含水率對殘坡積土強度特性的影響

王闖， 董金玉， 王明龍， 李夢姿， 張培培

(1.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045; 2.深圳市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心,廣東 深圳 518034;3.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司,河南 鄭州 450003)

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含水率對殘坡積土強度特性的影響

王闖1， 董金玉1， 王明龍2， 李夢姿1， 張培培3

(1.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045; 2.深圳市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心,廣東 深圳 518034;3.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司,河南 鄭州 450003)

水對邊坡土體的變形和強度有著重要的影響。通過對三峽庫區(qū)某邊坡殘坡積土進(jìn)行不同含水率下的直剪試驗，研究含水率對其剪應(yīng)力-位移以及強度的影響規(guī)律。結(jié)果表明：殘坡積土在低含水率下的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系呈應(yīng)變軟化，在高含水率下呈應(yīng)變硬化，且含水率較低時豎向壓力對殘坡積土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線亦有影響，隨著豎向壓力增加，剪切軟化現(xiàn)象逐漸減??；土體抗剪強度隨著含水率的增大而呈非線性減小，減小的速率表現(xiàn)出先大后小的特征，土體塑限為其抗剪強度減小快慢的分界點；土體黏聚力隨著含水率的增大呈二次多項式形式減小，土體內(nèi)摩擦角整體上隨含水率的增大而變小，但變化規(guī)律不明顯。

殘坡積土；含水率；剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系；抗剪強度；黏聚力；內(nèi)摩擦角

抗剪強度是表征土體力學(xué)性質(zhì)的一個重要指標(biāo)，其主要受土體的種類、結(jié)構(gòu)以及含水率的影響。工程實踐中，一定區(qū)域內(nèi)的土體質(zhì)地和結(jié)構(gòu)一般不會發(fā)生太大變化;然而，受降雨、蒸發(fā)、灌溉等因素的影響，土體的含水率變化很大。故對特定區(qū)域土體而言，其強度變化主要受含水率的影響[1]。因此，一些學(xué)者針對含水率對土體抗剪強度的影響進(jìn)行了試驗研究。凌華等[2]在改進(jìn)的普通三軸儀上進(jìn)行了不同含水量的非飽和土強度試驗，根據(jù)試驗結(jié)果建立了非飽和土的實用強度公式。申春妮等[3]對重塑非飽和土進(jìn)行了一系列控制吸力、含水率和干密度的直剪試驗，發(fā)現(xiàn)非飽和土的黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨含水率的增加而線性減小。張海明等[4]對非飽和粉土進(jìn)行不同含水量、不同剪切速率的大型直剪試驗，得到不同含水量重塑非飽和粉土試樣的抗剪強度指標(biāo)(c、φ)隨含水量的增大，呈現(xiàn)先升高后減小的變化趨勢。孟慶云等[5]對重塑膨脹土進(jìn)行不同初始含水率的直剪試驗發(fā)現(xiàn)，隨初始含水率的增加，膨脹土體的黏聚力、內(nèi)摩擦角有先增大后減小的趨勢。邊加敏等[6]對粉質(zhì)黏土進(jìn)行不同含水量下的直剪試驗，得到非飽和土含水量與黏聚力近似呈二次曲線關(guān)系、與內(nèi)摩擦角近似呈線性關(guān)系的結(jié)論。林鴻州等[7]通過壓力板儀和直剪儀組合試驗，探討了擊實土抗剪強度和基質(zhì)吸力的關(guān)系。李險峰[8]通過8組不同含水率的千枚巖碎屑土滑坡土體的三軸排水剪切試驗，研究了含水率對滑坡土體力學(xué)特性的影響。陳小龍等[9]對三峽庫區(qū)黃土滑坡滑帶土進(jìn)行不同含水率的直剪試驗，發(fā)現(xiàn)滑帶土黏聚力及內(nèi)摩擦角均隨含水率的增大近似呈線性減小的趨勢。高彥斌等[10]對上海第4層淤泥質(zhì)黏土進(jìn)行直剪試驗發(fā)現(xiàn)，無論是快剪還是慢剪的抗剪強度均無明顯峰值，且慢剪的強度增加較慢。胡波、黃志全和姜彤等[11-13]分別以膨脹土為研究對象，研究基質(zhì)吸力對其抗剪強度的影響。林鋒等[14]對不同含水量的滑帶土重塑樣進(jìn)行快剪試驗，發(fā)現(xiàn)重塑樣內(nèi)聚力隨含水量的增加呈現(xiàn)小—大—小的變化規(guī)律。

