含水率對黃島地區(qū)花崗巖殘積土抗剪強度的影響

徐曉楊帥高盟

(1.山東科技大學 土木工程與建筑學院，山東 青島 266590； 2.山東科技大學 山東省土木工程防災減災重點實驗室，山東 青島 266590)

抗剪強度是土體力學性質(zhì)的重要指標之一[1]，已有文獻[2-3]表明含水率變化對土體抗剪強度影響顯著。非飽和土中含水率與粘聚力近似呈二次曲線關系，與內(nèi)摩擦角近似呈線性關系[4]，非飽和土抗剪強度均高于飽和土抗剪強度[5]。土體性質(zhì)不同，其強度特征存在細微區(qū)別：膨脹土隨含水率增加，土體抗剪強度下降[6]，粘聚力受含水率影響較內(nèi)摩擦角大得多[7]；粉砂土的抗剪強度隨含水率增加而降低，含水率對抗剪強度的影響主要是降低了土體粘聚力，對內(nèi)摩擦角影響較小[8]；紅黏土的抗剪強度和含水率構成的曲線呈“單峰型”，以液塑限含水率為分段點[9]，粘聚力呈先增強后減弱趨勢，但內(nèi)摩擦角的差異并不顯著[10]。不同地區(qū)土樣也有各自獨特性質(zhì)，林鴻州等[11]以北京粉質(zhì)黏土為研究對象，得出在含水率較低時其粘聚力隨含水率增加而增加，當含水率增加至一定值后，粘聚力隨含水率增加而逐漸減小，內(nèi)摩擦角則隨含水率增加而逐漸降低；梁斌等[12]通過不同含水率的重塑紅黏土直剪試驗研究也得出了類似結(jié)論；劉寒冰等[13]以京哈高速公路四平—長春段沿線的黏質(zhì)土為例，綜合考慮凍融循環(huán)和含水率對壓實黏質(zhì)土力學性質(zhì)的影響。張茂花等[14]對原狀Q3黃土進行增濕情況下三軸剪切試驗，發(fā)現(xiàn)粘聚力隨初始含水量增大而迅速降低，而內(nèi)摩擦角受初始含水量變化影響較小。

土體性質(zhì)及施工環(huán)境因素的影響是巖土工程設計和施工的重要依據(jù)。已有文獻對一般黏性土[8]或砂土[9]含水率對土體抗剪強度的影響進行了研究，并取得一些有意義的結(jié)論，而花崗巖殘積土因其特殊性及崩解特性被視為特殊土[15]，其抗剪強度隨含水率的變化對工程影響重大，但對于黃島地區(qū)花崗巖殘積土的抗剪強度特性卻少有人研究。陳曉平等[16]對廣東地區(qū)花崗巖殘積土在不同初始含水率條件下進行直剪試驗，發(fā)現(xiàn)內(nèi)摩擦角隨含水率增加而減小，粘聚力隨含水率增大而減?。欢囀鸲萚17]對衡陽地區(qū)不同含水率花崗巖殘積土進行三軸剪切試驗，得到的試驗結(jié)果與文獻[16]存在較大差異：隨含水率增加，粘聚力顯著增加，內(nèi)摩擦角線性減小?？梢姡P于含水率對花崗巖殘積土抗剪強度的影響未達成共識。

黃島地區(qū)眾多擋土墻填筑工程填料均選用黃島花崗巖殘積土，其顆粒級配曲線表現(xiàn)為級配良好的粗粒土(黏粒含量只占1.04%)，但其碾壓工程中又表現(xiàn)出粘性，說明其重塑過程對土體產(chǎn)生了較大影響。因此，本研究針對黃島地區(qū)的花崗巖殘積土開展常規(guī)三軸試驗，分析不同含水率下抗剪強度指標粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ的變化規(guī)律，為黃島地區(qū)路基、擋土墻等填土工程設計提供理論依據(jù)。

