土水特征曲線預(yù)測(cè)非飽和黏土的抗剪強(qiáng)度

李萬(wàn)雙,孫德安,高游

(上海大學(xué)土木工程系,上?！?00072)

土水特征曲線預(yù)測(cè)非飽和黏土的抗剪強(qiáng)度

李萬(wàn)雙,孫德安,高游

(上海大學(xué)土木工程系,上海200072)

分別采用壓力板法和濾紙法對(duì)一種孔隙比大致相同的黏土進(jìn)行了測(cè)量土水特征曲線的試驗(yàn),并通過(guò)直剪儀試驗(yàn)測(cè)得不同含水率下該黏土的抗剪強(qiáng)度(簡(jiǎn)稱強(qiáng)度).試驗(yàn)結(jié)果表明：壓力板法和濾紙法測(cè)得的土水特征曲線大致相同；同樣豎向壓力下,抗剪強(qiáng)度隨飽和度降低而增大,但飽和度很低時(shí)強(qiáng)度反而減小.飽和度主要影響?zhàn)ぞ哿?對(duì)內(nèi)摩擦角的影響不大.另外,應(yīng)用土水特征曲線對(duì)非飽和黏土的強(qiáng)度進(jìn)行了預(yù)測(cè).通過(guò)引入有效飽和度的概念,對(duì)非飽和土強(qiáng)度公式進(jìn)行修正,采用該公式預(yù)測(cè)非飽和土強(qiáng)度的精度比傳統(tǒng)的平均骨架應(yīng)力預(yù)測(cè)方法要高.

壓力板法；濾紙法；土水特征曲線；抗剪強(qiáng)度

土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外巖土工程領(lǐng)域始終未能得到妥善、經(jīng)濟(jì)解決的技術(shù)難題,其中一個(gè)主要的原因就是土體抗剪強(qiáng)度(簡(jiǎn)稱強(qiáng)度)計(jì)算值不夠準(zhǔn)確.土體強(qiáng)度對(duì)氣候變化特別敏感.在干燥氣候條件下,土體含水率較低,飽和度較低,抗剪強(qiáng)度較高；在降水充足地區(qū),土體含水率較高,飽和度較高,抗剪強(qiáng)度較低.因此,有必要探究土體抗剪強(qiáng)度與飽和度之間的關(guān)系.

土水特征曲線是指土中的含水率與土中吸力的關(guān)系曲線,能夠反映土體的持水能力,對(duì)研究非飽和土的水力與力學(xué)特性以及抗剪強(qiáng)度起著重要的作用.土的含水率可以用重力含水率、體積含水率和飽和度來(lái)表示.Fredlund[1]指出,非飽和土的水力-力學(xué)特性及強(qiáng)度數(shù)值模擬精度取決于土水特征曲線方程反映其土水特性的準(zhǔn)確度.因此,本工作用兩種方法測(cè)量了一種粉質(zhì)黏土的土水特性,以相互檢驗(yàn)測(cè)量的精度.

很多學(xué)者致力于非飽和土強(qiáng)度的研究.Vanapalli等[2]對(duì)非飽和冰磧土在不同豎向應(yīng)力條件下的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究,認(rèn)為基質(zhì)吸力對(duì)非飽和土抗剪強(qiáng)度貢獻(xiàn)較大.Goh等[3]對(duì)脫濕和吸濕過(guò)程中的非飽和土強(qiáng)度進(jìn)行了研究,結(jié)果表明脫濕過(guò)程中土的強(qiáng)度比吸濕過(guò)程中的強(qiáng)度大.Gan等[4]用直剪試驗(yàn)研究了印度薩斯喀徹溫省地區(qū)冰磧土的強(qiáng)度特性,結(jié)果表明：非飽和試樣破壞包線與基質(zhì)吸力之間不是線性關(guān)系,且摩擦角隨著吸力的增大而減小,而當(dāng)吸力大于某一值時(shí),摩擦角趨于定值.張?zhí)矸宓萚5]通過(guò)固結(jié)快剪試驗(yàn)研究了含水率對(duì)非飽和桂林紅黏土抗剪強(qiáng)度的影響,并指出用平均骨架應(yīng)力預(yù)測(cè)得到的非飽和紅黏土強(qiáng)度比實(shí)測(cè)值大得多.周葆春等[6]用Fredlund非飽和抗剪強(qiáng)度公式在較大的基質(zhì)吸力范圍內(nèi)較好地預(yù)測(cè)了湖北荊門(mén)膨脹土的非飽和抗剪強(qiáng)度.