由于受土體骨架結(jié)構(gòu)、土顆粒礦物成分、黏粒含量、應(yīng)力歷史等內(nèi)部條件的影響，非飽和土抗剪強度隨含水率變化的規(guī)律對于不同的土體明顯不同。因此，本文以三峽庫區(qū)某邊坡殘坡積土為研究對象，通過不同含水率下的直剪試驗，研究含水率對殘坡積土抗剪強度特性的影響。

1　殘坡積土的基本物理力學(xué)性質(zhì)

試驗所用土樣取自三峽庫區(qū)某邊坡殘坡積土，如圖1所示。室內(nèi)液塑限試驗測得該土的10 mm液限為24.9%，塑限為16.0%，塑性指數(shù)為8.9，為粉土。其物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

圖1　殘坡積土

干密度ρd/(g·cm-3)比重Gs天然含水率w/%液限/%塑限/%塑性指數(shù)Ip1．92．7011．0～14．024．916．08．9

殘坡積土試樣的顆粒級配曲線如圖2所示，粉粒含量(0.005～0.075 mm)最高，占51%；黏粒含量(<0.005 mm)占2.1%。不均勻系數(shù)Cu=20.69>5，曲率系數(shù)Cc=1.21，該殘坡積土土樣級配良好。

圖2　殘坡積土試樣粒徑分布曲線

2　強度特性直剪試驗

2.1試驗方案

試樣制樣時控制的干密度為1.85 g/cm3，制備含水率(w)為8.0%、10.0%、12.0%、14.0%、16.0%、18.0%、20.0%、22.0%、24.0%、26.2%(飽和)的10組土樣，每組土樣4個。分別施加100、200、300、400 kPa的豎向壓力進(jìn)行快剪試驗。試驗是在FDJ-ZO型非飽和土直剪儀上進(jìn)行的，剪切速率控制為0.8 mm/min?？辜魪姸鹊娜≈禈?biāo)準(zhǔn)為：若剪切位移在6 mm范圍內(nèi)出現(xiàn)峰值強度，則取該峰值強度作為該級垂直壓力下的抗剪強度；否則，取剪切位移4 mm所對應(yīng)的剪應(yīng)力作為該級垂直壓力下的抗剪強度。

2.2應(yīng)力與位移關(guān)系

10組土樣的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3　不同含水率下剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

由圖3可以看出，土體含水率對剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線有著重要的影響。在含水率低于14.0%時，不同豎向壓力下的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線呈剪切軟化型，在剪應(yīng)力增大到峰值之后，剪應(yīng)力隨剪切位移的繼續(xù)增大而迅速減小，最后趨向于一穩(wěn)定值；在含水率高于14.0%時，不同豎向壓力下土樣的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線呈現(xiàn)剪切硬化的特征，開始剪切時剪應(yīng)力迅速增加，當(dāng)其剪切達(dá)到一定程度后，其剪切強度趨于穩(wěn)定，即剪切強度基本上保持不變。

殘坡積土的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因可以用基質(zhì)吸力來解釋。在含水率較低時，土體中由于基質(zhì)吸力的存在使土體穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)力增大，在抵抗外力作用時表現(xiàn)為土體強度的增加，當(dāng)外力作用使土體產(chǎn)生破壞時，這種結(jié)構(gòu)力必然損失，強度明顯下降，即出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。隨含水率的增加，土體中基質(zhì)吸力逐步降低，結(jié)構(gòu)力相應(yīng)減小，土體在外力作用下出現(xiàn)破壞時，相應(yīng)的強度下降沒有高基質(zhì)吸力情況時明顯，因此剪切過程就可能看不到明顯的軟化。

此外，從圖3(a)—(d)還可以發(fā)現(xiàn)，含水率較低時豎向壓力對殘坡積土的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線亦有影響。以含水率為12.0%時的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線為例，在豎向壓力為100 kPa時，剪應(yīng)力-剪切位移曲線呈剪切軟化型，隨著豎向壓力增加，剪切軟化現(xiàn)象逐漸減小，在豎向壓力達(dá)到400 kPa時，剪應(yīng)力-剪切位移曲線的剪切軟化現(xiàn)象基本消失。

2.3含水率對抗剪強度的影響

不同含水率下殘坡積土的抗剪強度見表2，不同豎向壓力下抗剪強度隨含水率的變化曲線如圖4所示。

表2　不同含水率下殘坡積土的抗剪強度

圖4　不同豎向壓力下抗剪強度隨含水率的變化曲線

由表2和圖4可以看出，相同豎向壓力作用下，殘坡積土抗剪強度隨含水率的增加呈非線性減小。當(dāng)含水率為8.0%～16.0%(液限含水率)時，殘坡積土的抗剪強度降低明顯，尤其當(dāng)含水率為14.0%～16.0%時，抗剪強度迅速降低；而當(dāng)含水率達(dá)到液限之后，抗剪強度變化不明顯。

