潍坊中南部平原地区粉土强度特性试验研究

摘要：以潍坊中南部地区可作为高层基础持力层的粉土作为研究对象，通过室内试验，获得粉土颗粒级配曲线、粉土试样的基本物理力学特性指标，以及不同含水率和压实度条件下粉土试样的轴向变形与偏应力。对试验结果分析发现，粉土试样颗粒级配较好，能够达到较高的压实度；根据小于最优含水率时不同含水率条件下的屈服应力，确定了粉土层应变硬化与软化的临界点位置，认为含水率、压实度及围压是影响抗剪强度的主要因素；最终获得了小于最优含水率时区域性粉土剪切极限状态线拟合方程，并发现极限状态线的斜率M（s）及其在偏应力轴上的截距μ（s）均为与含水率无关的常数。

关键词：粉土；含水率；压实度；屈服应力；极限状态线

中图分类号：TU411文献标识码：A文章编号：

16721683（2014）02005405

Research on Silt Intensity in the Plain Area of Southcentral Weifang

XING Guoqi1，2，XIAO Hongtian1，LI Dayong1

（1.Shandong Province Key Laboratory of Geotechnical and Structural Engineering，

Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China；

2.College of architectural engineering，Weifang University，Weifang 261061，China）

Abstract：The silt in the plain area of southcentral Weifang can be used as the bearing stratum of the foundation for highrise buildings.

Laboratory experiments were conducted to obtain the grading curve of silt，physical properties of silt，and the axial deformation and deviatoric stress of silt under different moisture contents and degrees of compaction.The test results showed that the silt has a good grading to reach a relatively high degree of compaction.According to the yield stress under different water contents which were less than the optimal water content，the critical point of strain hardening and softening was determined.Water content，degree of compaction，and confining pressure were the main influence factors of the shear strength.The fitting equation of shear limit state for the regional silt was obtained when the water content was less than the optimal water content，and M（s）（slope） and μ（s）（intercept） were all constants which were independent of water content.

Key words：silt；water content；degree of compaction；yield stress；line of limit state

地质勘探表明，潍坊地区地表下大约2 m左右分布着厚度较大的粉土层，其中北部地区粉土属于黄河三角洲成因，为高含盐粉土[1]，不少学者对其进行了理化性质[25]以及动力力学与静力力学性质的研究[612]，为该粉土层的工程利用奠定了基础；而潍坊中南部地区粉土属于冲洪积平原成因，与北部地区粉土层在物理力学性质上相差较大：北部地区由于靠近沿海，粉土层属于饱和粉土，土中存在自由水，极易振动液化失水，地基承载力较低，不能作为基础持力层；而中南部地区的粉土则是在水力作用下经长途搬运、沉积而形成的第四纪松散河流堆积物，位于地下水位以上（地下水位大约位于地表下10 mm左右，粉土层厚度大约8 m左右），属于非饱和粉土。工程实践中发现在外力作用下该粉土层构成的基坑侧壁位移较小，由此判断中南部粉土层具有较高的强度，可作为高层基础持力层。不过查阅相关文献资料，尚未发现对该粉土性质的研究。因此本文以该区域某深基坑选取的粉土为研究对象，分析了影响粉土强度特性的因素，为进一步建立该地区粉土的实用本构关系方程奠定了基础。

1粉土基本物理性能

1.1试验土样

试验采用的土样采集于潍坊中南部某深基坑7 m深处粉土。粉土试样X衍射试验及能谱分析表明，其矿物成分以α石英为主，含有少量姜石及铁质氧化物等，主要化学成分为C、O、Si、Al、Fe等，试样平均含盐量为0098%，属于非盐渍类粉土。

1.2土样颗粒级配

按照土工试验方法标准（GB/T 501231999）[13]中的筛析法（d≥0075 mm）与密度计法（d<0075 mm）进行粉土颗粒级配试验，结果显示：粒径位于0005～0075 mm之间的粉粒含量平均超过70%，粒径小于0005 mm的粉粒含量平均不超过9%，粒径大于0075 mm的粉粒含量平均不超过30%。由土样颗粒级配曲线（图1）得到的不均匀系数平均值为76，因此土样属于级配较好粉土，能够得到较大的压实系数。

