粉砂土抗剪强度黏粒含量效应

任克彬，郑文举，刘彭彭，李新明*，尹 松

(1.河南省文物建筑保护研究院，郑州 450002；2.河南省诚建检验检测技术股份有限公司，郑州 450001；3.中原工学院建筑工程学院，郑州 450007；4.河南省环境岩土工程与地下工程灾害控制工程研究中心，郑州 450007)

河南省地处黄河中下游地区，是华夏文明的发源地，土遗址约有320多座且多为粉土或粉砂土夯筑。由于长期暴露于自然环境中，遗址本体性能极易劣化，抗剪能力差，容易产生裂隙、掏蚀、坍塌等病害[1]。添加黏粒的方法符合土遗址保护中“利用古代材料”“修旧如旧”等原则，在土遗址预防性保护工程中多有应用，但不同于纯净砂或黏土，细颗粒尤其是黏粒的存在使得含细粒砂土(如粉砂土等)的剪切行为变得非常复杂[2]，其黏粒作用机制尚不明确。因此，有必要开展黏粒含量对中原地区土遗址力学特性影响规律及机理的相关研究。

中外学者对不同黏粒含量土样的力学特性及形成机制进行了较为深入的研究。如Thevanayagam等[3]、Reza等[4]的研究表明，细粒含量对砂土应力-应变关系等影响很大。顾成权等[5]通过室内试验分析了黏聚力随试样含水率与黏粒含量比值的变化关系，发现其比值越大黏聚力越小。Ukgie等[6]对不同混合比的黏粒-砂土进行了不排水三轴试验，结果表明随着细粒含量的增加，低密度试样的剪切强度增加，而高密度试样的剪切强度降低。Dafalla[7]、杨瑞雪等[8]对含黏粒砂土、黄土进行直剪试验，发现试样的黏聚力随着黏粒含量的增大呈现逐渐增长的趋势；而张晓丽等[9]在含黏粒膨胀土的直剪试验中却得到了与之截然相反的结论。可以发现，黏粒含量对土体力学特性的影响规律较为复杂，目前学术界尚未达成一致。因此，系统地研究黏粒含量对中原地区典型粉砂土的作用机制对于土遗址保护修复工程具有重要的理论和现实意义。

中原地区土遗址的裂隙、掏蚀、坍塌等病害主要发展在土遗址的浅层部位，深度范围一般不超过3 m[1]。滑面上的竖向应力小于30 kPa，小于常规直剪试验的竖向应力(50～400 kPa)。因此，从土遗址病害的实际出发，低应力条件下土的抗剪强度才能表征其真实强度。

基于此，现以中原地区典型遗址粉砂土为研究对象，采用常规直剪仪，开展了不同黏粒含量、竖向应力和干密度的粉砂土的慢剪试验，通过扫描电镜试验对部分样品的微观结构进行分析，探究黏粒含量对低应力和高应力下遗址土抗剪强度指标影响规律及其形成机理。研究可为土遗址预防性保护提供依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

苑陵故城位于河南省郑州市，是第七批全国重点文物保护单位，对研究中原地区政治、经济和军事都有着较高的研究和参考价值。考虑到土遗址保护中“最低限度干预”原则，在取土过程中应尽量避免对土遗址造成破坏[10]。因此，试验所用土样取自苑陵故城城墙散落土，其土性指标如表1所示，为粉砂土。

表1 土样基本性质

添加到粉砂土中的黏粒为粒径<0.005 mm的6 000目高岭土。采用激光衍射技术测试系统进行粒度测量，测试结果显示黏粒占比81.15%。通过内掺法添加到粉砂土中，图1为高岭土和不同黏粒含量土样的颗粒级配曲线。

图1 不同黏粒含量土样的颗粒级配曲线

1.2 试验方案

制样采用千斤顶静压法，试样经抽真空饱和后按《土工试验规程》(SL237—1997)中相关规定进行慢剪试验，其中剪切速率为0.02 mm/min，剪切位移达到6 mm时试验结束。此次测定采用的是南京土壤仪器厂生产的应变控制式直剪仪(ZJ-2型)。干密度参数设计为1.60、1.70、1.80 g/cm3，黏粒含量参数设计为0、5%、10%、15%、20%、25%，竖向应力设计为1、5、10、25、50、100、200、400 kPa，低应力是指1、5、10、25 kPa共4级荷载，通过施加等效荷载实现，与之对应的高应力为50、100、200、400 kPa(简称规范法)。试验过程如图2所示。