從表2中可以看出，相同含水率下，豎向壓力從100 kPa增加至400 kPa，土樣抗剪強度可提升2～3倍。其主要作用機理是，高豎向壓力剪切過程中，在法向應(yīng)力與剪應(yīng)力的共同作用下，土中孔隙水滲透至上剪切盒土樣表面，使上、下剪切盒接觸面的非飽和粉土含水量降低，剪切面土體顆粒之間的咬合越來越密實，土中孔隙水壓力下降，土顆粒之間有效應(yīng)力增加，抗剪強度隨之提高[4]。

2.4含水率對抗剪強度參數(shù)的影響

不同含水率下殘坡積土的抗剪強度參數(shù)(黏聚力和內(nèi)摩擦角)值見表2并如圖5所示。

圖5　抗剪強度參數(shù)隨含水率的變化關(guān)系曲線

從圖5(a)中可以看出，黏聚力隨含水率的增大而減小，呈現(xiàn)非線性變化。尤其在含水率為8.0%～20.0%這一區(qū)段，含水率對黏聚力的削減作用是非常明顯的；而在含水率達(dá)到22.0%之后，黏聚力相對穩(wěn)定，變化不明顯。

對黏聚力與含水率之間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，可以近似用二次拋物線形式來表示：

c=0.224w2-14.133w+221.84，

(1)

式中：c為殘坡積土的黏聚力，kPa；w為含水率，%。

此外，從圖5(b)中可以看出，土體的內(nèi)摩擦角整體上隨含水率的增加而變小，但變化規(guī)律不明顯，其值在16.4°～23.2°間波動。

3　結(jié)語

1)低含水率殘坡積土的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線呈剪切軟化型；隨著含水率的增加，在土體含水率大于塑限后，其剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線趨于剪切硬化型。

2)殘坡積土的抗剪強度隨含水率的增大呈非線性降低，含水率從8.0%到塑限，抗剪強度顯著降低，而含水率從塑限到飽和含水率26.2%，抗剪強度降低不明顯，土體塑限為抗剪強度減小快慢的分界。

3)殘坡積土黏聚力隨著含水率的增大呈二次多項式形式減小，土體內(nèi)摩擦角整體上隨含水率的增加而減小，但變化規(guī)律不明顯；含水率對黏聚力的影響比對內(nèi)摩擦角的影響大。

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(責(zé)任編輯：喬翠平)

Influence of Water Content on Residual Soil Strength Property

WANG Chuang1, DONG Jinyu1, WANG Minglong2, LI Mengzi1, ZHANG Peipei3

(1.School of Resources and Environment, North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou 450045, China； 2.Center Geology Environment Monitoring, Shenzhen 518034, China；3.Yellow River Engineering Consulting Co., Ltd., Zhengzhou 450003, China)

Water has an important influence on deformation and strength of the soil slope. In this paper, direct shear tests were performed to study the influence of water content on shear strength of soil taken from the slope of the Three Gorges Reservoir area. The test results show that the shear stress-shear displacement relationship under the condition of low water content was strain softening and strain hardening under the condition of high water content; and the vertical pressure under the condition of the low water content also has influence on the stress-strain curve of the residual, and the shear softening phenomenon gradually decreases with the increase of the vertical pressure. The soil shear strength decreases nonlinearly with the increase of water content and the reduced rate is firstly big, and then become small, and the plastic limit of the soil is the turning point. The soil cohesion decreases with the increase of water content as a quadratic polynomial, and the soil internal friction angle on the whole decreases with the increase of water content, but the variation is not obvious.

residual soil; water content; shear stress-shear displacement relationship; shear strength; cohesion; soil internal friction angle

2016-06-28

國家自然科學(xué)基金青年基金資助項目(41102203);河南省科技創(chuàng)新人才計劃;水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201301034);盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點實驗室開放課題(2013-07);華北水利水電大學(xué)青年科技創(chuàng)新人才支持計劃項目。

王闖(1991—)，男，河南開封人，碩士生，主要從事巖土工程方面的研究。E-mail:1456182076@qq.com。

董金玉(1977—)，男，河南濟(jì)源人，副教授，博士，主要從事地質(zhì)工程方面的研究。E-mail:dongjy0552@126.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.05.016

TV16；TU411.7

A

1002-5634(2016)05-0088-05