基于可变能量动力触探确定砂土抗剪强度

基于可变能量动力触探确定砂土抗剪强度

指标方法研究

袁  斌1 ，袁廷彪2，房国庆3

(1. 重庆交通大学 河海学院，重庆  400041)

摘要：为探究含水率对砂土抗剪强度的影响，运用直剪试验和可变能量动力触探试验，对不同含水率下砂土的抗剪强度进行分析，试验结果表明：随着含水率的增加，水分填充了颗粒之间的空隙，形成了润滑层，减小了颗粒之间的接触面积，内摩擦角逐渐减小，从而导致砂土的抗剪强度随含水率的增加而减小。通过摩尔-库伦强度准则建立起锥尖阻力和内摩擦角之间的关系，锥尖阻力与内摩擦角呈正相关关系，随着含水率减小内摩擦角增大，锥尖阻力则会增大。

关键词：可变能量动力触探试验；直剪试验；含水率；抗剪强度；锥尖阻力

The shear strength of sand is determined based on variable

energy dynamic sounding Research on index method

Yuan Bin1, YUAN Tingbiao2, FANG Guoqing3

(Hehai College, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400041)

Abstract: In order to explore the influence of water content on the shear strength of sand, direct shear test and variable energy dynamic penetration test are used to analyze the shear strength of sand under different water content. The test results show that: With the increase of water content, water fills the void between particles, forms a lubricating layer, reduces the contact area between particles, and the internal friction Angle gradually decreases, resulting in the shear strength of sand decreases with the increase of water content. The relationship between the cone tip resistance and the internal friction Angle is established by Moore-Coulomb strength criterion. The cone tip resistance is positively correlated with the internal friction Angle. With the decrease of water content, the cone tip resistance will increase.

Keywords：Variable energy dynamic penetration test；direct shear test； Moisture content ；shear strength ；Cone-tip resistance

引言

在实际岩土工程中，工程地质资料作为工程施工设计的重要依据，往往采用钻探的方式获取，传统的方法只能适用于粘性土和粉土土样钻取获得土的参数，从而对工程有很大的局限性，而且这种钻取方法对于砂土和软土都无法获取准确的参数。因此对工程勘查地质资料具有很大的局限性[1]。

由于可变能量动力触探具有自动化高、易操作性、适应性强等优点，广泛应用于现场相对密实度、抗剪强度等物理力学指标的检测中。

本文基于四联直接剪切仪和可变能量动力触探仪进行室内模型试验测得的数据，对砂土的抗剪强度进行分析，探讨了含水率对砂土的抗剪强度和可变能量动力触探贯入指标的影响。

1 砂土直接剪切试验

1.1试验设备及材料

本试验采用的砂土的天然密度为17.3g/cm-3，通过比重试验测得砂土的相对密度为2.68，将取样后的砂土按照《土工试验方法标准》[2]制成含水率别为 2%、4%、6%、8%、10、12%、14%、16% 和 18%的试样，将制备好的试样，采用应变控制式直剪仪进行试验时，通过在试样上施加垂直压力，然后在水平方向上施加切应力，可以得到土体破坏时的剪应力。根据给定的垂直压力100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，在不同垂直压力下进行试验，以获得相应的剪应力值。

在垂直压力下，对试样施加水平方向上的切应力，求得土体破坏时的剪应力，基于摩尔-库伦定律求得内摩擦角和黏聚力。

1.2 试验结果及分析

1.2.1不同含水率对抗剪强度的影响

通过直剪试验结果，得到了不同含水率条件下砂土的剪应力和垂直应力关系曲线，对曲线进行数值拟合，得到砂土的黏聚力和内摩擦角。

图1不同含水率下砂土的抗剪强度

Fig.1  Shear strength of sand with different moisture content

由图1可知，当土体的含水率不断增大时，土的抗剪强度呈现减小的趋势，这一结果与黄琨等[3]在研究重塑土的含水率和内摩擦角关系中也得出了相应的结论。

1.2.2含水率对的砂土抗剪强度指标的影响

通过对不同的含水率作用下得到抗剪强度的变化规律抗剪强度与垂直压力的关系曲线进行分析，得出抗剪强度参数，得出力学参数的变化趋势，根据摩尔库伦定律可以得出土的内摩擦角和黏聚力，进而得出了含水率和内摩擦角之间的关系，如图2所示：

图2含水率和内摩擦角之间的关系

Fig.2  Relationship between water content and internal friction Angle

根据含水率和内摩擦角关系图可以得到随着含水率的增加土体内摩擦角随之减小，这是因为水对土体颗粒之间的相互作用力起到了润滑的作用。水分填充了土体颗粒之间的空隙，形成了润滑层，减小了颗粒之间的接触面积，从而使摩擦力减小，内摩擦角逐渐减小。