1 三軸試驗

1.1 試驗材料

試驗所用土樣為青島市黃島區(qū)某擋土墻后填土，通過環(huán)刀試驗得其容重ρ為1.75 g/cm3，查閱已有地質(zhì)資料：全區(qū)0至23 m的土體總孔隙度44.3%～54%，毛細孔隙度25.9%～38.6%。又通過篩分試驗測其粒徑分布，其中2～5 mm粒徑所占整體百分比最大，為41.48%，并得到其顆粒級配曲線如圖1所示。

圖1 黃島土樣顆粒級配曲線

由級配曲線可得d60=5，d30=3，d10=1，不均勻系數(shù)Cu由式(1)確定，曲率系數(shù)Cc由式(2)確定。

(1)

(2)

式中，d60、d30和d10分別稱為限制粒徑、中值粒徑和有效粒徑，分別相當于小于某粒徑土中累計含量為60%、30%及10%對應的粒徑。由此可知，黃島地區(qū)花崗巖殘積土不均勻系數(shù)Cu≥5.0，曲率系數(shù)Cc=1～3，級配良好，但細粒(小于0.075 mm)含量僅為1.04%。

1.2 試樣制備

取大量原狀土樣置于105 ℃ 烘箱中烘干后進行試樣配備：按計算稱取定量水與土樣；利用噴霧器向土樣中灑水并充分攪拌均勻，并在試驗過程中重新稱重計算其含水率ω。含水率計算過程為：稱量鋁盒質(zhì)量m0，然后放入約40～50 g待測土樣，稱量其重量記為m1，放入105 ℃ 烘箱中干燥12 h，再次稱重記為m2。通過式(3)得試樣含水率。

(3)

圖2 制備完成的土樣

因試驗過程較短，不對土樣進行養(yǎng)護。根據(jù)三軸試驗規(guī)范，使用孔徑3.91 cm標準擊實器進行試樣制備，同一含水率條件制備3個試樣(編號為1、2、3)，共18個試樣。試驗過程中每一試樣分三層擊實，且擊實次數(shù)完全相同，擊實后用刀削平端面，保證除含水率外溫度、土體基本性質(zhì)等條件大致相同，制備完成的試樣如圖2所示。根據(jù)現(xiàn)行的中華人民共和國國家標準GB/T 50123—1999《土工試驗方法標準》、中華人民共和國國家標準GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規(guī)范》及現(xiàn)行的中華人民共和國行業(yè)標準JGJ 79—2012《建筑地基小處理技術規(guī)范》現(xiàn)場施工含水率控制誤差為±2%的規(guī)定，相鄰2個試樣含水率的差值小于2%。

1.3 試驗過程

按照《土工試驗規(guī)程》的要求，利用TCK-1室內(nèi)三軸試驗控制儀對試樣進行不固結(jié)不排水試驗。經(jīng)過成樣、安裝壓力室、壓力室內(nèi)注水等基本操作步驟后，向壓力室施加100 kPa的初始圍壓，開始試驗。待出現(xiàn)峰值后，結(jié)束此次試驗。試驗發(fā)現(xiàn)，每個試樣的應力應變曲線符合土樣破壞的基本變化趨勢。重復上述步驟，施加圍壓分別改為200和300 kPa。此時，同一含水率條件下，利用3次試驗數(shù)據(jù)進行莫爾圓的繪制與處理。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 含水率對試樣破壞形態(tài)的影響

觀察所有試樣破壞形態(tài)，發(fā)現(xiàn)含水率較低時試樣出現(xiàn)劈裂破壞，如圖3所示。隨含水率增大，體積變形愈加明顯，破壞形態(tài)變?yōu)楣臓钇茐?圖4)。說明試樣隨含水率增大，強度降低，塑性變形增加。即隨含水率的增大，試樣的破壞形態(tài)由劈裂破壞逐漸演變?yōu)樗苄缘墓臓钇茐摹?/p>

2.2 應力應變特征分析

含水率的大小可以影響土中水的分布和結(jié)合狀態(tài)，而結(jié)合水連接是土體粘聚力的主要來源之一，所以含水率對土體抗剪強度具有重要影響。在三軸壓縮試驗中通過傳力桿對試件施加豎向壓力，水平主應力保持不變，豎向主應力逐漸增大至試件受剪破壞，得到每個試樣的最大抗剪強度，直接反映含水率變化對土體強度的影響。相同圍壓、不同含水率條件下剪切應力強度峰值見表1。

