含水率對非飽和砂土力學(xué)特性影響的試驗研究

摘要：使用WF 循環(huán)單剪試驗系統(tǒng)，對不同法向應(yīng)力、不同含水率的非飽和砂土在單向剪切作用下的力學(xué)特性進行了系統(tǒng)的試驗研究.砂土含水率為5.4%～25.4%，法向應(yīng)力為25～300 kPa，主要考察含水率、法向應(yīng)力對非飽和砂土力學(xué)特性的影響規(guī)律.試驗結(jié)果表明：存在一個臨界含水率，當(dāng)非飽和砂土含水率大于該臨界含水率時，其剪切應(yīng)力剪切位移關(guān)系將由雙曲線函數(shù)變?yōu)殡p折線函數(shù).當(dāng)非飽和砂土含水率小于臨界含水率時，非飽和砂土的抗剪強度隨含水率增大變化幅度較小.當(dāng)含水率高于該點后，抗剪強度隨含水率增大急劇降低.含水率對土的黏聚力、內(nèi)摩擦角、剪脹性等力學(xué)特性具有重要影響.

關(guān)鍵詞：抗剪強度；含水率；非飽和土；力學(xué)特性；試驗研究

傳統(tǒng)土力學(xué)所描述的對象主要是飽和重塑土，對于非飽和土的強度很難解釋和預(yù)測.實際工程中，場地土多為非飽和土，受到降雨、蒸發(fā)和排水等因素影響，其含水率會經(jīng)常變化且幅度很大.而大量工程實踐及試驗結(jié)果表明，隨著含水率的變化，同一種土的抗剪強度、本構(gòu)關(guān)系、黏聚力、內(nèi)摩擦角等力學(xué)特性都會發(fā)生變化.許多學(xué)者針對含水率變化對土的力學(xué)特性影響問題做了大量的研究[1-6].

繆林昌等[1-3]研究了膨脹土的抗剪強度和含水率的關(guān)系，其直剪實驗結(jié)果表明：土體的抗剪強度隨含水率的增加而下降，含水率的增加對黏聚力的影響比對內(nèi)摩擦角的影響要大.

凌華等[4]在改進的普通三軸儀上進行非飽和土的強度試驗，根據(jù)試驗結(jié)果分析含水量對非飽和土強度的影響，建立了非飽和土的實用強度公式.試驗結(jié)果表明：隨著含水量的增大，強度明顯減小，含水量對強度的影響較大；且在一定含水量范圍內(nèi)，強度指標隨含水量的增大線性減小，并在此基礎(chǔ)上建立了引入含水量的非飽和土實用總應(yīng)力強度公式.

林鴻州等[6]以粉質(zhì)黏土為研究對象，制備不同含水率的土試樣進行直剪試驗，實驗結(jié)果表明：土在含水率較低時其黏聚力隨含水率的增加而減小，內(nèi)摩擦角隨黏聚力的增加而降低.

但是由于含水率對土力學(xué)特性影響問題的復(fù)雜性，針對含水率對土力學(xué)特性影響問題的研究并不系統(tǒng)也遠不夠深入，如含水率變化對土的本構(gòu)模型、強度模型及相關(guān)參數(shù)、剪脹性等影響規(guī)律的核心問題還有待深入.基于以上現(xiàn)狀，本文利用WF循環(huán)單剪儀對重塑砂土在不同含水率及不同壓力下進行剪切試驗，以期研究含水率對非飽和砂土力學(xué)特性的影響，得出含水率對非飽和砂土力學(xué)指標影響的關(guān)系式，并在此基礎(chǔ)上建立引入含水量的非飽和砂土實用總抗剪強度公式，為進一步研究提供試驗基礎(chǔ).

1非飽和砂土抗剪強度試驗

1.1試驗設(shè)備

本試驗在湖南大學(xué) WF 循環(huán)單剪試驗系統(tǒng)上進行.該循環(huán)單剪系統(tǒng)可以進行單向剪切和循環(huán)剪切，可實現(xiàn)位移控制或力控制，豎向可實現(xiàn)壓力恒定或位移恒定，試樣直徑 70 mm，高度可在 0～30 mm 變化，邊界條件為層疊的薄銅環(huán)（單個厚度1 mm）.該儀器對試驗位移的控制精度可達0.001 mm，對力的控制精度可達1 N.王海東等[7]、周芬等[8]用該儀器設(shè)備進行了大量的試驗研究，取得了很多的科研成果，試驗裝置如圖 1 所示.

預(yù)先制備好不同含水率的重塑土樣，用塑料袋密封在密閉保濕容器中靜置1 d后取用.試驗裝樣密實度通過保證試樣干密度與原狀土的干密度相同來控制，即稱取根據(jù)試樣的尺寸大小（直徑70 mm，高20 mm）和目標含水率下的天然密度計算所需的土樣質(zhì)量，分層擊實成型.