图2 主要试验过程图

2 试验结果与分析

对粉砂土按照不同黏粒含量制备试样，进而完成慢剪试验。各组试样均包括高、低竖向应力控制条件，且均进行两次平行试验，所得测试结果平均值经整理后如表2所示。

表2 抗剪强度试验结果

2.1 试样剪切破坏形态

由于不同竖向应力条件下试样剪切破坏状态相似，仅列出竖向应力25 kPa条件下不同黏粒含量的试样剪切破坏后的照片(图3)。可以看出，随着黏粒含量的增加，试样颜色由深至浅(高岭土色泽影响)，剪切面趋于平滑，说明土样出现一定的塑性。

图3 竖向应力25 kPa条件下剪切破坏试样

2.2 固结应力与黏粒含量对抗剪强度的影响

参照杨和平等[11]对低应力条件的膨胀土抗剪强度试验研究，按规范法先对4个大竖向应力的测点值做拟合，得到抗剪强度直线公式，并据以计算4个低应力点相应的剪应力，同时列出各个低应力点剪应力实测值进行对比，结果如表3所示。

对比分析表3，以黏粒含量5%、干密度 1.60 g/cm3时为例，竖向应力1、5、10、25 kPa时，按规范拟合式算得的计算值为实测值的1.49、1.39、1.30、1.16倍；再对比黏粒含量20%、干密度 1.60 g/cm3时的数值，得计算值分别是实测值的1.34、1.30、1.26、1.18倍。可见，依照规范法拟合公式所得低应力点抗剪强度远大于实测值。因此，以常规应力所得计算强度用于土遗址稳定性计算分析时偏于不安全。

表3 低应力下剪应力实测值与对应计算值

对直剪试验所得土体高、低应力段的强度进行比较，依规范对4个高竖向应力的测点值进行公式拟合，同时将4个低竖向应力的测点值做直线拟合。由于整体试验中剪应力曲线分段规律类似，仅列出黏粒含量10%、干密度1.60 g/cm3试样的分段式强度折线(图4)。由图4可知，低应力段拟合公式为y=0.57x+14.73，高应力段为y=0.51x+22.83，高、低应力段强度拟合公式斜率、截距差异明显。

图4 分段式强度折线

此外，不同竖向应力条件下试样的抗剪强度均随黏粒含量增加而增大，说明通过添加黏粒有效地提升了粉砂土强度。

2.3 黏粒含量与抗剪强度指标的关系

由于3种干密度条件下黏聚力和内摩擦角随黏粒含量的变化规律类似，仅绘制出干密度为 1.70 g/cm3时高、低应力段强度参数与黏粒含量的关系曲线(图5)。

图5 抗剪强度指标与黏粒含量的关系

土样的黏聚力呈现随黏粒含量增加而显著增大、内摩擦角随黏粒含量增加逐渐减小的趋势，与Dafalla[7]所得结论一致。

无论是高应力还是低应力固结状态，黏聚力均随黏粒含量的增加呈两段折线型增长趋势，拐点位于黏粒含量10%处，且“拐点”右侧高、低应力段曲线斜率均明显大于左侧。此外，随着黏粒含量由0增加至25%，低应力段黏聚力增大更为显著。

文献[11]指出，黏聚力大小对土坡是否发生浅层坍塌起到了决定性作用。黏粒含量低于10%的粉砂土高、低应力下黏聚力相差很大。随着黏粒含量的增大，高、低应力段黏聚力的差值逐渐缩小，在黏粒含量25%时基本相同。中原地区土遗址主要由粉土或粉砂土构成(黏粒含量<10%)，且土遗址病害集中于浅层部位。因此，在中原地区土遗址保护工作中，更应加强低应力和高应力对比工作，根据实际保护工况获得合理的强度参数。

在土遗址修复工程中，获得本体强度参数的取样工作与“最低限度干预”等文物保护原则“相悖”，而河南地区部分土遗址土性属于不同黏粒含量下的粉砂土。因此，试验所得强度指标可为在确定其本体力学参数时提供参考。

2.4 干密度与抗剪强度指标的关系

因多组试验中抗剪强度指标随干密度变化规律类似，仅绘制出黏粒含量25%时高、低应力段强度参数与干密度的关系曲线(图6)。

图6 抗剪强度指标与干密度的关系

试样的黏聚力、内摩擦角呈现随干密度增加而增大的趋势，同王林浩等[12]对于压实黄土状粉土的相关研究成果相一致。究其原因，随着干密度的增大，试样逐渐变得密实，骨料间的摩擦力逐渐增大，外力克服骨料间的摩擦力所要做的功将迅速增大，从而抗剪强度指标增大较快。

随着干密度从1.60 g/cm3增加到1.80 g/cm3，低应力段黏聚力、内摩擦角增大了71.09%、18.97%；高应力段黏聚力、内摩擦角增大了59.29%、16.37%，说明干密度对黏聚力的影响效果比内摩擦角显著，而对低应力和高应力段黏聚力和内摩擦角的影响幅度基本相当。

