董大坤 李亚涛
(河南理工大学能源科学与工程学院，河南 焦作 454000)
物理参数对剪切强度指标影响试验探究
董大坤 李亚涛
(河南理工大学能源科学与工程学院，河南 焦作 454000)
以粘土的含水率、孔隙比为主要调控参数，根据库仑定律，并通过土工试验，对抗剪切强度指标内聚力c和内摩擦角φ的影响因素进行了数据处理拟合分析，得出了一些有应用价值的结论。
含水率，孔隙比，土工试验，抗剪切强度
抗剪切强度作为重要力学参数，是工程稳定性计算当中必不可少的[1]。粘性土的抗剪切强度指标按照摩尔库仑定律提供的模型由土的内聚力c与内摩擦角φ两个部分组成。不论是内聚力还是内摩擦角，都会受到含水率、土体间结合建构、颗粒形状以及与土体的级配和矿物组成成分等物理参数因素的影响[2-5]。
1 试样制备
(1)
(2)
mW0=ms+msW0
(3)
(4)
由上式可以求出所配制的所用水的量及所需土的量：
(5)
(6)
其中，e为设计的孔隙比；W为设计的含水率；ρs为土的颗粒密度；ρd为土的设计干密度；V为土样的设计体积；ms为所需要的土的干量；W0为风干土的含水率；mW0为所需要的风干土；mW为所需要的水的质量。
根据式(5)，式(6)可以得到在配制不同含水率下所对应的风干试验土样的用量和水的用量，如表1所示。
2)为了探究分析孔隙比e对c值，φ值的变化规律及影响，设计研究中把孔隙比e作为变量，在研究过程中，试样含水率都设定为16%，孔隙比以0.1为梯度依次递增，设计孔隙比为0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，同样依据式(5)，式(6)，计算出不同孔隙比试验必要的风干试样用土的用量和水的用量，如表2所示。
2 基本原理
直剪切法是求取粘土抗剪强度的常用方法[5]。试验以库仑定律为根据，粘土的剪切面上施加垂直方向的压力与内摩擦力呈正相关关系。将神东矿区取得的粘土制备若土样，施加各不相同的法向压力且剪切面固定，沿着剪切面加载水平剪力，待试样破坏时，施加的对应剪应力即为所求的试样抗剪强度τf，进而求取c和φ对应的数值。
表1 含水率对c值，φ值影响配比样表
表2 孔隙比对c值，φ值影响配比样表
3 试验结果及分析
3.1 含水率与内聚力c和内摩擦角φ的关系
含水率在粘土抗剪强度指标的影响中，起着特别重要的影响作用，含水率的大小影响到土粒之间蕴含的结合水所占比例，同时结合水对粘土内聚力c有很大的影响，所以土的含水率对粘土抗剪强度指标起着至关重要的作用。由神东矿区松散层粘土抗剪切强度试验得出的不同含水率粘土试样对应的c值，φ值见表3。
表3 不同含水率对应的c值，φ值
考虑环境因素对试验的影响，试验中粘土试样的实际情况与提前设计的参数不能完全吻合，但同一组试样两两之间的含水率误差在0.5%内，总体组别间差距1%左右，基本对试验结果影响不大。在含水率达到29.4%时，由于土质非常松软，导致压制试样过程中，砂土部分溢出，本实验能够测得含水率最大值为29.4%。
根据表3可画W—φ曲线、W—c曲线，如图1，图2所示。
由数据整理并拟合得出φ与W之间的关系式为：
内聚力c与含水率W的关系式可为：
从图1，图2分析可知，对于粘土来说，含水率W与其φ和c都有很大关系，且随着含水率增大，φ和c越来越小。
3.2 孔隙比对内聚力c和内摩擦角φ的影响
土是由三相成分组成，固相是矿物颗粒，液相是水或其他溶液，气相是空气。其中固相的矿物颗粒在粘土中起支撑结构作用，支撑结构间存在着许多液相或气相的物质。衡量粘土空隙的重要指标是孔隙比，其值越大则含水或空气就越多。此外该指标也是粘土土体密实程度的重要衡量依据，其值越小，土体就相对越密实，反之越松散。
在抗剪切试验中孔隙比不同的试样对应c值、φ值如表4所示。
表4 不同孔隙比对应的c值，φ值
根据表4可画e—φ曲线，e—c曲线，如图3，图4所示。
根据拟合关系，内摩擦角φ和孔隙比e满足以下关系式：
内聚力c与孔隙比e的关系式可为：
从图3，图4可以看出对于粘土来说，孔隙比对其内聚力有很大影响，可以看出随着孔隙比的增大内聚力越来越小且幅度较大，而内摩擦角也随着孔隙比的增大而减小，但是幅度不大。
4 结语
本文对神东矿区松散层粘土在不同孔隙比、含水率下进行了相关抗剪切强度试验，并分别分析了含水率W与抗剪切强度指标内聚力c，内摩擦角φ的关系及孔隙比e与抗剪切的强度指标内聚力c，内摩擦角φ的关系，并对产生原因进行了简要分析，得出了以下结论：
[1] 东南大学，浙江大学，湖南大学，等.土力学[M].北京：中国建筑工业出版社,2007.
[2] 顾成权,孙 艳.土体内聚力随含水量、粘粒含量及干密度变化关系探讨[J].水文地质工程地质,2005,32(1):34-36.
[3] 范智杰,屈建军,周 焕.沙土内摩擦角与粒径、含水率及天然坡角的关系[J].中国沙漠，2015(2):301-305.
[4] 李晨晨，徐世光，董 懋，等.昆明南市区浅层软土内聚力与各物理指标之间的相关关系分析[J].价值工程,2016(3):95-97.
[5] 叶佰花.直接剪切试验方法及应用分析[J].土工基础,2012,26(3):109-111.
Experimental study on the physical parameters to shear strength indexes
Dong Dakun Li Yatao
(SchoolofEnergyScienceandEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China)
Taking the moisture content of the clay and porosity as the major parameter, the paper undertakes the data processing fitting analysis for the influence of the civil tests on the cohesioncand inner friction angleφof the shearing strength indexes, according to the law of coulomb and achieves some valuable conclusion.
porosity, moisture ratio, civil test, shearing strength
1009-6825(2016)26-0077-02
2016-07-07
董大坤(1988- )，男，在读硕士
TU432
A
