石家庄市区第一层砂土室内试验研究

2019-02-21段永乐秦艳婷李娜辉

岩土工程技术 2019年1期

段永乐秦艳婷李娜辉

（1.中国兵器工业北方勘察设计研究院有限公司，河北石家庄 050011；2.河北省地下空间工程岩土技术创新中心，河北石家庄 050011；3.石家庄铁道大学四方学院，河北石家庄 051132）

0 引言

砂土是一种非线性弹塑性材料［1］，非饱和砂土的本构关系复杂，在不同的环境条件、荷载条件以及颗粒组成等条件下，表现出不同的本构特征［2-3］，目前还没有一个模型能够适合任何环境下的砂土。

工程中砂土的力学指标一般采用原位测试数据通过经验公式或地区经验取得。根据工程经验，砂土的黏聚力一般取0 kPa，这与实际工程中非饱和砂土的临时自稳表征不符。基于上述原因，本文从砂土参数的实际应用角度出发，利用室内试验对砂土的物理力学性质进行研究，分析含水率变化对砂土力学指标的影响，确定砂土的工程特性，为工程设计及施工提供了参数取值依据。

1 研究对象

石家庄市区位于太行山东麓冲洪积扇中上部，太行山南段山麓平原区（冀中平原）西部，属太行山山前冲洪积平原，宏观地貌属山前倾斜平原类型［4］。自第四纪地质时期以来，由于受滹沱河的冲洪积作用，形成了自身的冲洪积扇群，规模较大。

石家庄市区第一层砂土一般埋深3.0～7.0 m，最大埋深约12.0 m；一般层厚4.0～8.0 m，最大层厚约14.0 m。分选性较好，具有明显的水平层理，纯净的砂土以灰白色为主。该地区工民建以多层及高层为主，基底埋深约地表下1.5～10.0 m，特殊工程基坑深度大于20.0 m，基坑深度范围内揭露地层多为黏性土、粉土及砂土，其中砂土作为散体材料，不容易采取原状试样，且采取原状试样室内试验的成本高、难度大，缺乏相关方面的室内试验指标。

1.1 砂土类型划分

在石家庄市区均布选取不同区域的砂土作为研究对象，采取77件第一层砂土试样进行筛分试验，对试验结果统计分析可知：石家庄市区第一层砂土以中砂和细砂为主，占样本总量约88%，具体统计结果见图1。通过分析砂土颗粒级配试验数据，该层砂土多集中处于细砂和中砂的定名界限上，即砂土样本中“大于0.25 mm颗粒质量占比”和“大于0.075 mm的颗粒质量占比”均比较大，所以石家庄市区第一层砂土可以定义为细中砂。

图1 石家庄市区第一层砂土采取试样各类型占比

1.2 砂土的天然密度

沿市区胜利大街及建设大街南北方向，分段选取代表性区域作为研究对象进行试验分析。外业钻探选用DPP100型、DPP150型及SH30型钻机，冲击钻进，待揭露第一层砂土后，安装THD30型取砂器，每隔1～2 m采用重锤少击法或压入法取样。

试样的天然密度采用环刀法测定，试验结果为：粉砂的天然密度为1.73～1.83 g/cm3，细砂的天然密度为1.50～1.77 g/cm3，中砂的天然密度为1.50～1.68 g/cm3。砂土的类型、天然密度及埋深的关系见图2。

图2 砂土的天然密度与深度的关系

1.3 标准砂的选取

试验用标准砂取自河北省委建设工程土地，工程位于维明大街与裕华路交口西北角，属于市区中西部区域。该区域砂土呈灰白色，分选性较好，原状砂土具有明显的层理结构，经筛分试验测定砂土为细中砂。砂土的取样深度为—7.5 m，天然密度为1.50 g/cm3，天然含水率为4.0%。

1.3.1 相对密实度

砂土的密实状态对其工程性质影响很大。砂土的密实程度越大则强度越高、压缩性越小，其工程特性越好；反之，砂土密实程度越松散则强度越低、压缩性越大，其工程特性越差。砂土的颗粒大小、形状及级配受区域沉积环境及自然条件的影响，相同密实度及孔隙比的砂土未必处于同一状态，所以工程上常用相对密实度Dr来衡量砂土的松紧状态。

式中：ρdmax——砂土的最大干密度，g/cm3；

ρdmin——砂土的最小干密度，g/cm3；

ρd——砂土的天然干密度，g/cm3。

砂土的最小干密度试验采用漏斗法和量筒法，进行两次平行测定，取两次测值的平均值：ρdmin=1.38 g/cm3；砂土的最大干密度试验采用振动锤击法，进行两次平行测定，取两次测值的平均值：ρdmax=1.74 g/cm3。标准砂的天然干密度为ρd=1.44 g/cm3。

标准砂的相对密实度为Dr=0.20，介于0～1/3之间，砂土层处于疏松状态。

取该场地标准砂深度附近6.0～9.0 m范围内42个标准贯入试验数据进行对比分析，实测锤击数N=7～19击，修正后锤击数N′=6.3～16.2击，实测锤击数平均值=13.2击。根据《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）（2009年版），试验样本中79%处于松散—稍密状态，21%处于中密状态。

