降低了0.76 kPa，重塑试样黏聚力为原状样的92.37%，与原状样近似。这表明重塑对南京土样颗粒间的微观结构影响较小，未对土体结构间的联结作用产生较大破坏。

表2 固结不排水抗剪强度指标Table 2 Consolidated undrained shear strength index

3 非饱和土抗剪强度

随着城市建设的迅猛发展，在工业生产、生活中会大量的抽取地下水，非饱和土力学成为越来越多学者研究的方向。非饱和土工程性质上较饱和土存在很大的差异，饱和度的变化可能会引起这两种土的强度发生巨大变化，可能导致地表发生沉降或隆起，对上部建筑物造成破坏。国内学者对非饱和土进行了一定研究，林鸿州等[9]研究了粘性土基质吸力与含水率之间的关系，得出粘性土的土水特征曲线的一些规律；沈珠江[10]推广了广义吸力概念，把饱和扰动土的孔隙状态定义为稳定状态，提出了广义吸力的丧失将促使欠压缩土和超压缩土均向稳定状态发展的理论。

本试验设计采用南京、无锡地区烘干土进行制样，通过不固结不排水三轴试验（UU试验），试验步骤参照《土工试验方法标准》[7]，并结合颗粒级配曲线图对比分析，探究颗粒级配和含水率两个因素对南京、无锡地区非饱和土抗剪强度特性的影响。设置两种土试样的含水率分别为：10%、13%、16%、19%、22%、25%、28%，单一含水率又设置3组平行试验。控制非饱和土样干密度一致。两种土的非饱和土样不固结不排水三轴试验结果如图6所示。

图6 非饱和土样不固结不排水三轴试验结果Fig.6 Unconsolidated and undrained triaxial test results of unsaturated soil samples

通过图6可以看出，在同一轴向应力作用下，含水率越低非饱和土样的抗剪强度越高；在相同含水率的情况下，无锡地区的非饱和重塑土样抗剪强度高于南京土样，抗剪强度约为南京土样的1.64—1.3倍，两地非饱和土不固结不排水抗剪强度存在较大的差异。不固结不排水试验土样在控制含水率、孔隙比、干密度相同的条件下，两种土样的差异性可能是由土颗粒含量不同导致的[11]。结合图2颗分试验结果，已确定无锡土样粉粒含量为62.94%，南京土样含量为76.84%；无锡地区土粗粉粒（0.075—0.01 mm）含量为 60%，细粉粒（0.01—0.005 mm）含量为 40%；南京土样粗粉粒含量为64.17%，细粉粒含量为35.83%。可以发现，在相同含水率下，非饱和土样的粉粒含量越高，该土样的黏聚力越低。

对比凌华等[12]试验结果：在普通三轴仪上进行非饱和土的强度试验，非饱和土的强度随含水量的增大而减少。汤连生[13]从非饱和土粒间吸力特征进行研究，表明粒径越大，对应峰值抗剪强度的基质吸力越小。Gan等[14]从马德里的灰色粘性土抗剪强度与基质吸力的关系曲线可知，基质吸力越大，抗剪强度越高。这些研究结论与试验所得规律结果相符可以对本文非饱和土试验结果进行解释。

4 结论

由于埋深、先期固结条件、低含水率、低孔隙比等因素的差异性，导致无锡粉质黏土样比南京粉质黏土样具有更高静强度。在扰动作用影响下，无锡饱和土样会产生较大影响，引起土体变形特性发生改变，但南京土样受扰动作用影响相对较小。在非饱和状态下，两种土的抗剪强度均随含水率的增加而降低；非饱和粉质黏土的抗剪强度与颗粒粒径存在一定关联，即土颗粒粒径越大，土体基质吸力越小，土体抗剪强度越高。