試驗剪切過程中采用保持豎向壓力不變的控制模式，單向剪切速率為 1 mm/min，剪切最大位移為10 mm.試驗中考慮法向應(yīng)力以及土樣含水率等因素的變化，其中法向壓力分別為 25，50，100，200，300 kPa 5個等級，含水率為5.4%～25.4%，含水率每級增加1%，共21種含水率.試驗共105個工況.

2試驗結(jié)果及分析

2.1含水率對非飽和砂土本構(gòu)關(guān)系的影響

本試驗通過對21種不同含水率的非飽和砂土分別在法向應(yīng)力為25，50，100，200，300 kPa下進行單向剪切試驗，得到了不同含水率及不同壓力下非飽和砂土的應(yīng)力應(yīng)變曲線關(guān)系及抗剪強度值，通過數(shù)值擬合得到黏聚力及內(nèi)摩擦角.試驗結(jié)果表明，隨著相對切向位移增大， 非飽和砂土的剪切應(yīng)力峰值逐漸增大并趨于穩(wěn)定，剪切應(yīng)力相對位移關(guān)系曲線沒有表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變軟化.

圖 3 給出了非飽和砂土在不同含水率w下剪切應(yīng)力剪切位移（τu）的關(guān)系曲線.從圖中可以看出，隨著含水率的增加，剪切應(yīng)力峰值逐漸減小，并且τu曲線模型也發(fā)生明顯的變化.如圖3（c）所示，在100 kPa的法向應(yīng)力下，當(dāng)w<20.4%時，非飽和砂土的τu曲線模型近似為雙曲線模型，當(dāng)w>20.4%時，τu曲線模型近似為雙折線模型.如圖3（d）所示，在200 kPa的法向應(yīng)力下，當(dāng)w<18.4%時，非飽和砂土的τu曲線模型近似為雙曲線模型，當(dāng)w>18.4%時，τu曲線模型近似為雙折線模型.把τu曲線模型發(fā)生變化的含水率稱之為臨界含水率，記為wcr；以上試驗現(xiàn)象表明，存在一個臨界含水率wcr，當(dāng)非飽和砂土的含水率w低于臨界含水率wcr時，τu關(guān)系曲線近似為雙曲線模型，當(dāng)含水率w高于臨界點含水率wcr時，τu關(guān)系曲線近似為雙折線模型，且不同正應(yīng)力σ下臨界點含水率wcr不同.由本文試驗可知，正應(yīng)力σ越大，臨界點含水率wcr越小.不同法向應(yīng)力下對應(yīng)的臨界點含水率見表 2.

2.2含水率對非飽和砂土抗剪強度的影響

圖 4給出了4條典型含水率時的非飽和砂土抗剪強度試驗曲線，可見各含水率下的抗剪強度值與法向應(yīng)力均表現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，可用摩爾庫倫強度關(guān)系式進行描述：

非飽和砂土的黏聚力隨含水率變化的機理可分析如下：砂土的黏聚力主要來自土中水的毛細作用，即氣水界面的收縮膜上的表面張力的反作用力作用在土粒上，對土粒產(chǎn)生壓應(yīng)力，從而造成土的凝聚力.當(dāng)土中的含水率在一定范圍內(nèi)逐漸增加時，氣水界面的收縮膜也相應(yīng)增加，使得作用在土體內(nèi)的總壓應(yīng)力逐漸增加，黏聚力也逐漸增加，表現(xiàn)為黏聚力隨含水率增加而增加；當(dāng)含水率繼續(xù)增加時，土中原與大氣連通的氣體被水所包圍，形成氣封閉體系，這部分的氣水界面的收縮膜的表面張力不再直接作用于土體上，因此，產(chǎn)生凝聚力的外力減小，且隨著含水率的進一步增大，土粒完全被水所包圍，起到潤滑的作用，從而導(dǎo)致了黏聚力隨著含水率的增加而降低[4].

由此可見， 含水率對非飽和砂土黏聚力有很大的影響，是控制其抗剪強度的重要狀態(tài)參數(shù).

2.2.2含水率對非飽和砂土內(nèi)摩擦角的影響

圖 8 給出了非飽和砂土內(nèi)摩擦角φ與含水率w變化的關(guān)系曲線.從圖中可以看出，隨著含水率增加，砂土的內(nèi)摩擦角逐漸減小，近似為線性關(guān)系；含水率變化對非飽和砂土內(nèi)摩擦角的影響具有階段性.當(dāng)5.4 %

2.3含水率對非飽和砂土剪脹性的影響

剪脹性是指土體在剪切時產(chǎn)生體積膨脹或收縮的特性，主要是由于土顆粒在剪應(yīng)力作用下重新排列而引起的體積變化.

