排水溝邊坡分層土直剪及與土工織物摩擦試驗(yàn)研究

周　波，王紅雨，王小東

排水溝邊坡分層土直剪及與土工織物摩擦試驗(yàn)研究

周波1，3，王紅雨1，2，王小東1

（1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏銀川 750021；
2.寧夏大學(xué)寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，寧夏銀川750021；3.銀川能源學(xué)院，寧夏銀川750105）

為研究含水率對農(nóng)田排水溝邊坡土抗剪強(qiáng)度的影響，對取自邊坡頂層、中層、底層的5種不同含水率的試樣在不同正應(yīng)力下進(jìn)行不固結(jié)不排水快剪試驗(yàn)，研究其抗剪強(qiáng)度及與2種土工織物摩擦系數(shù)的關(guān)系。結(jié)果表明，隨著含水率增加，各層土的粘聚力降低，內(nèi)摩擦角減小，排水溝頂層土減小幅度較為緩慢。各層土與白色人革基布的摩擦系數(shù)隨著含水率增加而降低，排水溝底層土在含水率小于10%時(shí)降低緩慢，超過10%時(shí)才大幅度降低；各層土與黑色丙綸無紡布的摩擦系數(shù)隨著含水率增加開始是降低的，含水率超過10%時(shí)會有小幅度上升，但總體仍是降低的。

農(nóng)田排水溝；邊坡；土壤含水率；抗剪強(qiáng)度；土工織物；摩擦系數(shù)

0　引言

由于特殊的地理環(huán)境和地質(zhì)條件，寧夏北部引黃灌區(qū)，農(nóng)田排水溝道受流砂層及干濕與凍融交替循環(huán)作用的影響，平均2年必須整治一次，有些地方甚至年年需要維修。雖然采取了許多治理措施，但在運(yùn)行2年～3年之后，便會發(fā)生局部滑坡。土壤的抗剪強(qiáng)度是表征土壤力學(xué)性質(zhì)的一個(gè)主要指標(biāo)，直接反映了土壤在外力作用下發(fā)生剪切變形破壞的難易程度［1］，土壤抗剪強(qiáng)度越大，則在徑流沖刷力的作用下，土壤抵抗徑流的剪切破壞能力也就越強(qiáng)，從而可以減緩?fù)寥狼治g或滑坡的發(fā)生［2］。大量研究表明，土壤含水率是影響土壤抗剪強(qiáng)度的重要因素［3-6］。倪九派等［7］對淺層滑坡體不同層次土壤在不同含水率條件下的不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)表明，土壤抗剪強(qiáng)度與土壤含水率密切相關(guān)。王來貴等［8］采用直剪試驗(yàn)測定不同含水率及壓實(shí)度狀態(tài)下巖土的抗剪強(qiáng)度，得到含水率及壓實(shí)度對巖土抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律。楊永紅等［9］通過對裸地和桉樹林地2種土壤在不同土壤含水率、不同深度的非飽和土直剪試驗(yàn)，研究了含水率變化對提高邊坡穩(wěn)定性的影響。張榮等［10］以三峽庫區(qū)黃土滑坡滑帶土為研究對象，研究了其在不同法向壓力和含水率下抗剪強(qiáng)度的特性。黃斌等［11］為了研究含水率對滑帶土強(qiáng)度及變形特性的影響，選取某大型滑坡滑帶土進(jìn)行不同初始飽和度的常規(guī)三軸固結(jié)排水（氣）剪切試驗(yàn)。駱以道［12］研究含水率變化對壓實(shí)土抗剪強(qiáng)度的影響，尋找一種簡化實(shí)用的非飽和壓實(shí)土抗剪強(qiáng)度的確定方法。倪九派等［13］選擇廣泛分布于重慶丘陵山區(qū)的鈣質(zhì)紫色土和中性紫色土，通過室內(nèi)三軸剪切試驗(yàn)，測定含水率和干密度交互作用對土壤抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響。以上研究很少考慮土壤的層次性。

對滑坡體而言，不同層次土壤理化性質(zhì)存在差異，對土壤抗剪強(qiáng)度的影響也不同。本文在寧夏引黃灌區(qū)農(nóng)田排水溝邊坡取不同層次的土樣，通過直剪試驗(yàn)研究含水率的變化對不同土層抗剪強(qiáng)度的影響。選取2種土工織物，研究不同層次不同含水率的土與土工織物抗剪強(qiáng)度的變化，以期為寧夏引黃灌區(qū)農(nóng)田排水溝邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)、施工以及水土保持提供理論依據(jù)。

