非飽和土的抗剪強(qiáng)度與含水率關(guān)系的試驗(yàn)研究

黃 琨，萬(wàn)軍偉，陳 剛，曾 洋

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢） 環(huán)境學(xué)院，武漢 430074）

1 引 言

土的抗剪強(qiáng)度是表征土體力學(xué)性質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)，抗剪強(qiáng)度主要受土體的種類、結(jié)構(gòu)以及含水率的影響。工程實(shí)踐中，一定區(qū)域內(nèi)土的質(zhì)地和結(jié)構(gòu)一般不會(huì)發(fā)生太大變化，然而在天然情況下，受降雨、蒸發(fā)、灌溉等因素的影響，土體的含水率變化很大，土體的強(qiáng)度主要因含水率的變化而變化。由于傳統(tǒng)土力學(xué)所描述的對(duì)象主要是飽和重塑土，對(duì)于非飽和土的強(qiáng)度則難以解釋和預(yù)測(cè)，于是非飽和土力學(xué)的研究開始受到重視并不斷發(fā)展。特別是在引入土壤學(xué)中基質(zhì)吸力的概念后，許多學(xué)者建立起非飽和土的抗剪強(qiáng)度的理論公式和本構(gòu)模型[1－3]。而室內(nèi)土工試驗(yàn)作為一種最直觀、可靠的方法，可以通過控制試驗(yàn)狀態(tài)來獲取不同條件下土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，并檢驗(yàn)理論公式的正確性。因此，本文在綜合分析前人關(guān)于含水率與土體抗剪強(qiáng)度關(guān)系的試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，以廣西南丹縣瑤寨洼地中的第三系欠固結(jié)粉砂土為研究對(duì)象，土的顆分試驗(yàn)結(jié)果見表 1，通過不同含水率條件下原狀土和重塑土的直剪試驗(yàn)來研究土體抗剪強(qiáng)度與含水率的關(guān)系。

表1 土的顆分試驗(yàn)結(jié)果Table1 Particle distribution of soils

2 既有研究成果綜述

關(guān)于含水率與抗剪強(qiáng)度關(guān)系的試驗(yàn)研究很多，其中以重塑土為研究對(duì)象的居多，但由于制樣過程中控制含水率方法的不同，試驗(yàn)的初始狀態(tài)條件不同，試驗(yàn)的結(jié)果也有較大差異。

2.1 原狀土直剪試驗(yàn)

羅小龍[4]以贛州某公路邊坡花崗巖殘坡積砂質(zhì)黏性土為研究對(duì)象，取7組原狀土樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)。結(jié)果表明：含水率增大，土的抗剪強(qiáng)度降低，土的黏聚力和內(nèi)摩擦角均減小。

2.2 重塑土直剪試驗(yàn)

進(jìn)行重塑土直剪試驗(yàn)是研究土體含水率與抗剪強(qiáng)度關(guān)系最常見的方法，根據(jù)控制含水率方法的不同分為兩種：一種是根據(jù)干密度和添加的水量來控制含水率，另一種是制成土樣后通過浸泡時(shí)間來改變含水率。

林鴻州等[1]以北京粉質(zhì)黏土等3種土為研究對(duì)象，每個(gè)土樣分別制備初始含水率約為0%、5%、10%、15%、20%、25%及飽和的試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：無論何種土，在含水率較低時(shí)其黏聚力隨含水率增加而增加，當(dāng)含水率增加至一定值后，黏聚力隨含水率增加而逐漸減少，內(nèi)摩擦角則隨含水率增加而逐漸降低。梁斌等[5]通過不同含水率的重塑紅黏土的直剪試驗(yàn)研究也得出了類似的結(jié)論，即黏聚力隨含水率增加到一定值后開始下降。

繆林昌[6]、姜獻(xiàn)民[7]等研究了膨脹土的抗剪強(qiáng)度和含水率的關(guān)系，先按一定含水率配制土樣，然后通過浸泡時(shí)間來改變土樣的含水率，從而保證在改變含水率的同時(shí)，土的體積、壓實(shí)度等不變，直剪試驗(yàn)結(jié)果均得出以下結(jié)論：隨著含水率的增加，土體的抗剪強(qiáng)度下降；含水率的增加對(duì)黏聚力的影響比對(duì)內(nèi)摩擦角的影響要大,當(dāng)膨脹土的含水率增加時(shí)，黏聚力的降低程度要大于內(nèi)摩擦角的降低程度，并通過統(tǒng)計(jì)分析推出lgc和lgφ與含水率之間的關(guān)系方程分別為 lgc=a1-b1w 、lgφ=a2-b2w。

