含水率對非飽和土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究

閆 奇，李義衡，許譽(yù)浩

(1.黑龍江科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150022；2.黃河勘測設(shè)計院研究院有限公司 巖土工程事業(yè)部工程公司，河南 洛陽 471000)

滑坡是常見且頻發(fā)的工程問題之一。18世紀(jì)，莫爾(Mohr)在庫倫(Coulomb)建立土強(qiáng)度理論的基礎(chǔ)上建立了土的莫爾-庫倫強(qiáng)度理論，自此奠定了土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析的基礎(chǔ)。近年來，許多工程實(shí)例表明，非飽和土抗剪強(qiáng)度的變化是產(chǎn)生滑坡的主要原因，大雨、冰雪融化影響下的滑坡災(zāi)害更是頻頻發(fā)生。對此，國內(nèi)外針對滑坡體含水量的變化導(dǎo)致滑坡體抗剪強(qiáng)度及其參數(shù)指標(biāo)下降問題進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究及理論分析。在試驗(yàn)研究方面，黃琨[1]等對欠固結(jié)第三系粉砂土進(jìn)行不同含水率狀態(tài)下的直剪試驗(yàn)，研究不同含水率對內(nèi)摩擦角、黏聚力等抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響；Soonkie Nam[2]等采用多級直剪試驗(yàn)法測定非飽和土的抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律；穆銳[3]、張培培[4]等分別對紅黏土進(jìn)行不均勻含水率、不同含水率條件下抗剪強(qiáng)度指標(biāo)試驗(yàn)研究，并提出含水率20%是紅黏土抗剪強(qiáng)度減小快慢的分界點(diǎn)；何江[5]通過控制非飽和膨脹土基質(zhì)吸力三軸剪切試驗(yàn)，驗(yàn)證擬合關(guān)系表達(dá)式合理性及適用性。理論研究方面：方薇[6]針對廣泛使用Fredlund 非飽和土抗剪強(qiáng)度包絡(luò)面，考慮抗剪強(qiáng)度與凈法向應(yīng)力、基質(zhì)吸力非線性關(guān)系，提出非飽和土非線性強(qiáng)度包絡(luò)殼模型；劉昭希[7]采用室內(nèi)土工試驗(yàn)與理論分析方法，擬合出抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨含水率變化曲線表達(dá)式，得出荊江河岸黏土黏聚力在臨界含水率存在峰值。

綜合分析前人對不同含水率下非飽和土抗剪性質(zhì)試驗(yàn)及成果，以哈爾濱某邊坡黏土為主要研究對象，利用室內(nèi)土工試驗(yàn)對取樣黏土進(jìn)行基本物理力學(xué)性質(zhì)測試。在此基礎(chǔ)上依據(jù)土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[8]制備不同含水率的環(huán)刀試樣，分別對不同含水率試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)、濾紙法測定土水特征曲線試驗(yàn)，計算出不同含水率下黏土抗剪強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)，繪制不同含水率下抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力變化關(guān)系曲線，定量分析非飽和黏土抗剪強(qiáng)度隨含水率變化曲線。

1 黏土基本物理力學(xué)性質(zhì)

試驗(yàn)土樣取自哈爾濱地區(qū)某黏土邊坡，對所取黏土試樣進(jìn)行一系列土力學(xué)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 土樣基本物理力學(xué)參數(shù)表

對所取天然土樣進(jìn)行烘干處理，用橡皮錘錘擊大顆粒土塊，然后過規(guī)格為2 mm篩，2 mm篩下土樣占總土樣90%以上。對篩下的細(xì)顆粒部分進(jìn)行細(xì)篩分析，采用孔徑2.0、1.0、0.5、0.25、0.1 mm標(biāo)準(zhǔn)篩對烘干土樣進(jìn)行篩分試驗(yàn)。

黏土試樣粒徑范圍占總質(zhì)量百分比如表2所示，粒徑級配累積曲線如圖1所示。計算得其不均勻系數(shù)Cu=14.8和曲率系數(shù)Cc=0.828，屬不連續(xù)級配，缺失0.1～0.25 mm中間粒徑。

表2 不同粒徑范圍質(zhì)量百分比

圖1 黏土的粒徑級配曲線

2 非飽和土抗剪強(qiáng)度理論

2.1莫爾-庫倫強(qiáng)度理論

莫爾-庫倫破壞準(zhǔn)則認(rèn)為破裂面上土的抗剪強(qiáng)度與正應(yīng)力為單值函數(shù)：

τf=F(σ)

(1)

當(dāng)正應(yīng)力未達(dá)到破壞值時，則表現(xiàn)為線性函數(shù)關(guān)系，表達(dá)式為：

τf=c+σtanφ

(2)