1　試驗(yàn)材料和方法

1.1土壤直剪試驗(yàn)

1.1.1試驗(yàn)土壤

本試驗(yàn)于2015年7月分別在寧夏青銅峽葉盛鎮(zhèn)勝利溝坡體的頂坡、中坡、底坡各挖2個(gè)水平方向約0.5 m的平行剖面，3組平行剖面分別記為試樣①、②和③，將①、②、③這3組試樣水平方向分為3個(gè)層次（A層：0～10 cm；B層：10～25 cm；C層：＞25 cm）。用Φ61.8mm×20mm的環(huán)刀取樣，每個(gè)剖面的每個(gè)層次取10個(gè)土樣，共180個(gè)。通過直剪試驗(yàn)得到每組試樣的抗剪強(qiáng)度，根據(jù)莫爾-庫侖準(zhǔn)則，得出粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ。

將①組 A、B、C的3層土樣混合均勻，過2 mm篩，制備剪切試驗(yàn)的①號土樣。同樣制備②、③號試樣。3組土樣的物理性質(zhì)見表1。

表1　試驗(yàn)土壤物理性質(zhì)

1.1.2試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

對①、②、③號土樣分別設(shè)計(jì)5個(gè)不同含水率（2%、5%、10%、15%和18%），把制作好的土樣裝入容器中燜蓋一晝夜，配制成不同含水率的散狀土樣。實(shí)測各試樣含水率與試驗(yàn)設(shè)計(jì)含水率誤差為±0.9%，以下試驗(yàn)結(jié)果均按實(shí)際含水率計(jì)算。按設(shè)計(jì)的含水率計(jì)算需水量（去離子水）mw，公式如下

式中，mo為風(fēng)干土質(zhì)量；vo為風(fēng)干土含水率；v1為制樣要求的含水率。

根據(jù)土壤含水率以及設(shè)計(jì)的土壤干容重，稱取一定質(zhì)量的土樣，分層均勻地裝入制樣器內(nèi)擊實(shí)，制成供試驗(yàn)用的直剪試件。試件高度為2 cm，直徑為6.18 cm。單個(gè)試樣濕土的質(zhì)量m1按下式計(jì)算

m1=（1+0.01 vo）ρdV（2）

式中，ρd為設(shè)計(jì)試樣的密度；V為試樣體積。

采用南京土壤儀器有限公司的ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀進(jìn)行不固結(jié)不排水快剪試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中垂直荷載設(shè)置100、200、300kPa和400 kPa等4個(gè)等級，剪切速率為0.8 mm/min。本次試驗(yàn)在土樣上、下分別用濾紙和透水石進(jìn)行試驗(yàn)，每種處理進(jìn)行2次重復(fù)，取平均值。

1.2土工織物與土直剪摩擦試驗(yàn)

1.2.1土工織物準(zhǔn)備

本試驗(yàn)選用土工織物為儀征市海城非織造材料有限公司生產(chǎn)的白色人革基布和黑色丙綸無紡布。基本參數(shù)見表2。

表2　土工織物基本參數(shù)

1.2.2試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀。將剪切好的土工織物對正玻璃塊用乳膠粘貼，織物上部放置一平板，施加200 N荷載靜置24 h，將貼好土工織物的玻璃塊置于直剪儀下盒，上盒裝土，進(jìn)行直剪摩擦試驗(yàn)。玻璃塊至少要制備3～4塊，便于進(jìn)行不同垂直荷載下剪切試驗(yàn)使用。與下盒內(nèi)填土相比較，下盒內(nèi)墊玻璃塊并用乳膠粘貼優(yōu)點(diǎn)在于減少了剪切盒邊框部分的織物延伸，且提高了試驗(yàn)指標(biāo)的穩(wěn)定性。

試驗(yàn)過程中垂直荷載設(shè)置100、200 kPa和300 kPa等3個(gè)等級，剪切速率為0.8 mm/min。摩擦系數(shù)f按下式計(jì)算

式中，τf為抗剪力；F為實(shí)測峰值水平推力；A為試樣面積；σ為法向壓力。

2　試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1土與土的抗剪強(qiáng)度

不同含水率的各層土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（粘聚力c與摩擦角φ）見表3。不同含水率的各層土的粘聚力c、摩擦角φ與含水率w的擬合公式見表4。