2可变能量动力触探室内模型试验

2.1试验材料及仪器

将试样按照不同含水率制备好，放入试验所需的模型桶中，模型桶的尺寸采用高90cm，直径为60cm的圆桶，根据Abu-farsakh等[4]进行动力触探试验，结果表明当动力触探探头距离刚性模型箱边缘25cm时，可以消除刚边界效应对试验结果的影响，因此本试验在模型桶中心处进行。

2.2试验结果及分析

通过可变能量动力触探试验可以得出不同含水率下砂土的贯入阻力，动贯入阻力计算公式如下：

式中： 锥形探头的动阻力/; 为标准锤质量/；锥形探头的截面积/m2;为每次锤击的锥形探头贯入量/；为触探器质量;为活塞内两测速传感器之间距离/;为通过活塞内两测速传感器的时间/。

图3可变能量动力触探试验实测值

Fig.3  Variable energy dynamic penetration test measured value

通过试验结果可以看出，在相同条件下，含水率越大，土的贯入阻力就越小，这与周文渊[5]等在研究低液限土时得出的结论一致，锥尖阻力随着含水率的增大而减小。

2.3 锥尖阻力与抗剪强度之间的关系

根据Mohr-Coulomb强度准则，建立砂土的抗剪强度表达式：

结合直剪试验结果得到的和值，可以得到可变能量动力触探的锥尖阻力在不同含水率下与内摩擦角之间的关系。

图4锥尖阻力与内摩擦角之间的关系曲线

Fig.4  The curve of the relation between the cone tip resistance and the Angle of internal friction

通过上面的探究在不同的含水率下可变能量动力触探锥尖阻力与内摩擦角之间的关系，可以看出它们之间呈现了一定的规律性，锥尖阻力是通过可变能量动力触探进行原位测得的，内摩擦角是通过室内的直接剪切时间测得的力学参数，通过控制土样的含水率，得到可变能量动力触探锥尖阻力和力学参数之间的关系，通过两者间的线性拟合，得出它们之间的表达式，如下：

由图8和上式可知，砂土的内摩擦角和可变能量动力触探的锥尖阻力具有较好的相关性，由于砂土的抗剪强度随含水率增加而减小，锥尖阻力随含水率增加也呈现减小的趋势，进而可以得到锥尖阻力随内摩擦角增大而增大，林之恒等[6]在研究砂土内摩擦角与静力触探锥尖阻力的关系时，也得出了相应的结论。

3结论

根据砂土的直剪试验和可变能量动力触探室内试验结果，可以得到以下结论：

（1）首先试验材料进行相应的准备和测得砂的相关性质，把从码头取来的砂子进行烘干处理，测出砂子的颗粒级配，得出砂子的颗粒级配曲线，测出土的比重。

（2）采用直接剪切试验方法，对不同含水量的砂土进行了剪切强度的测定。在相同的竖向压力条件下，当含水率较低时，砂土中的颗粒间存在较多的摩擦力，且颗粒之间的黏聚力较小。这使得砂土颗粒相对稳定，互相之间的接触面积较大，颗粒间的摩擦力可以有效地抵抗剪切力的作用，从而使得砂土具有较高的抗剪强度。然而，随着含水率的增加，水分会填充砂土颗粒间的空隙，减小颗粒间的接触面积，导致颗粒间的摩擦力减小，内摩擦角也随之减小。此外，水分还会提供颗粒间的润滑效果，使砂土内部发生流动，减弱了颗粒之间的联系，从而使砂土的抗剪强度下降。

（3）在本次试验中，可变能量动力触探试验在该室内试验中起到较好的结果，在不破坏土体结构的前提下能够测得土体的锥尖阻力，从而能够反算出砂土抗剪强度指标。通过可变能量动力触探室内模型试验的结果，随着含水率的增加，土的锥尖阻力呈现减小的趋势，随着含水率减小，土体内摩擦角随之大，两个表面之间的相对滑动更加困难，因为更多的力需要用于克服摩擦力。因此，锥尖与土体之间的摩擦力增加，从而导致可变能量动力触探探头贯入难度系数增加，锥尖阻力随之增大。

参考文献(References)：

[1]屈磊. 静力触探贯入行为分析与实践[D].长沙理工大学,2013. 

[2]中华人民共和国国家标准GB/T 50123-2019, 土工试验方法标准[S].

[3]黄琨.非饱和土的抗剪强度与含水率关系的试验研究[J].岩土力学, 2012, 33(09):2600-2604.

[4]ABU-FARSAKH M，KHALAD ALSHIBI P E，NAZZAL M，et al.

Assessment of in-situ test technology for construction control of base

courses and embankments[R]. [S. l.]：Louisiana Transportation Research

Center，2004.

[5]周文渊,宋新江,徐海波等.低液限黏土静力触探模型试验研究[J].南水北调与水利科技,2015,13(06):1110-1113.DOI:10.13476/j.cnki.nsbdqk.2015.06.019.

[6]林之恒,冯涛,孟少伟等.砂土内摩擦角与静探锥尖阻力的相关性研究[J].地下空间与工程学报,2018,14(S2):639-644.