图1粉土颗粒级配曲线

Fig.1Grading curve of silt

1.3原状粉土基本物理指标

对潍坊中南部地区某深基坑开挖前进行了钻孔取样，孔深1500～3500 m。岩土勘察表明，粉土呈黄褐色，稍湿，密实度为中密―密实状态，干强度及韧性低。通过对原状粉土进行常规物理性质试验，得到粉土的基本物理指标见表1。

2粉土强度

2.1试验设备

试验设备采用TSZ 3020型应变控制式三轴仪，全自动数据采集。按照土工试验标准规定，粉土试样的直径为391 mm和高度为80 mm。粉土试样剪切速率按照UU试验要求采用0399 3 mm/min。

2.2试验方案

由于原状粉土难以获取，很易受到扰动，粉土试样制样费时费力，难度较大。本次试验选取了深基坑7 m深度处的粉土，将其风干后得到了风干状态粉土试样。测得风干状态下粉土试样的天然含水率为37%。本次试验选用的含水率分别为37%、11%、13%、15%及17%，粉土试验的压实度选用80%、90%及95%，分别进行100 kPa、200 kPa、300 kPa及400 kPa围压下的三轴剪切试验。粉土原状土样采用碾压、烘干、过筛等步骤，按照文献[14]介绍的方法以及土工试验方法标准（GB/T 501231999）进行击实制样。

2.3试验结果分析

2.3.1围压对变形与强度的影响

图2给出了压实度K=90%，含水率ω=37%、13%、15%及17%时粉土试样在不同围压下的轴向变形（ε1）与偏应力（σ1-σ3）关系曲线。从图2中可以看出风干状态下（ω=37%）的粉土试样呈现应变软化现象；随着含水率的增大（ω=13%、15%及17%）各围压下的应力应变曲线呈现应变硬化状态。由此可以总结如下规律，一定含水率条件下，存在着一个特定的屈服应力值，当围压大于该屈服应力值时，应力应变曲线呈现硬化现象；当围压低于该含水率条件下的屈服应力时，应力应变关系呈现软化现象。通过本试验得到不同含水率条件下的屈服应力值分别为ω=37%，（σ1-σ3）s=400 kPa；ω=13%、15%、17%，（σ1-σ3）s=100 kPa。分析其他压实度（K=80%、95%）和含水率条件下的应力-应变曲线，也得到类似的规律。据此可初步计算出不同含水率时粉土持力层的应变硬化与软化分界点的位置。例如，压实度K=90%，含水率ω=13%时粉土层的硬化与软化分界点的位置位于地表下h=（σ1-σ3）s/γ=6 m左右。

2.3.2含水率对变形与强度的影响

图3给出了压实度K=90%，σ3=200 kPa、400 kPa时，不同含水率条件下轴向变形与偏应力之间的关系曲线。从图3中可以看出：低围压时（σ3=200 kPa），风干状态下的粉土试样呈现应变软化现象；随着含水率的增大，逐渐趋向应变硬化现象；高围压时（σ3=400 kPa），风干状态下的粉土试样应变软化现象弱化，同一围压时随着含水率增大，抗剪强度减小。

图2压实度90%时围压对粉土应力-应变关系影响

Fig.2The influence of confining pressure on stressstrain of

silt when degree of compaction is 90%

从土样颗粒级配试验中可以看出粉土细粒径含量较多，因此即使压实度较大，由于细小颗粒之间形成的空隙缺乏黏粒填充，压实后细颗粒之间仍然存在较多的空隙与气体，造成粉土试样最大干密度相对其他砂土与黏土来说较小。粉土颗粒之间的联结作用主要是由胶结作用与静电引力引起的，毛细水联结也起到一定的作用。粉土中的黏粒含量较少，所产生的固化内聚力也较小，当含水率低时，粉土不易保持原状，很容易破碎；随着含水率增大，由毛细水引起的联结力呈现减弱态势，加上粉土颗粒级配未达到良好状态，势必造成颗粒之间的摩阻力较小。