表3　不同含水率的各層土的抗剪強(qiáng)度

圖1為各層土粘聚力c、摩擦角φ與含水率w關(guān)系。從圖1看出，①號土樣的c總體呈減小趨勢，但變化趨勢具有顯著的階段性［14］：w從2%增大到6%時(shí)，曲線梯度較大，c快速減小，總體減小32.8%左右；②號土樣w從2%增加到10%時(shí)，c減小緩慢，w從10%增加到18%時(shí)c減小較快，總體減小18.51%；③號土樣w從2%增大到5%時(shí)，c減少梯度較快，而當(dāng)w從5%增大到18%時(shí)，曲線梯度較緩，c總體減小24.04%，且具有顯著的線性特征［15］?？傮w上，土體的粘聚力c大?。号潘疁系撞浚局胁浚卷敳?；粘聚力c減少量：中部＜底部＜頂部。相比于含水率w對粘聚力c的影響，含水率w對內(nèi)摩擦角φ的影響則相對較小。隨著w的增加，φ整體下降，但只是小幅度波動，大約30%是由于水的作用使顆粒間的摩擦效應(yīng)減弱，摩擦系數(shù)降低。因此，含水率w對抗剪強(qiáng)度的影響主要是降低土的粘聚力c，而對內(nèi)摩擦角φ的影響較小。

表4　各層土c、φ與w的擬合公式

圖1　各層土c和φ與含水率w的關(guān)系

圖2為不同含水率土樣的粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ與不同土體密度ρd的關(guān)系曲線。從圖2可以看出，ρd隨著ρd的增大，土樣的c總體呈增大趨勢。當(dāng)ρd從1.551增大到1.718時(shí)，曲線變化量較小，c緩慢增大；但當(dāng)ρd從1.718增大到1.885時(shí)，曲線變化較大，c快速增大，同樣具有線性特征，并有明顯的階段性。隨著壓實(shí)度的增大，土樣的內(nèi)摩擦角φ小幅度增加，在排水溝底層內(nèi)φ最大，含水率越低φ越大。含水率較小時(shí)，ρd越大，土顆粒間的相互作用越顯著，水膜聯(lián)結(jié)力越大，顆粒膠結(jié)越好，e粘聚力更大。同樣狀態(tài)下，顆粒間的摩擦作用加強(qiáng)，土的摩擦系數(shù)就會增大，使得內(nèi)摩擦角φ也會上升。

圖2　不同含水率土樣c和φ與土密度ρd的關(guān)系

2.2土工織物與土的摩擦系數(shù)

表5為2種土工織物與不同層次土樣在不同含水率條件下的摩擦系數(shù)f。擬合公式見表6。各層土不同含水率w與2種土工織物摩擦系數(shù)f的關(guān)系見圖3。

表5　2種土工織物與各土層之間摩擦系數(shù)f

表6　各層土不同含水率w與2種土工織物摩擦系數(shù)f擬合公式

圖3　各層土不同含水率w與2種土工織物摩擦系數(shù)f的關(guān)系

從圖3a可知，隨著①、②、③號土樣含水率w的增加，摩擦系數(shù)f下降。①號土樣w從2%增加到10%時(shí)，與白布的摩擦系數(shù)f下降了20.19%；w從10%增加到18%時(shí)，f下降了42.14%，總體降低53.83%。②號土樣w從2%增加到10%時(shí)，與白布的摩擦系數(shù)f下降了24.12%；w從10%增加到18%時(shí)，f下降了43.08%。總體降低56.81%。③號土樣w從2%增加到10%時(shí)，與白布的摩擦系數(shù)f下降了12.94%；w從10%增加到18%時(shí)，f下降了57.57%?？傮w降低63.07%。結(jié)果表明，①、②、③號土樣與白布的摩擦系數(shù)降低變化均表現(xiàn)為在含水率低時(shí)，摩擦系數(shù)降低少；含水率增加時(shí)，摩擦系數(shù)降低迅速。尤其是③號土樣，即排水溝底部土壤，在含水率較低小于10%時(shí)，摩擦系數(shù)降低了最少，為12.04%；當(dāng)含水率增加時(shí)，摩擦系數(shù)迅速下降了63.07%。