上述直剪試驗(yàn)的研究結(jié)果表明，由于控制含水率的方法不同，土的抗剪強(qiáng)度隨含水率變化的規(guī)律也不同。通過控制干密度，添加水量來控制土樣含水率的直剪試驗(yàn)結(jié)果存在一個(gè)臨界含水率。小于臨界含水率時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨含水率增加而增加；大于臨界含水率時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨含水率增加而降低。而通過浸泡方式改變含水率的重塑土試驗(yàn)與原狀土的直剪試驗(yàn)結(jié)果則是隨著含水率的增加，抗剪強(qiáng)度降低，并沒有出現(xiàn)臨界含水率，那么兩種不同結(jié)果的原因是什么？由于既有的研究中，都只對(duì)重塑土或者原狀土進(jìn)行直剪試驗(yàn)，并且所取土的類別也不同，難以分析產(chǎn)生上述結(jié)果的原因。因此，為了保證試驗(yàn)結(jié)果具有對(duì)比性，本研究采取的試驗(yàn)方案是對(duì)原狀土以及兩種不同控制含水率方法的重塑土樣同時(shí)進(jìn)行直剪試驗(yàn)，以研究含水率對(duì)土的抗剪強(qiáng)度的影響。

3 直剪試驗(yàn)

3.1 原狀土

原狀土的直剪試驗(yàn)共做5組，每組6個(gè)樣，先用環(huán)刀將樣切好后放入真空飽和裝置進(jìn)行飽和，然后分別放入烘箱在105°下烘不同時(shí)間，得到含水率w為 13.0%、18.0%、22.4%、24.0%和干土等 5組土樣。每組土樣中 4個(gè)用于直剪試驗(yàn)，分別施加100、200、300、400 kPa的法向壓力進(jìn)行固結(jié)快剪試驗(yàn),剪切速率控制為0.8～1.2 mm/min，2個(gè)用于測(cè)量土的含水率。直剪試驗(yàn)的結(jié)果表明：隨著含水率的增加，剪應(yīng)力降低（見圖1、表2），黏聚力隨含水率呈線性關(guān)系下降（見圖2），內(nèi)摩擦角隨含水率增加而下降，但變化不大（見圖3），含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響主要是降低土的黏聚力。

圖1 不同含水率的原狀土樣的剪切強(qiáng)度曲線Fig.1 Shear strength curves of undisturbed soil samples with different water contents

表2 原狀土樣含水率與黏聚力和內(nèi)摩擦角的關(guān)系Table2 Relationships among cohesion,friction angle and water content of undisturbed soil samples

圖2 原狀土含水率與黏聚力關(guān)系曲線Fig.2 Relationships between cohesion versus water content of undisturbed soil samples

圖3 原狀土樣含水率與內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線Fig.3 Relationships between friction angle versus water content of undisturbed soil samples

3.2 重塑土

重塑土的直剪試驗(yàn)共設(shè)計(jì)2個(gè)方案，兩方案均控制重塑土的干密度與原狀土的干密度相同，第 1種方案通過添加水量來制備含水率w為 3.0%、6.0%、9.0%、12.0%、15.0%、18.0%、21.0%、24.0%、25.0%、26.0%、27.5%等11組土樣，每組樣4個(gè)，分別施加100、200、300、400 kPa的法向壓力進(jìn)行固結(jié)快剪試驗(yàn)，剪切速率控制為0.8～1.2 mm/min。第2種重塑土的試驗(yàn)方案，是先按照原狀土的干密度制備含水率為 25.0%的土樣，然后放置烘箱中，通過烘烤不同時(shí)間來改變含水率，最后得到含水率為5.5%、12.2%、16.9%、19.5%、22.5%、25.0%及烘干土等7組土樣。每組6個(gè)土樣，4個(gè)用于固結(jié)快剪試驗(yàn)，分別施加100、200、300、400 kPa的法向壓力，2個(gè)用于測(cè)量含水率。