本工作以一種黏土為試驗(yàn)材料,對(duì)孔隙比大致相同的試樣分別用壓力板法和濾紙法測(cè)試得到土水特征曲線,并通過(guò)不同飽和度下的直剪試驗(yàn)對(duì)非飽和土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè).

1　試驗(yàn)概況

1.1試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用土料為珍珠土,其基本物理指標(biāo)如表1所示.圖1為珍珠土的顆粒級(jí)配曲線.從圖1可知,該土黏粒(粒徑小于5μm)含量約為50%,按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]的分類,屬于一種黏土.

表1　珍珠土的基本物理指標(biāo)Table 1　Basic physical properties of pearl clay

圖1　珍珠土的顆粒級(jí)配曲線Fig.1　Grading curve of pearl clay

1.2試驗(yàn)儀器

分別采用壓力板法和濾紙法測(cè)量試驗(yàn)土料的土水特征曲線,其中壓力板試驗(yàn)所用的裝置是美國(guó)GCTS公司產(chǎn)的SWCC-150土水特征壓力儀(見(jiàn)圖2),該儀器通過(guò)增壓器可以施加1.5 MPa的吸力.濾紙法試驗(yàn)所使用的設(shè)備包括密封性較好的LOCK&LOCK盒、Whatman No.42濾紙、精度為0.000 1 g的天平及恒溫室等.

抗剪強(qiáng)度通過(guò)直剪試驗(yàn)來(lái)測(cè)量,試驗(yàn)儀器采用美國(guó)加利福尼亞洪堡州立大學(xué)(Humboldt State University,HSU)生產(chǎn)的25sixty Shear型直剪儀(見(jiàn)圖3).該儀器使用氣壓源施加豎向壓力,相比于傳統(tǒng)的直剪儀,自動(dòng)化程度較高,能直接讀出水平力,即剪力的大小.

圖2　美國(guó)GCTS公司產(chǎn)的SWCC-150土水特征壓力儀Fig.2　SWCC-150 soil-water characteristics pressure instrument produced by GCTS of USA

圖3　HUS-25sixty Shear型直剪儀Fig.3　HUS-25sixty Shear direct shear apparatus

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1壓力板法

在壓力板試驗(yàn)中,首先將直徑50 mm、高20 mm、初始孔隙比約為1.10、含水率為20%左右的非飽和壓實(shí)試樣抽氣飽和,再將飽和試樣裝入SWCC-150土水特征壓力儀中.因?yàn)樵谖^低(＜10 kPa)的情況下,用氣壓控制吸力方法不精確,所以采用負(fù)水頭的方式控制吸力,即使排水管水位低于試樣的中心平面位置(稱為基準(zhǔn)面),排水管水位每低于基準(zhǔn)面10 cm就相當(dāng)于1 kPa.當(dāng)吸力大于10 kPa時(shí),利用氣壓控制方式來(lái)施加吸力.試驗(yàn)中吸力路徑基本上按2倍關(guān)系逐級(jí)加載到1 500 kPa,吸力路徑如表2所示.普通土工實(shí)驗(yàn)室壓縮空氣源的壓力為700～800 kPa.本工作使用增壓器提供1 600 kPa氣壓源.變形和排水的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)如下：每2 h的豎向變形量和排水量分別不超過(guò)0.01 mm和0.01 cm3,且每級(jí)吸力施加時(shí)間不少于48 h.

陶土板在較高氣壓下會(huì)有少量空氣由底面逸出,從而影響排水量計(jì)算的精度.故在試驗(yàn)過(guò)程中,每隔1 d對(duì)陶土板底部管路進(jìn)行一次沖刷,以便排除陶土板下面的空氣從而使排水更徹底.試驗(yàn)過(guò)程中每級(jí)吸力值平衡需要3 d左右,一次試驗(yàn)需要1個(gè)月時(shí)間.