上述两种判别砂土密实程度的方法得到的结论相似，说明标准砂原状试样扰动程度较小，能够较好的反应砂土的原位特性。

1.3.2 颗粒分析试验

砂土的颗粒粒径构成主要通过颗粒分析试验获得，颗粒分析试验采用筛分法测定，分析筛的孔径分别为2.0 mm、0.5 mm、0.25 mm、0.075 mm，筛后各级筛上和筛底试样质量的总和与筛前试样总质量的差值不大于试样总质量的1%。筛分结果见表1。

表1 标准砂各粒径留筛质量

绘制标准砂的颗粒分析试验曲线（见图3），可以查得砂土粒组的土粒含量：d10=0.035 mm，d30=0.18 mm，d60=0.31 mm，d50=0.28 mm（平均粒径）。

图3 标准砂的粒径分布曲线

砂土的级配好坏可由砂土中的颗粒均匀程度及粒径分布曲线形状来反应，采用不均匀系数Cu及曲率系数Cc作为衡量标准。试验结果表明，标准砂的Cu=8.86大于5；Cc=2.98，介于1～3之间，所以该样本颗粒粒径组成连续，级配良好。

2 砂土的力学参数

考虑到砂土的矿物成分、形状、级配、含水率、密度、结构及应力历史均会影响其抗剪强度指标，本次采用同一沉积环境、矿物组分及沉积年代的砂土作为研究对象，在相同的试验条件下制备重塑砂土，其结构及应力历史均相同，假定含水率的变化是影响砂土抗剪强度指标的唯一因素。

2.1 自然休止角

自然休止角为砂土在松散状态堆积时，其坡面与水平面所形成的最大倾角，是砂土的重要指标之一。自然休止角试验可以测定砂土在风干状态下和水下状态的休止角。

依据《土工试验规程》（SL 237—1999）无黏性土休止角试验要求，采用直径100 mm托盘测定的自然休止角试验结果详见表2。

表2 自然休止角试验结果

2.2 抗剪强度指标

2.2.1 砂土的直剪试验

直剪试验采用南京土壤仪器厂生产的四联直剪仪，垂直压力分别为100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，剪切速率为0.8 mm/min。

根据试验含水率要求制备砂土试样，砂样实际含水率分别为2.33%、5.36%、6.30%、10.78%及14.65%。直剪试验中控制试样干密度为天然干密度（即1.44 g/cm3），根据不同的含水率称取相应质量的砂样，实际所需的试样质量与含水率关系详见表3。

表3 不同含水率条件下所需的试样质量

将称取的砂样倒入剪切容器内，抚平表面，敲击震动剪切容器，使试样颗粒之间相互填充，直至剪切容器内的砂样高度不再变化为止。依次完成仪器安装，调整好仪表后开始试验，记录测力计和位移读数，剪切位移达到6 mm时停机，试验结束。

以抗剪强度为纵坐标，垂直压力为横坐标，根据数值偏差对试验结果进行取舍，绘制抗剪强度与垂直压力关系曲线，直线的倾角为内摩擦角，直线在纵坐标上的截距为黏聚力。重塑砂土在剪切过程中随着剪切位移的增加剪应力不断增大，无峰值，取剪切位移达4 mm时所对应的剪应力作为抗剪强度，分析结果详见表4。将试验所得到的抗剪强度指标进行统计，取对应含水率条件下的指标平均值作为标准砂的抗剪强度指标。

2.2.2 砂土的黏聚力

砂土处于饱和或干燥状态时，黏聚力为0 kPa；非饱和砂土一般具有一定的自立能力，因此黏聚力大于0 kPa。非饱和砂土的黏聚力主要是由基质吸力引起的，因此也称为假黏聚力。基质吸力通常与水的表面张力引起的毛细现象紧密相关，毛细压力使砂土结构内的压应力增加，提高了非饱和砂土的抗剪强度，在抗剪强度构成上主要表现为假黏聚力的存在。

非饱和砂土的假黏聚力受含水率及黏粒含量等因素的影响，在一定含水率范围内，砂土的假黏聚力呈现出逐渐增加的趋势，参见砂土的直剪试验结果（见表4）。

表4 不同含水率条件下标准砂抗剪强度指标

2.2.3 砂土的内摩擦角

内摩擦角是岩土工程设计中的重要参数，反应了颗粒之间摩擦特性和颗粒的抗剪切强度。颗粒之间的摩擦特性主要表现为滑动摩擦；抗剪切强度主要表现为颗粒间的嵌入和联锁作用产生的咬合力。

砂土的抗剪强度受颗粒物理属性及砂土状态影响，其中，砂土的物理属性包括矿物成分、粒径、级配及颗粒形状；砂土状态包括土体结构、密实程度、有效应力状态等［5］。

标准砂试样的物理状态、应力历史及颗粒组成相同，可以认为标准砂处于不同含水率条件下的内摩擦角相同，因此取不同含水率条件下所测得的内摩擦角平均值=28.6°）作为标准砂的内摩擦角。可以认为，当砂土干密度为ρd=1.44 g/cm3，相对密实度为Dr=0.20，砂土处于疏松状态时的内摩擦角为φ=28.6°。