式中：τf為土的抗剪強(qiáng)度；c為黏聚力；σtanφ為摩擦強(qiáng)度;φ為內(nèi)摩擦角。

2.2 擴(kuò)展的莫爾-庫倫準(zhǔn)則

莫爾-庫倫準(zhǔn)則理論，由于其計算簡單得到廣泛的應(yīng)用。大量試驗(yàn)結(jié)果表明，無論是黏性土還是非黏性土試樣的破壞形式都比較接近這一強(qiáng)度理論，但仍存在一些差別。人們逐漸發(fā)現(xiàn)莫爾-庫倫準(zhǔn)則的局限性，通過對三軸、直剪等設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，研究土的抗剪強(qiáng)度與孔隙氣壓力、孔隙水壓力關(guān)系變化關(guān)系。在原來基礎(chǔ)上，總結(jié)提出擴(kuò)展的莫爾-庫倫準(zhǔn)則。

τf=c′+ (σ-ua)ftanφ′+(ua-uw)ftanφb

(3)

式中：(σ-ua)f為破裂面凈法向應(yīng)力；(ua-uw)為基質(zhì)吸力；c′，φ′分別為有效黏聚力、內(nèi)摩擦角；φb為對應(yīng)基質(zhì)吸力的內(nèi)摩擦角，反映抗剪強(qiáng)度增長率與基質(zhì)吸力的關(guān)系。

3 試樣制備方法

對重塑土樣先制備一定含水率的環(huán)刀試樣，在烘干或浸潤過程中環(huán)刀試樣整體含水率難以均勻下降或上升，可能導(dǎo)致環(huán)刀試樣在“吸水”“失水”過程中出現(xiàn)不均勻含水率環(huán)刀試樣,故采用“控制干密度法”制備試樣。測得所取土天然含水率為13.7%，將天然土樣放入恒溫干燥箱進(jìn)行烘干處理,將烘干土樣過2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分試驗(yàn)并稱量分組。稱量出5組烘干土樣，用燒杯量取所需水量，分別配置含水率為13%、16%、19%、22%、25%的土樣。每組試樣制備5個，用玻璃棒將烘干土樣與水充分接觸。最后將制備好的土樣置于準(zhǔn)備好的恒溫保濕瓶中靜置7 d，盡可能讓烘干土樣與水浸潤，以達(dá)到含水量均勻分布。為了確保每組所取土樣的含水率相同，本文通過控制濕土樣干密度法，利用公式(4)計算所需濕土樣，將稱量出的濕土樣通過“壓樣法”制備環(huán)刀土樣，對環(huán)刀試樣表面處理，并將制備環(huán)刀試樣上下表面蓋上玻璃片在恒溫保濕瓶中靜置一晝夜。

m0=(1+0.01ω0)ρdV

(4)

式中ρd為試樣干密度；V為試樣體積(環(huán)刀體積)；ω0為制樣要求含水率；m0為制樣所需濕土質(zhì)量。

4 結(jié)果分析

利用Origin制圖軟件對5組不同含水率峰值采樣點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，擬合度相關(guān)系數(shù)分別為0.985、0.995 4、0.977 7、0.993 1、0.986 2，均接近于1，說明采樣點(diǎn)線性相關(guān)。根據(jù)摩爾-庫倫強(qiáng)度理論，擬合直線在剪應(yīng)力坐標(biāo)軸截距為黏聚力c，直線斜率為內(nèi)摩擦角φ的正切值，結(jié)果見圖2。最后將直剪完成后的土樣對備用試樣做含水率的測定，結(jié)果分別為12.87%、16.10%、18.94%、20.73%、24.8%，同時說明5組試樣含水率符合設(shè)定含水率的要求。

4.1 不同含水率對黏聚力的影響

黏土屬于工程細(xì)粒土類,依據(jù)抗剪強(qiáng)度的庫侖定律，與無黏性土相比最大的區(qū)別在于是否存在黏聚力。黏土土粒間黏聚力包括靜電引力、范德華力、顆粒間膠結(jié)力等，這些力在宏觀研究方面統(tǒng)稱為黏聚力。含水率對黏聚力的影響見圖3。

由圖3可知：土樣在天然含水率(13.7%)狀態(tài)附近時，隨著含水率的增加波動幅度較??；含水率上升至19%左右時，黏聚力值在30 kPa左右平緩波動；當(dāng)含水率繼續(xù)上升，試樣的狀態(tài)發(fā)生明顯的變化，此時黏土試樣在可塑狀態(tài)附近，在含水率上升至22%時，黏聚力下降幅度50%；當(dāng)含水率上升至28%左右時，制備試樣快接近軟塑狀態(tài)，已經(jīng)無法承受300 kPa的法向壓力，不能進(jìn)行常規(guī)直剪試驗(yàn)。

4.2 不同含水率對內(nèi)摩擦角的影響

內(nèi)摩擦角則廣泛存在于黏性土及無黏性土，主要包括土顆粒間的表面摩擦力以及顆粒間緊密排列的咬合力。含水率對內(nèi)摩擦角的影響見圖4。

圖3 黏聚力與含水率關(guān)系曲線 圖4 內(nèi)摩擦角與含水率關(guān)系曲線

由圖4可知：黏土試樣受剪時，試樣土中間受剪面的上下顆粒間存在宏觀方面的摩擦力，其三相特征在含水率增加時，孔隙逐漸被水填充，隨著含水率的增加內(nèi)摩擦角呈逐漸下降趨勢。含水率13%時，內(nèi)摩擦角最大約為18.3°。隨著含水率的不斷增加，內(nèi)摩擦角變化與黏聚力表現(xiàn)不同，主要呈對數(shù)線關(guān)系下降，無峰值點(diǎn)出現(xiàn)。含水率從13%下降至20%時，內(nèi)摩擦角下降較快，當(dāng)試樣土到達(dá)可塑狀態(tài)附近時，含水率增量相同，內(nèi)摩擦角的下降幅度降低，符合陳高峰[9]等廣義內(nèi)摩擦角隨含水率的變化情況。

