工程建设标准化2024年7期

砂性土力学性质影响因素研究

谢楚瑜

重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074

摘要：探讨砂性土在土木工程领域中发挥的关键承重功能，本文分析了砂性土力学性质的变异性及其对土工结构稳定性的影响。详述了颗粒级配与含水率两大主要因素如何共同作用于砂性土的力学行为，进而辨识出其他潜在影响因素。室内试验方案的精心设计保证了实验数据的准确性与可靠性，试验结果的严谨分析揭示了不同条件下砂性土力学性质的动态变化规律。

关键词：砂性土；力学性质；颗粒级配；含水率

1 绪论

1.1 砂性土的力学性质及其重要性

砂性土作为土木工程常见的基建材料，其力学性质直接关联到工程结构的稳定性与安全性。力学性质的优劣影响着建筑物、道路、桥梁等土工工程的设计与施工。砂性土的抗剪强度、压缩性以及弹性模量等参数，是评估其适宜性的关键指标。在地震、水灾等自然灾害的环境作用下，砂性土的力学响应尤其重要，对防灾减灾工程的成功实施具有重要作用。因此，对砂性土力学性质的深入研究有助于提升土木工程的设计理念，降低建筑工程风险，确保工程质量和人民生命财产的安全。

同样，砂性土在农业土壤改良、岛礁种植、水利工程防渗、海岸及荒漠地区防风固沙等领域中也展示了其不容忽视的作用。例如，在灌溉工程中，砂性土强排水性的特点能够避免土壤过湿，有利于作物生长。因此，系统分析砂性土力学性质及其影响因素，对于推动其在多行业的应用具有显著的科学价值和实践意义。

1.2 影响砂性土力学性质的主要因素

砂性土力学性质的多样性源于其内部结构与外界条件的复杂互动。颗粒大小分布即颗粒级配是决定砂性土力学行为的基础因素之一，直接影响土体的孔隙率、渗透性和抗剪强度等参数。颗粒间相互作用的几何特征和接触状态，进一步决定了砂性土的宏观力学特性。此外，含水率的变化能显著改变砂性土的粘聚力和内摩擦角，从而对其稳定性产生直接影响。环境条件，如温度和化学侵蚀，亦可通过改变土粒间的吸附力和电化学特性，间接调控砂性土的力学行为。人为施工过程中的压实度和加载速率对砂土力学性能也有重要影响，因而，量化这些因素对砂性土力学性质的作用机制，对于提升土工设计的精度和工程安全等级至关重要。

2 试验方案与测试方法

2 室内试验方案设计

针对砂性土力学性质的室内实验设计旨在模拟并分析颗粒级配、含水率及其他环境因素如何综合作用于土体。试验计划包括不同粒径沙土的筛选与配制，以创建具有代表性的颗粒级配模型。控制变量方法应用于含水率参数，通过精确调控和量化土样的含水量，确保试验结果的比较性和准确性。利用标准压实试验来模拟现场压实条件，借助直剪试验和三轴压缩试验，分别研究砂性土的抗剪强度与变形特性。实验数据收集和处理过程中，使用先进的土工测试仪器和数据分析软件，以提高试验精度和结果解释的科学性。此室内试验方案确保了理论模拟与实际应用之间的桥梁，为进一步研究提供坚实基础，同时反映了工程实际中砂性土力学性质的真实情况。

2.2 试验测试方法介绍

本研究采用了直剪试验、三轴压缩试验方法，深入探究砂性土力学性质受诸多因素的影响。通过直剪试验，可以得出砂性土在不同正应力作用下的抗剪强度，以明确其抗剪强度随含水率和颗粒级配的变化规律。三轴压缩试验用以分析土体在不同围压条件下的应力-应变响应和变形特征，以研究砂性土的压缩性和弹性模量。所有试验均按照国家标准和行业规范进行，确保试验数据的可靠性与有效性，采集的数据经过仔细分析，将作为评估和预测砂性土在各类土工项目中应用性能的科学指标。

3 试验结果分析与讨论

3.1 颗粒级配对砂性土力学性质的影响

颗粒级配作为控制砂性土物理与力学行为的重要因素，对土体的密实度、孔隙率、渗水特性具有直接影响。实验表明，细颗粒含量较高的砂性土表现出较大的压缩性和较低的抗剪强度，这是由于细颗粒易于重排使得土体在应力作用下更容易发生变形。相对于粒径较大的沙粒，细颗粒之间的紧密摩擦和相互嵌挤效应显著提高了土体的整体稳定性。级配良好的砂性土，则由于颗粒之间较佳的互锁作用，显示出更为优异的承载能力和较低的变形率。因此，在考虑使用砂性土作为建筑材料或基础承载层时，挑选适当的颗粒级配，对于保证结构的稳固性和耐久性至关重要。

3.2 含水率对砂性土力学性质的影响

含水率作为影响砂性土力学特性的重要参数，其变化会显著改变砂性土的抗剪强度、压缩性和耐久性。研究发现，在一定范围内，含水率的增加会导致砂性土内摩擦角的减小，从而降低抗剪强度。当水分填满土颗粒之间的孔隙，颗粒间的有效接触点减少，水的润滑效应进一步减弱了砂性土的摩擦抗力。此外，含水率的升高还会引起砂性土压缩模量的下降，使土体在荷载作用下更易压缩变形。根据有效应力原理，土壤含水率从0变化到饱和，有效应力减小，土壤抗剪强度变小。由于水在砂性土受力反应中的作用不可忽视，工程中需通过对含水率的科学控制，有效管理并预防因水分变化引起的结构问题。因此，确保砂性土的适宜含水率，是优化土体力学性能、提高工程结构稳定性和延长使用寿命的关键措施。

3.3 其他因素对砂性土力学性质的影响

除了颗粒级配和含水率，砂性土力学性质受多种其他因素影响，如土粒矿物成分、土体密度、应力路径、加载速率等。矿物成分的差异决定了土粒间的物理和化学结合力，从而影响了砂性土的抗压强度和衰减特性。土体密度，即压实度，对砂性土的承载能力和变形特性发挥着关键作用。应力路径即加载的方式和顺序对土体结构的破坏模式及其力学响应具有决定性影响，非常规的应力路径往往导致复杂的应力应变关系。而加载速率，特别是在快速加载条件下，对砂性土的动态响应和长期的蠕变行为产生影响。认识并量化这些因素对砂性土的共同作用，不仅能够提高对砂性土行为的理解，还能指导实际工程中的土体处理和改良措施，保障工程的安全与经济性。

4 结语

本文经过系列室内试验和理论分析，得出砂性土力学性质受到颗粒级配、含水率及其他环境因素的综合影响的结论。试验表明，细颗粒含量的增加会导致砂性土压缩性增强，抗剪强度下降，而较好的颗粒级配能够提高砂性土的承载能力与稳定性。含水率对砂性土的刚度和强度有显著影响，水分的存在改变了土粒之间的接触状况，降低了内摩擦力，从而影响结构的安全。另外，诸如土粒矿物成分、土体密度、应力路径、加载速率等因素，也对砂性土的力学特性产生了不可忽视的影响。这些发现对土木工程设计、施工及砂性土改良方法的选择具有重要指导意义。总结砂性土的行为模式和控制因素，为工程领域中砂性土的应用提供了理论基础和实践依据。

参考文献

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