图3压实度90%时含水率对粉土应力-应变关系影响

Fig.3 The influence of water content on stressstrain of

silt when degree of compaction is 90%

2.3.3压实度对变形与强度的影响

图4、图5给出了含水率ω=37%、17%时，σ3=200 kPa、400 kPa时，不同压实度下轴向变形与偏应力之间的关

图4含水率3.7%时压实度对粉土应力-应变关系影响

Fig.4The influence of degree of compaction on stressstrain of

silt when water content is 37%

系曲线。由图4可以看出，低围压作用下应变曲线呈现软化现象，且随着压实系数的增大，抗剪强度值增大。高围压作用下应变曲线呈现应变硬化现象，围压大于400 kPa时，压实系数的增大对抗剪强度影响不大。含水率为ω=17%（图5），低围压时压实系数越大，抗剪强度增大幅度较大；随着围压的增大，压实系数对粉土试样的抗剪强度影响越来越小。通过试验可以发现，含水率增大将使得粉土试样在较大围压作用下的应力-应变关系服从双曲线形式。

图5含水率17%时压实度对粉土应力-应变关系影响

Fig.5 The influence of degree of compaction on stressstrain of

silt when water content is 17%

〖HJ]

3粉土试样屈服特性

文献[15]研究得到非饱和土在qp平面上的极限状态线函数关系式为：

q=M（s）p+μ（s）（1）

式中：M（s）和μ（s）分别为极限状态线的斜率和q轴上的截距，两者都与吸力有关。

图6为压实度为90%时400 kPa围压时不同含水率时的极限状态线。由图6可知，不同含水率时的极限状态线为直线，并且M（s）是与含水率无关的常数，该结论与文献[15]得出的M（s）与吸力无关且为常数的结论一致，本次试验得到的M（s）=30。极限状态线在偏应力轴上的截距μ（s）表示的是含水率对强度的贡献。本次试验由于进行的是粉土的剪切试验，试验采用的含水率小于粉土试样最优含水率（ω=193%），即含水率位于最优含水率的左侧，可以看出截距μ（s）也是常数。因此，粉土试样的极限状态线拟合方程为：

q=30p-12003（2）

由该拟合方程得到μ（s）=1497 kPa。

对粉土而言，除了以上qp平面内的屈服，还存在qω、pω平面内的屈服。图7、图8分别给出了围压对粉土试样在qω、pω平面内破坏时屈服轨迹的影响。由此可以得出，粉土试样的含水率位于最优含水率左侧时，随着含水率的增大，围压小于400 kPa时粉土试样破坏屈服时的平均应力p与偏应力q均呈减小趋势；围压较大时，含水率的增大使得粉土试样破坏屈服的平均应力p与偏应力q呈先减小后增大再减小的趋势。

图6含水率影响下的qp平面内的屈服轨迹

Fig.6The yield locus of qp plane under the

influence of water content

图7围压影响下的qω平面内的屈服轨迹

Fig.7The yield locus of qωplane under the

influence of confining pressure

图8围压影响下的pω平面内破坏内的屈服轨迹

Fig.8The yield locus of pωplane under the

influence of confining pressure

4结论

（1）通过对潍坊中南部地区粉土试样进行颗粒级配试验，得到土样颗粒级配曲线的不均匀系数平均值为76，属于级配较好粉土，试验证实能够得到较大的压实系数。

（2）粉土试样在不同含水率时存在着一个屈服应力值，当围压大于该屈服应力值时，应力应变曲线呈现硬化现象，当围压低于该含水率条件下的屈服应力时，应力应变关系呈现软化现象。

（3）粉土试样在低围压剪切时（σ3=100 kPa、200 kPa），风干状态下的粉土试样呈现应变软化现象，随着含水率的增大，逐渐趋向应变硬化现象。高围压剪切时（σ3=300 kPa、400 kPa），风干状态下的粉土试样应变软化现象弱化，同一围压时随着含水率增大，抗剪强度减小。

（4）粉土试样在低围压剪切时应力-应变曲线呈软化现象，随着压实系数的增大，抗剪强度增大。高围压剪切时应力-应变曲线呈应变硬化现象，围压大于400 kPa时，压实系数的增大对抗剪强度影响不大。

（5）粉土试样在不同含水率时的极限状态线为直线，并且M（s）是与含水率无关的常数。由于试验含水率小于粉土试样最优含水率（ω=193%），也即含水率位于最优含水率的左侧，截距μ（s）随含水率不发生变化也为常数。

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