3 含黏粒遗址粉砂土作用机理分析

含黏粒粉砂土的力学特性既不同于纯净砂，也区别于典型黏土[2-3]。高国瑞[13]在土体空间结构体系研究中发现，粉砂土或粉土为粒状结构体系，而黏性土则属于片状结构体系。随着黏粒含量的增加，含黏粒粉砂土经历“类砂土”到“类黏土”的转换过程，并最终趋向于黏土[14-15]，也就是说其颗粒骨架由粒状结构体系演化为片状结构体系。即在黏粒增加的过程中，含黏粒粉砂土的受力骨架先是取决于土样中的砂颗粒，随后黏粒的作用开始显现并逐渐增加。

图7为黏粒作用下粉砂土颗粒的调整过程示意图。可以看出，随着黏粒含量的增加，粉砂土中颗粒的调整过程主要分为2个阶段。第一阶段为“类砂土”阶段，属于粒状结构体系。有学者指出，黏粒含量在10%以下的砂土并不具有黏性土的性质[15]。此时，黏粒在砂粒之间的“润滑”起着主导作用，以致含黏粒粉砂土具有较低的黏聚力，这与图5中试验结果一致。Donald Wood Taylor认为砂土的抗剪强度是由颗粒的滑动和滚动摩擦提供的剪阻力(摩擦分量)和砂粒间咬合作用引起的剪阻力(剪胀分量)组成[13]。砂土在低应力作用下呈现剪胀现象，在高应力作用下呈现剪缩现象，如图8所示。低竖向应力水平剪切作用下，颗粒间的咬合结构被破坏，剪切面上颗粒翻越相邻颗粒；高竖向应力下，砂土较低应力下更加密实，在水平剪切应力作用下，颗粒间发生相互错动，从而需要消耗更大的能量，宏观上表现为相对较大的黏聚力[16]，这与图5中0～10%黏粒含量较低(“类砂土”)下高、低应力段黏聚力差值较大的结果吻合。为验证上述分析的合理性，对不同黏粒含量下土样进行电镜扫描试验，如图9所示。可以看出0～10%黏粒含量下，黏粒以填充砂粒孔隙的分布形式为主，少量的黏附在颗粒表面。

图7 黏粒作用下土颗粒的调整

图8 竖向位移-剪切位移关系曲线

图9 黏粒作用下土的微观结构

第二阶段为“类黏土”阶段，属于片状结构体系。Lamb从亚微观的尺度把黏性土的抗剪强度分为3个基本分量，即凝聚分量、剪胀分量和摩擦分量，其中黏粒间黏结或胶结引起的剪阻力提供了凝聚分量[13]。随着黏粒含量的增加，黏粒开始包裹砂粒并作为土体受力骨架的一部分，土性从“类砂土”向“类黏土”过渡，因此黏聚力逐渐增大，这与图6中黏粒含量大于10%后，黏聚力值增幅显著的变化规律相一致。当黏粒含量大于10%后，“类黏土”虽也有剪胀、剪缩现象(图8)，但其剪切作用机理与“类砂土”不同。此时，包裹在砂粒表面的黏粒在剪切过程中起到了主导作用，在剪切应力作用下，其剪胀、剪缩幅度均较“类砂土”小；另外，土样黏聚力主要由黏粒牢固的短程联结破裂所致，而在黏粒含量大于10%之后，随着黏粒含量的增加，土样中砂粒表面黏粒由较散乱分布向均匀分布发展直至形成“黏粒网架”，从而导致黏粒含量10%～25%(“类黏土”)时高、低应力段黏聚力差值较小(图5)；因此，可以推测当黏粒充分包裹砂粒后，黏粒含量再增大也不会引起黏聚力的变化。如杨和平等[11]在黏粒含量为43.56%的膨胀土抗剪强度试验中发现高、低应力段黏聚力差值仅为1.9 kPa，这也侧面证明了上述推测成立。从图9中亦可看出，当黏粒含量为25%时，黏粒附着在砂粒表面并对砂粒进行包裹，与图7中土颗粒的调整过程相互验证。

4 结论

(1)依照规范法拟合所得低应力段的抗剪强度与实际结果不符，做遗址土强度试验时须包含低应力条件，才能获得符合土遗址浅层破坏状态时的真实强度指标值。

(2)添加黏粒后粉砂土强度的增长主要是黏聚力大幅提升。黏聚力随黏粒含量增加呈两段折线型增长(拐点位于黏粒含量10%处)，且高、低应力段黏聚力的差值逐渐减小，直至黏粒含量25%时基本相同。

(3)当黏粒含量大于10%后，遗址粉砂土经历从“类砂土”向“类黏土”的转变，受力骨架由砂粒、砂粒与砂粒表面黏粒共同作用向“黏粒网架”过渡，黏聚力大幅提升，土样抗剪强度显著提高。