4.3 土水特征曲線測定

為了探究不同含水率下基質(zhì)吸力對非飽和黏土抗剪強(qiáng)度的影響。采用國產(chǎn)“雙圈”定量No.203慢速濾紙對非飽和黏土試樣進(jìn)行土水特征曲線測定，參考學(xué)者白福清[10]測得的No.203率定曲線，計算并繪制不同含水率下基質(zhì)吸力關(guān)系曲線，如圖5所示。

4.4 不同含水率對基質(zhì)吸力的影響

隨著人們對非飽和土強(qiáng)度的深入研究，利用現(xiàn)代科技手段對直剪、三軸等設(shè)備進(jìn)行改善，通過控制非飽和土孔隙氣壓力和孔隙水壓力，對抗剪強(qiáng)度變化和基質(zhì)吸力狀態(tài)變量做進(jìn)一步研究。

由圖5可知：含水率上升時，黏土基質(zhì)吸力主要呈現(xiàn)下降趨勢。為了進(jìn)一步分析變化趨勢進(jìn)行Origin數(shù)據(jù)非線性擬合，擬合關(guān)系曲線表達(dá)式為：

lgh=1.80+0.051ω0-0.00346ω02

(5)

式中：h為基質(zhì)吸力。

由式(5)可知：含水率較低時，基質(zhì)吸力取決于擬合公式常數(shù)項；含水率較高時，基質(zhì)吸力則取決于二次項部分；試驗(yàn)土樣含水率測得范圍內(nèi)，基質(zhì)吸力整體呈凹線下降趨勢。

4.5 基質(zhì)吸力對非飽和土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響

為了進(jìn)一步研究含水率上升過程中，非飽和土抗剪強(qiáng)度參數(shù)與基質(zhì)吸力的關(guān)系。繪制不同含水率下黏聚力、內(nèi)摩擦角與基質(zhì)吸力變化曲線，如圖6所示。

圖5 黏土總吸力、基質(zhì)吸力與含水率關(guān)系曲線 圖6 黏聚力、內(nèi)摩擦角及基質(zhì)吸力與含水率關(guān)系曲線

由圖6可知：含水率上升時，基質(zhì)吸力對黏土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響程度主要分為兩部分：當(dāng)含水率為13%～19%時，含水率增加，基質(zhì)吸力和內(nèi)摩擦角下降程度相近，黏聚力變化較為平緩，此時抗剪強(qiáng)度下降主要因內(nèi)摩擦角下降；當(dāng)含水率大于19%時，基質(zhì)吸力、黏聚力、內(nèi)摩擦三者下降趨勢相近，此時抗剪強(qiáng)度下降與基質(zhì)吸力下降程度一致。

5 結(jié)論

通過對不同含水率下非飽和土抗剪強(qiáng)度影響試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

(1)含水率上升時，非飽和黏土黏聚力和內(nèi)摩擦角變化并非單一曲線關(guān)系，黏聚力比內(nèi)摩擦角受含水率影響更嚴(yán)重，當(dāng)含水率在19%～22%間上升時，內(nèi)摩擦角下降約25%，而黏聚力下降幅度則為2倍；從施加50 kPa法向應(yīng)力來看，含水率大于19%時，黏土抗剪強(qiáng)度參數(shù)及抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線低于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)含水率對非飽和土的抗剪強(qiáng)度影響主要體現(xiàn)在黏聚力指標(biāo)參數(shù)方面，當(dāng)黏土含水率在13%～19%附近時，黏聚力較穩(wěn)定；含水率通過基質(zhì)吸力對抗剪強(qiáng)度的影響主要體現(xiàn)在內(nèi)摩擦角方面，對非飽和黏土抗剪強(qiáng)度影響較??；含水率為19%～25%時，黏土試樣接近可塑狀態(tài)，此時含水率通過基質(zhì)吸力對非飽和黏土抗剪強(qiáng)度下降影響較大，三者同步快速下降。

(3)非飽和黏土含水率上升時，基質(zhì)吸力變化可作為重要參考因素，含水率為19%～25%時，基質(zhì)吸力是含水率對黏土抗剪強(qiáng)度變化的重要影響因素。受試驗(yàn)制樣過程中壓實(shí)度、試驗(yàn)設(shè)備等限制因素影響，并未對不同含水率下凈法向應(yīng)力及孔隙氣壓力進(jìn)行測定，所測得的含水率通過基質(zhì)吸力影響抗剪強(qiáng)度的關(guān)系曲線有待進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。