表2　吸力路徑Table 2　Suction path

1.3.2濾紙法

采用吸濕過(guò)程中的濾紙法試驗(yàn)測(cè)吸力.首先,在經(jīng)過(guò)烘干的珍珠土中加入適量的水,配制一定含水率的土樣；然后,將土樣放在密閉缸內(nèi)靜置24 h,待水分均勻后,取出土樣制成7個(gè)直徑50 mm、高度15 mm、孔隙比和含水率不同的壓實(shí)樣.試樣的具體參數(shù)如表3所示.

表3　含水率不同的試樣Table 3　Specimens with different water content

試驗(yàn)使用Whatman No.42濾紙,其率定曲線方程采用Leong等[8]給出的雙線性率定曲線方程.基質(zhì)吸力為

式中,s為吸力,單位為kPa；wf為濾紙的含水率,以百分?jǐn)?shù)計(jì)(%).

裝樣過(guò)程如下：首先將3張烘干后的濾紙直接緊貼在試樣的底端面,中間一張濾紙用于測(cè)量土樣的基質(zhì)吸力,而其他兩張濾紙主要用于保護(hù)中間濾紙,避免中間濾紙接觸土樣被污染,然后將疊加的3張濾紙和試樣放入密封容器中.

試驗(yàn)過(guò)程如下：將裝好試樣的密封容器放入恒溫室里,放置14 d左右[9].當(dāng)達(dá)到吸力平衡時(shí),用鑷子將所需測(cè)量的濾紙從LOCK&LOCK盒中取出,迅速放入萬(wàn)分位精度的電子天平中,測(cè)量濾紙的濕質(zhì)量.為了避免濾紙與周?chē)髿饨佑|而使其中的水分發(fā)生變化,濾紙必須要在很短的時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)移到電子天平隔離箱中.將濾紙放入鋁盒中并在105°C烘箱里烘干,然后測(cè)量其質(zhì)量,再根據(jù)濾紙的干質(zhì)量與濕質(zhì)量計(jì)算出吸力平衡時(shí)濾紙的含水率,最后用雙線性率定曲線方程(式(1))求出基質(zhì)吸力.另外,測(cè)量試樣的重量和尺寸,然后放在烘箱里烘干,測(cè)得其干質(zhì)量,然后計(jì)算得到土樣的含水率和飽和度.由于濾紙從試樣中吸水,故試驗(yàn)結(jié)束時(shí)試樣含水率比放入密封容器時(shí)的含水率要小.

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1持水特性

圖4是對(duì)孔隙比大致相同的壓實(shí)珍珠土通過(guò)壓力板法和濾紙法測(cè)得的土水特征曲線,其中壓力板法試驗(yàn)是在凈應(yīng)力為0的條件下完成的.從圖4可以看出,濾紙法得到的土水特征曲線與壓力板法得到的曲線基本重合,這說(shuō)明初始孔隙比相近試樣的持水特性是一定的,即土體的持水性與試驗(yàn)方法無(wú)關(guān).這也說(shuō)明了試驗(yàn)方法的可靠性.

如圖4(a)所示,試樣的含水率隨著吸力的增大而減小.當(dāng)吸力小于100 kPa時(shí),隨著吸力的增大,試樣含水率下降并不明顯；當(dāng)吸力大于100 kPa時(shí),隨著吸力的增大,試樣含水率迅速下降；當(dāng)吸力超過(guò)1 300 kPa時(shí),隨著吸力的增大,含水率的下降趨勢(shì)已經(jīng)不明顯,即含水率趨于穩(wěn)定.

圖4(b)為脫濕過(guò)程中試樣的飽和度與吸力的關(guān)系.與含水率與吸力的關(guān)系類似,飽和度也是隨著吸力的增大而減小.當(dāng)吸力小于100 kPa時(shí),隨著吸力的增大,飽和度稍有減??；當(dāng)吸力大于100 kPa時(shí),隨著吸力的增大,飽和度迅速下降；當(dāng)吸力大于1 300 kPa時(shí),飽和度趨于穩(wěn)定.分析圖4可知,該土樣的進(jìn)氣值約為100 kPa,殘余含水率約為4%.