圖3 ω=7.9%時試樣的破壞形態(tài) Fig.3 Failure state of the sample when ω =7.9%

圖4 ω=17.6%時試樣的破壞形態(tài)

表1 不同含水率時土樣的剪切應力強度峰值

由表1可知，相同含水率條件下，施加圍壓100、200和300 kPa時，最大主應力隨圍壓增大而增大；相同圍壓下，剪切峰值即抗剪強度隨含水率增大先增大后減小。含水率較小時，試樣的抗剪強度隨含水率的增加而增大，但增長幅度不大，在含水率為8%時，試樣抗剪強度達最大值；而后，試樣抗剪強度隨含水率的增大而迅速減?。恢钡胶蔬_15%時，抗剪強度隨含水率的減小趨勢變緩而趨于穩(wěn)定。這與黃琨等[8]得出的一般工程常見黏性土土體(重塑土)的抗剪強度隨含水率的增大而單調(diào)增大不同，這是因為文獻[8]研究的是粒徑小于0.075 mm的黏粒含量為97.49%的黏性土，而本研究所用黃島地區(qū)黃崗巖殘積土試樣中粒徑小于0.075 mm的黏粒含量僅為1.04%。兩類土體的組成和其抗剪強度隨含水率的變化規(guī)律有明顯差異，其他不同類型工程常見土體的研究結(jié)果不能用于指導黃島地區(qū)填土工程設計和施工。

對于黏性土，隨著含水率的增加，提供粘聚力的黏粒部分的黏性增大，從而使黏性土的抗剪強度增大。而研究的黃島土，黏粒含量較少，一開始，隨著含水率的增大，黏粒部分的黏性開始發(fā)揮而使土體抗剪強度增加。當黏粒部分的黏性全部發(fā)揮后，土體的內(nèi)聚力不再增加，反而由于含水率的增大，水膜的潤滑作用使粗顆粒之間的咬合力減小使抗剪強度大幅降低。隨著含水率的進一步增大，顆粒間距增大，水膜潤滑對抗剪強度的減小作用降低，含水率增加使抗剪強度減小的趨勢變緩而趨于穩(wěn)定。因此，對于黃島土，含水率存在一最優(yōu)值(試驗結(jié)果為8%)，在此含水率下抗剪強度達最大值。此外，含水率8%～15%時抗剪強度下降速度較快，工程施工時應引起重視。

2.3 庫倫-莫爾包線及c、φ值

為進一步分析含水率對土體抗剪強度(τ)的影響，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，繪制含水率分別為6.1%、7.9%、12.5%、15.0%、17.6%和18.0%時的莫爾-庫倫強度包線，如圖5所示。并通過強度包線得到不同含水率條件下土樣的積聚力c、內(nèi)磨擦角φ值，見表2。

圖5 不同含水率條件下莫爾強度曲線及c、φ值

表2 不同含水率土樣的抗剪強度指標

Tab.2 Shear strength index of soil sample under different moisture contents

序號含水率ω/%粘聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)R216.150.5835.811.00027.967.8434.541.000312.589.5827.340.950415.028.189.680.967517.625.007.000.920618.017.803.000.750