從圖3b可知，隨著①、②、③號土樣含水率w的增加，摩擦系數(shù)下降f較快。①層土樣w從2%增加到10%時(shí)，與黑布的摩擦系數(shù)f下降了19.39%；w從10%增加到18%時(shí)，f反而上升了8.8%。但摩擦系數(shù)總體還是降低了12.28%。②號土樣w從2%增加到10%時(shí)，與黑布的摩擦系數(shù)f下降34.89%；w從10%增加到18%時(shí)，f又增加了0.84%。摩擦系數(shù)總體降低35.44%。③號土樣w從2%增加到10%時(shí)，與黑布的摩擦系數(shù)f下降了37.27%；w從10%增加到18%時(shí)，f增加了12.05%。摩擦系數(shù)總體降低了29.72%。結(jié)果表明，①、②、③號土樣與黑布的摩擦系數(shù)均是含水率低時(shí)，摩擦系數(shù)降低；含水率超過10%時(shí)，摩擦系數(shù)會稍有提高，但總體摩擦系數(shù)還是降低的。

各層土不同密度ρd與2種土工織物摩擦系數(shù)f的關(guān)系見圖4。從圖4可知，①、②、③號土樣不管與黑布還是白布均表現(xiàn)為含水率越低，摩擦系數(shù)越大，即土樣與土工織物的摩擦系數(shù)隨著含水量的增加而降低，隨著土層密度增加而稍有上升。黃琨等［16］指出，隨著含水率的進(jìn)一步增大，土顆粒表面的結(jié)合水膜也會隨之增厚，較厚的水膜提高了筋-土間的潤滑作用，導(dǎo)致織物與土間的摩擦力降低。因此，隨著含水率的提高，土與織物的摩擦系數(shù)降低。

3　結(jié)語

本文通過寧夏引黃灌區(qū)農(nóng)田排水溝邊坡不同層次土的直剪試驗(yàn)，研究含水率的變化對不同土層抗剪強(qiáng)度的影響，以及各層土與2種土工織物摩擦力的變化，得到結(jié)論如下：

（1）隨著含水率的增加，①、②、③號土，也就是排水溝頂部、中部和底部土的粘聚力隨著含水率的增加而降低。粘聚力大?。号潘疁系撞浚局胁浚卷敳?。粘聚力減少幅度：中部＜底部＜頂部。

（2）各層土內(nèi)摩擦角均隨含水量的增加而減小，表現(xiàn)為：底層＞中層＞頂層。

（3）各層土與白色人革基布的摩擦系數(shù)都是隨著含水率的增加而降低。排水溝底層土與織物摩擦系數(shù)在含水率小于10%時(shí)降低緩慢，超過10%時(shí)才大幅度降低。摩擦系數(shù)降低幅度：排水溝底部＞中部＞頂部。

（4）各層土與黑色丙綸無紡布的摩擦系數(shù)隨著含水率的增加開始是降低的，當(dāng)含水率超過10%時(shí)，摩擦系數(shù)會有小幅度上升，但是總體是降低的。摩擦系數(shù)降低幅度：排水溝中層＞底層＞頂層。

圖4　各層土不同密度ρd與2種土工織物摩擦系數(shù)f的關(guān)系

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（責(zé)任編輯楊?。?/p>

Comparative Study on Shear Strength of Drainage Ditch Slope Soil and Its Friction Coefficient with Geotextile

ZHOU Bo1，3，WANG Hongyu1，2，WANG Xiaodong1
（1.School of Civil and Hydraulic Engineering，Ningxia University，Yinchuan 750021，Ningxia，China；2.Ningxia Engineering Technique Research Center for Water Saving Irrigation and Water Resources，Ningxia University，Yinchuan 750021，Ningxia，China；3.Yinchuan Energy Institute，Yinchuan 750105，Ningxia，China）

In order to study the influence of water content on the strength of farmland drainage ditch slope soil，five soil samples with different water contents in the top-level，middle-level and bottom of slope are selected respectively to conduct the triaxial shearing tests under unconsolidated-undrained condition and the friction coefficients between these soils and two kinds of geotextile.The experimental data indicate that:（a）the soil cohesive forces decrease gradually and the soil internal frictional angles decrease linearly with the increasing of soil water content，while the reduction of top-level soil is less than others；（b）the friction coefficients with white leather geotextile decreases gradually with the increasing of soil water content，in which，that decreases slowly for bottom soil with a water content less than 10%and rapidly for bottom soil with a water content greater than 10%；and（c）the friction coefficients with black polypropylene non-woven fabrics decreases firstly and then increases slightly when the water content is more than 10%，but the general trend is gradually decrease.

farmland drainage ditch；slope；soil water content；shearing strength；geotextile；friction coefficient

TU411.7

A

0559-9342（2016）02-0111-05

2015-11-11

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41462010）

周波（1982—），女，寧夏中寧人，講師，博士研究生，主要從事溝渠系水工結(jié)構(gòu)研究；王紅雨（通訊作者）.