第 1種方案的重塑土直剪試驗(yàn)結(jié)果如圖 4～6所示。由圖4可見：含水率與黏聚力的關(guān)系曲線分為3段。當(dāng)含水率w＜12%時(shí)，隨著含水率的增加，黏聚力也增大；當(dāng)含水率12.0%＜w＜24.0%時(shí)，隨著含水率增加，黏聚力近似呈直線下降；當(dāng)w＞24.0%時(shí)，黏聚力隨含水率增加，急劇下降。整體上隨含水率的增加內(nèi)摩擦角變小，但沒有明顯的線性關(guān)系，內(nèi)摩擦角的值在 27°～32°之間波動(dòng)（見圖5）。與黏聚力類似，土的抗剪強(qiáng)度也隨含水率的增加先變大，然后逐漸降低（見圖6、表3）。

圖4 第1種方案重塑土樣含水率與黏聚力的關(guān)系曲線Fig.4 Relationships between cohesion and water content of remolded soil samples in the first scheme

圖5 第1種方案重塑土樣含水率與內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線Fig.5 Relationships between friction angle and water content of remolded soil samples in the first scheme

圖6 不同含水率下第1種方案重塑土樣的剪切強(qiáng)度曲線Fig.6 Shear strength curves of soil of remolded soil samples in the first scheme with different water contents

表3 第1種方案重塑土含水率與黏聚力和內(nèi)摩擦角的關(guān)系Table3 Relationships among cohesion,friction angle and water content of remolded soil samples in the first scheme

第2種方案的重塑土直剪試驗(yàn)結(jié)果表明，在保持土樣結(jié)構(gòu)、密實(shí)度相同的條件下，通過烘烤的辦法來改變含水率的直剪試驗(yàn)結(jié)果與原狀土的試驗(yàn)結(jié)果有著相同的規(guī)律。由圖7可知，隨著含水率的增加，土的黏聚力不斷下降，含水率與黏聚力的關(guān)系曲線分為兩直線段，含水率較大的直線段斜率較大，說明在接近飽和含水率時(shí)，土的黏聚力急劇下降。含水率對(duì)內(nèi)摩擦角的影響相對(duì)較小，整體上隨著含水率增加，內(nèi)摩擦角也變?。ㄒ妶D8）。隨含水率的增加，土的抗剪強(qiáng)度逐漸下降（見圖9、表4）。

圖7 第2種方案重塑土樣含水率與黏聚力的關(guān)系曲線Fig.7 Relationships between cohesion and water content of remolded soil samples in the second scheme

圖8 第2種方案重塑土樣含水率與內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線Fig.8 Relationships between friction angle versus water content of remolded soil samples in the second scheme

圖9 不同含水率下第2種方案重塑土樣的剪切強(qiáng)度曲線Fig.9 Shear strength curves of remolded soil samples in the second scheme with different water contents

表4 第2種方案重塑土含水率與黏聚力和內(nèi)摩擦角的關(guān)系Table4 Relationships among cohesion,friction angle and water content of remolded soil samples in the second scheme

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

從本次原狀土和重塑土的直剪試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著含水率的增加，土的抗剪強(qiáng)度下降，含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響主要是降低土的黏聚力，對(duì)內(nèi)摩擦角的影響較小。含水率與黏聚力之間的關(guān)系可以由兩個(gè)直線段描述，第2直線段的斜率要大于第1直線段，這表明，當(dāng)含水率達(dá)到一定值（接近飽和含水率時(shí)），土的黏聚力急劇下降。

本次試驗(yàn)中第1種方案的重塑土直剪試驗(yàn)結(jié)果與前人的重塑土試驗(yàn)結(jié)果具有相同的規(guī)律，即在含水率很低時(shí)，隨含水率增加土的抗剪強(qiáng)度也增加；當(dāng)含水率達(dá)到一定值時(shí)，隨著含水率的增加，土的抗剪強(qiáng)度降低。而原狀土和第2種重塑土方案的直剪試驗(yàn)結(jié)果則隨著含水率的增加，土的抗剪強(qiáng)度不斷下降，且可以用兩段直線來描述含水率與黏聚力之間的關(guān)系。