本文主要討論法向應(yīng)力σ及含水率w對非飽和砂土剪脹性的影響規(guī)律.圖9（a）給出了含水率為10.4%的非飽和砂土在不同法向應(yīng)力σ條件下單向剪切試驗的相對法向應(yīng)變ε與剪切應(yīng)力τ的關(guān)系曲線，圖9（b）給出了不同含水率的非飽和砂土在法向應(yīng)力σ=100 kPa條件下的τε關(guān)系曲線，以此作為示例來說明法向應(yīng)力和含水率對砂土力剪脹性的影響.相對法向應(yīng)變以壓縮為正，膨脹為負.

如圖9（a）所示，τε關(guān)系曲線隨著法向應(yīng)力大小不同而呈現(xiàn)出不同的變化趨勢.法向應(yīng)力較小時（25 kPa，50 kPa），相對法向應(yīng)變隨剪切應(yīng)力的增加呈現(xiàn)出先增大后減小，且以減小為主的趨勢，這意味著剪切引起的結(jié)構(gòu)面附近土的體變以剪脹為主. 這主要是因為砂土顆粒的咬合作用，使得土體在剪切時顆粒間產(chǎn)生相互干擾，隨著剪切應(yīng)力的加大，土顆粒相互翻越或抬起，從而使土中產(chǎn)生正的剪脹性[9].當(dāng)法向應(yīng)力較大時（200 kPa，300 kPa），相對法向應(yīng)變隨剪切應(yīng)力的增加而單調(diào)增大，說明剪切引起的結(jié)構(gòu)面附近土的體變表現(xiàn)為剪縮.這主要是因為對土體進行加剪切后，土體中的有些顆粒的接觸點上的剪應(yīng)力增大，有些顆粒的接觸點上剪應(yīng)力減小，由于土的膨脹模量與壓縮模量不同，使得土的膨脹量小于壓縮量而發(fā)生體積壓縮[9]，此外，剪切過程中砂顆粒破碎、平均孔隙率減少及大孔隙消失等原因都會導(dǎo)致土體發(fā)生剪縮[10]

由圖10（a）可知，當(dāng)法向應(yīng)力較小時（25 kPa，50 kPa），相對法向位移隨相對切向位移的增加呈現(xiàn)出先增大后減小，且以減小為主的趨勢，這意味著剪切引起的結(jié)構(gòu)面附近土的體變以剪脹為主；當(dāng)法向應(yīng)力較大時（200 kPa，300 kPa），相對法向位移隨相對切向位移的增加而單調(diào)增大，說明剪切引起的結(jié)構(gòu)面附近土的體變表現(xiàn)為剪縮.由圖10（b）可知，當(dāng)含水率w=6.4%時，相對法向位移隨相對切向位移的增加呈現(xiàn)出先增大后減小，且以減小為主的趨勢.當(dāng)含水率w=10.4%時，相對法向位移隨相對切向位移的增加呈現(xiàn)出先增大后趨于穩(wěn)定且略有減少.當(dāng)含水率w>15.4%時，相對法向位移隨相對切向位移的增加呈現(xiàn)出一直增大，沒有出現(xiàn)減少的趨勢，且隨著含水率的增加，相對法向位移與相對切向位移關(guān)系曲線的斜率不斷增大.

3結(jié)論

1）隨著含水率增加，非飽和砂土的抗剪強度總體呈減小趨勢，且變化具有明顯的階段性，存在一個臨界含水率，當(dāng)含水率小于臨界含水率時，非飽和砂土的抗剪強度隨含水率增大而減小的速率較?。划?dāng)含水率高于該點后，抗剪強度隨含水率增大急劇降低.

2）含水率與非飽和砂土的應(yīng)力應(yīng)變曲線模型有著明顯的相關(guān)關(guān)系.存在一個臨界點，當(dāng)含水率小于臨界點時，土的應(yīng)力應(yīng)變曲線模型近似為雙曲線，當(dāng)含水率高于該臨界點時，土的應(yīng)力應(yīng)變曲線模型近似于雙折線.且該臨界含水率與抗剪強度變化臨界含水率相同.

3）隨著含水率的增加，非飽和砂土黏聚力的大小呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，具有明顯的峰值和階段性.

4）隨著含水率增加，非飽和砂土的內(nèi)摩擦角呈減小趨勢，具有明顯的階段性.

5）含水率對非飽和砂土的剪脹性有明顯影響，在相同的法向應(yīng)力下，隨著含水率的增加，非飽和砂土的剪脹現(xiàn)象逐漸消失，剪縮現(xiàn)象增強.

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