由圖5和表2可以看出，隨著含水率的增加，黃島土的抗剪強度指標c(黏聚力，摩爾強度包線截距)先增大后減??；指標φ(內(nèi)摩擦角，摩爾強度包線斜率)減小。

為更好地分析黃島土的抗剪強度指標隨含水率的變化，分別繪制黃島土的抗剪強度指標隨含水率的變化曲線如圖6和圖7所示。

圖6 黏聚力c隨含水率的變化

圖7 內(nèi)摩擦角φ隨含水率的變化Fig.7 Variation of φ with different water contents

由圖6可以看出，粘聚力c隨含水率的變化趨勢與抗剪強度峰值變化趨勢相似，開始時，粘聚力c隨著含水率的增大而增大，直到含水率12.5% 時，粘聚力達最大值；而后隨含水率的增大而減小。究其原因可得出與抗剪強度變化相同的解釋。不同的是峰值含水率，抗剪強度峰值含水率為8%，而圖6黏聚力峰值含水率為12.5%，原因是試樣的抗剪強度是由粘聚力和內(nèi)摩擦角反映的顆粒之間的咬合力的疊加。而由圖7可知，試樣內(nèi)摩擦角隨含水率的增大而單調(diào)減小，兩者疊加之后表現(xiàn)為抗剪強度的變化規(guī)律。對比抗剪強度、粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ隨含水率的變化，可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)摩擦角變化與抗剪強度更加接近，這是因為黃島土以粒徑大于0.075 mm的粗顆粒為主導，顆粒之間的咬合力在抗剪強度中占絕大部分。所以抗剪強度隨含水率的變化曲線與反映顆粒之間咬合力的內(nèi)摩擦角隨含水率的變化曲線更接近。

3 與其他常見工程土體的比較分析

黃琨等[8]研究了含水率對黏性土抗剪強度指標的影響并對重塑土的試驗方案進行了描述。為進一步說明黃島花崗巖殘積土抗剪強度指標隨含水率的變化特性及驗證本研究試驗方案的正確性，將文獻[8]中重塑土的粘聚力和內(nèi)摩擦角隨含水率的變化與本研究的試驗結(jié)果分別繪于圖8～9。

圖8 本文黏聚力c隨含水率的變化與文獻[8]的試驗結(jié)果對比

圖9 本文內(nèi)摩擦角φ隨含水率的變化與文獻[8]的試驗結(jié)果對比

對比發(fā)現(xiàn)，本試驗結(jié)果與文獻[8]有較為相似的趨勢，且在圖8中都出現(xiàn)出重塑土含水率試驗的明顯特征，即峰值點的出現(xiàn)。兩條曲線雖然都有峰值含水率，但由圖8可知，變化趨勢不盡相同。對比說明，黃島花崗巖殘積土的抗剪強度及抗剪強度指標隨含水率的變化不同于一般黏性土，具有其獨特的特征。原因是本試樣為粗顆粒占主導的花崗巖殘積土，黏粒含量少(僅為1.04%)，隨含水率的增大，粘聚力的發(fā)揮很快完畢。而文獻[8]試樣由于黏粒占主導，隨含水率的增大，粘聚力的發(fā)揮要持久。圖9也說明隨含水率的增大，黃島土的內(nèi)摩擦角的變化與文獻[8]黏性土的內(nèi)摩擦角變化不同。文獻[8]由于黏粒含量多，含水率的增大使黏粒之間相互錯動，這種位置的調(diào)整增加顆粒之間的摩擦，表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角的增大。隨著含水率的進一步增加，顆粒間距進一步增大，顆粒間的接觸減少，摩阻力減小，表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角減小。而黃島土以粗顆粒為主，顆粒間距遠大于黏粒間距，隨含水率的增大，一開始就表現(xiàn)為顆粒間距離的增大，接觸減少，內(nèi)摩擦角減小。因此，黃島土用于填筑工程時，含水率是一個重要指標，本研究的結(jié)論對黃島地區(qū)的填筑工程有重要參考價值。

4 結(jié)論

1) 黃島地區(qū)土體為花崗巖殘積土，具有獨特的物理力學性質(zhì)。土顆粒粒徑集中在2～5 mm，占40%左右。級配不均，強度指標隨含水率變化幅度較大。

2) 明顯區(qū)別于其他地區(qū)土體抗剪強度與含水率關系。黃島地區(qū)花崗巖殘積土的抗剪強度隨含水率增大呈先增強后減弱的趨勢，含水率8%時，抗剪強度最大。此外，黃島地區(qū)花崗巖殘積土的抗剪強度在含水率12.5%～15%之間下降幅度偏大。

3) 抗剪強度指標隨含水率變化也較為明顯。粘聚力c在最優(yōu)含水率12.5%前隨含水率增大而增大，后隨含水率增大而減小；內(nèi)摩擦角φ隨含水率增大而減小。