出現(xiàn)初期隨含水率增加，抗剪強(qiáng)度增加的重塑土試驗(yàn)，由于其在制樣的方法是保持干密度不變，通過添加不同質(zhì)量的水來控制含水率，不同含水率的土樣其壓實(shí)度不相同，土的抗剪強(qiáng)度的變化由含水率和壓實(shí)度共同影響。由于制作重塑土是使用烘干土壓實(shí)而成，干土的土顆粒之間沒有黏聚力，當(dāng)含水率較低時(shí)，隨著含水率的增加，一方面使土樣的密度增大，另一方面土顆粒之間因水的吸附作用，使土具有一定的黏聚力而使得抗剪強(qiáng)度增大，但此時(shí)的強(qiáng)度很低，而隨著含水率的增加到一定值后，土顆粒間的結(jié)膜水厚度變大，孔隙水壓力造成有效應(yīng)力降低，從而又使土體抗剪強(qiáng)度降低；而通過烘烤法改變含水率的原狀土，因其未改變土在沉積過程中形成的結(jié)構(gòu)，隨著含水率的降低，土顆粒之間的孔隙水壓力消散，土的基質(zhì)吸力變大，土的抗剪強(qiáng)度則增加。因此，出現(xiàn)最優(yōu)含水率的重塑土直剪試驗(yàn)，由于制樣方法在改變含水率的同時(shí)，還改變土樣的壓實(shí)度和結(jié)構(gòu)，并未保證所有土樣在同一初始狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)，土的抗剪強(qiáng)度變化則是由含水率和其他因素共同影響，因此，其結(jié)果不能用于描述含水率與抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系。而原狀土和第 2種重塑土方案的直剪試驗(yàn)，在制樣過程中保持所有土樣顆粒之間結(jié)構(gòu)不變，通過烘烤法或浸泡法來改變含水率，其試驗(yàn)結(jié)果可用于研究含水率與土的抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系。

4 結(jié) 論

（1）隨著含水率增加，土的抗剪強(qiáng)度降低，土的黏聚力和內(nèi)摩擦角均下降，含水率對(duì)黏聚力的影響比內(nèi)摩擦角要大。土的黏聚力與含水率的關(guān)系可以用兩段直線來描述，當(dāng)含水率達(dá)到一臨界值時(shí)，黏聚力急劇下降。

（2）由于本文僅是對(duì)第三系的粉砂土進(jìn)行研究，不同地區(qū)的土其強(qiáng)度與含水率的關(guān)系可能不盡相同，含水率還可以與黏聚力的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系，但綜合既有的研究成果，土的抗剪強(qiáng)度與含水率之間的關(guān)系總是可以通過直剪試驗(yàn)的結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析來求得。

（3）通過控制干密度，添加不同質(zhì)量的水來改變土樣含水率的重塑土直剪試驗(yàn)，其結(jié)果表明，在含水率較低時(shí)，隨含水率增加，土的抗剪強(qiáng)度也增加，但這并不能說明是因?yàn)楹实脑黾犹岣吡送恋目辜魪?qiáng)度，而是由于制樣的方式在改變土的含水率的同時(shí)，還改變了土的結(jié)構(gòu)，沒有保證試驗(yàn)只有含水率是惟一變量。因此，在進(jìn)行重塑土的土工試驗(yàn)時(shí)，如何控制試驗(yàn)的狀態(tài)，是獲取正確結(jié)果的關(guān)鍵。

（4）由于本文的研究?jī)H僅是粉砂土，并只對(duì)干密度這一組試驗(yàn)進(jìn)行研究，未對(duì)不同干密度條件進(jìn)行對(duì)比研究，因此，對(duì)于其他類型的土以及不同干密度條件下的土體抗剪強(qiáng)度與含水率的關(guān)系是否符合本文試驗(yàn)所總結(jié)的規(guī)律尚未可知，還有待于進(jìn)一步深入研究。尤其是對(duì)于原狀土的試驗(yàn)研究相對(duì)較少，在控制含水率的方法上以及接近飽和含水率時(shí)，土的強(qiáng)度變化規(guī)律等都還需要進(jìn)一步的探討和研究。

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