圖4　珍珠土的土水特征曲線Fig.4　Soil-water characteristic curves of pearl clay

2.2直剪試驗(yàn)

直剪試樣共計(jì)8個(gè)：直徑50 mm、高度15 mm、初始孔隙比約為1.15的不同含水率的7個(gè)非飽和樣和1個(gè)飽和樣.根據(jù)土水特征曲線中的含水率或飽和度推算吸力值.具體做法是,試驗(yàn)前稱取一次試樣質(zhì)量,放入105°C烘箱內(nèi)烘干后再稱得干質(zhì)量,然后計(jì)算剪切前后的含水率.若兩次稱量得到的含水率相差不大,則取二者平均值作為試樣的含水率,繼而推算剪切試樣的吸力.用Origin 8.0擬合大于進(jìn)氣值而小于殘余飽和度段的土水特征曲線(見(jiàn)圖4),可得到吸力與含水率、吸力與飽和度的關(guān)系式如下：

式中,w為試樣含水率,以百分?jǐn)?shù)計(jì)(%)；Sr為試樣飽和度,以百分?jǐn)?shù)計(jì)(%).

根據(jù)試樣含水率,由式(2)可求得每次試驗(yàn)所用試樣的吸力值(見(jiàn)表4).在豎向壓力分別為100,200和400 kPa的條件下對(duì)試樣進(jìn)行固結(jié)慢剪,剪切速率設(shè)定為0.02 mm/min.不同飽和度試樣的抗剪強(qiáng)度如圖5和表5所示.

表4　試樣含水率對(duì)應(yīng)的吸力值Table 4　Water content and corresponding suction

圖5　不同飽和度珍珠土的抗剪強(qiáng)度Fig.5　Shear strength of pearl clay with different degrees of saturation

表5　抗剪強(qiáng)度參數(shù)Table 5　Shear strength parameters

從圖5可以看出,在豎向壓力一定的條件下,非飽和土的抗剪強(qiáng)度比飽和土要大,而且飽和度越低,抗剪強(qiáng)度越大,即吸力越大,抗剪強(qiáng)度越大.這是因?yàn)樵诜秋柡驮嚇又杏捎谪?fù)孔隙水壓的存在,使得試樣土顆粒間產(chǎn)生由吸力引起的表觀黏聚力,從而提高了試樣的抗剪強(qiáng)度.當(dāng)飽和度較低(19%)時(shí),抗剪強(qiáng)度較小,這主要由于飽和度較低時(shí)土樣中的水相不連續(xù),較粗顆粒間的孔隙水可能不存在彎液面,因而沒(méi)有表觀黏聚力.

3　非飽和土抗剪強(qiáng)度的預(yù)測(cè)

已有很多研究者嘗試對(duì)非飽和土強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè),如Vanapalli等[10]認(rèn)為非飽和土強(qiáng)度的增加可以用類黏聚力來(lái)描述,其中因非飽和而增加的抗剪強(qiáng)度為

式中,Ses為殘余飽和度[10].將試樣中存在的孤立孔隙(全封閉性的“死孔”)的體積量稱為殘余孔隙量,即殘余孔隙完全飽和時(shí)水的體積量與初始總孔隙體積之比.(Sr?Ses)/(100?Ses)為有效飽和度.本試驗(yàn)中珍珠土試樣的殘余含水率約為4%,殘余飽和度約為9.4%.

利用式(7)對(duì)非飽和珍珠土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè),將所得結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較(見(jiàn)圖6(b)).從圖中可以看出,利用式(7)能夠更好地預(yù)測(cè)非飽和珍珠土的強(qiáng)度,尤其是在豎向壓力和吸力都比較大的情況下.這驗(yàn)證了有效飽和度預(yù)測(cè)公式的正確性.

式中,ua為孔隙氣壓力,uw為孔隙水壓力,θ為體積含水率,即土體中水的體積占土顆粒體積的百分?jǐn)?shù),θs和θr分別為飽和體積含水率和殘余體積含水率,φ為飽和土的內(nèi)摩擦角.

Fredlund等[11]認(rèn)為非飽和土抗剪強(qiáng)度的增加部分應(yīng)為

式中,Sr為飽和度,k為與土樣有關(guān)的常數(shù),其取值通常為0.7～1.2.如k取為1.0,則非飽和土的抗剪強(qiáng)度可表示為

式中,σ為豎向應(yīng)力,s為吸力,c＇為飽和土的黏聚力.由式(6)可預(yù)測(cè)得到非飽和珍珠土的抗剪強(qiáng)度,然后與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較(見(jiàn)圖6(a)).

由圖6(a)可以看出,在一定范圍內(nèi),式(6)能部分預(yù)測(cè)非飽和土的抗剪強(qiáng)度,但是預(yù)測(cè)值基本都比實(shí)測(cè)值要大,且最大誤差能達(dá)到30%.可見(jiàn),式(6)不能較好地預(yù)測(cè)非飽和珍珠土的抗剪強(qiáng)度,這主要是因?yàn)閴簩?shí)的珍珠土樣顆粒具有雙峰分布特性.壓實(shí)樣中主要有兩種孔徑：一種是聚集的團(tuán)粒之間的大孔隙,一種是團(tuán)粒內(nèi)部的小孔隙.試樣中的水先進(jìn)入團(tuán)粒內(nèi)的小孔隙,之后才開(kāi)始填充團(tuán)粒間的大孔隙,因此整個(gè)試樣是非飽和狀態(tài),但小孔隙卻處于飽和狀態(tài),而后者對(duì)抗剪強(qiáng)度沒(méi)有貢獻(xiàn).對(duì)抗剪強(qiáng)度有貢獻(xiàn)的是大孔隙中的水量,即有效飽和度.根據(jù)這一概念,修正后的非飽和土抗剪強(qiáng)度公式為

圖6　非飽和珍珠土的抗剪強(qiáng)度預(yù)測(cè)Fig.6　Prediction of shear strength for unsaturated pearl clay

4　結(jié)束語(yǔ)

本工作通過(guò)壓力板法和濾紙法測(cè)試了孔隙比大致相同的珍珠土的持水性,兩種方法得到的土水特征曲線大致相同.研究結(jié)果表明,非飽和土抗剪強(qiáng)度比飽和土要高,內(nèi)摩擦角基本不隨飽和度變化,黏聚力隨飽和度減小而增大,而當(dāng)飽和度很低時(shí),黏聚力隨飽和度減小而減小.另外,根據(jù)非飽和土的含水率,利用土水特征曲線和有效飽和度可較好地預(yù)測(cè)非飽和土的抗剪強(qiáng)度.

本工作通過(guò)引入有效飽和度的概念,提高了非飽和土抗剪強(qiáng)度預(yù)測(cè)的精度,但在高吸力范圍(即大于殘余含水率)內(nèi),非飽和土抗剪強(qiáng)度的預(yù)測(cè)有待進(jìn)一步研究.

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Predicting shear strength of unsaturated clay using soil-water characteristic curve

LI Wanshuang,SUN Dean,GAO You
(Department of Civil Engineering,Shanghai University,Shanghai 200072,China)

The pressure plate method and filter paper method were used to measure the soil-water characteristic curve(SWCC)of clay with almost the same initial void ratio. Shear strength were obtained by performing a series of direct shear tests on the clay under different unsaturated conditions.SWCCs of the silty clay obtained with the pressure plate and filter paper methods were nearly the same.With the same pressure,shear strength increased with a decreasing degree of saturation,and decreases at a very low degree of saturation.The degree of saturation had great influence on cohesion and little influence on the internal friction angle.Shear strength of unsaturated clay was predicted using SWCC.To precisely predict shear strength,a concept of effective degree of saturation was introduced to modify the traditional strength formula of unsaturated clay.The modified formula could better predict tested data.

pressure plate method；filter paper method；soil-water characteristic curve (SWCC)；shear strength

TU 432

A

1007-2861(2016)05-0648-08

10.3969/j.issn.1007-2861.2015.01.015

2015-01-29

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11272194)

孫德安(1962—),男,教授,博士生導(dǎo)師,博士,研究方向?yàn)榉秋柡屯亮W(xué).E-mail:sundean@shu.edu.cn