剪切速率對重塑粉土抗剪強度特性的影響

吳瑞潛 張少龍 李少和 湯有志

(1.紹興文理學院 土木工程學院，浙江 紹興 312000;2.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，浙江 紹興 312000)

0 引言

土的抗剪強度變化會影響基坑和土坡的安全性，研究其抗剪強度特性受某些因素的變化規(guī)律是非常有必要的.現(xiàn)在，許多學者深入研究了剪切速率對土的抗剪強度的影響，獲得一些為工程設計提供借鑒的理論成果.楊小平等[1]開展了不同剪切速率對含水率不同黃土的固結(jié)不排水三軸試驗，由試驗結(jié)果可知，隨著剪切速率的變大，抗剪強度和黏聚力是先增大后減小，內(nèi)摩擦角減小，剪切速率的影響程度在含水率低的時候非常明顯.史卜濤等[2]做了不同剪切速率對2種不同干密度重塑飽和黏土直剪試驗，由結(jié)果可知，隨著剪切速率的變大，較小干密度的重塑飽和黏土抗剪強度和內(nèi)摩擦角減小更加明顯.李威等[3]開展了重塑飽和黃土在不同剪切速率下的固結(jié)不排水三軸試驗，從試驗結(jié)果可知，變小剪切速率讓抗剪強度、總的內(nèi)摩擦角以及有效內(nèi)摩擦角在相同條件下是先變小后變大的，總的黏聚力和有效黏聚力是先變大后變小的.謝輝輝等[4]進行了千枚碎屑巖滑帶土環(huán)剪試驗，由結(jié)果可知，增大剪切速率會使峰值強度和內(nèi)摩擦角都變大，黏聚力變小，殘余強度基本不受影響，獲得峰值對應的c、φ與剪切速率的對數(shù)表達式.楊智強等[5]開展了不同剪切速率對南陽重塑膨脹土的三軸固結(jié)不排水試驗，得到黏聚力和抗剪強度隨應變速率的減小是變小的，內(nèi)摩擦角是變大的，影響程度在低圍壓下非常明顯.王永洪等[6]進行了黏性土-混凝土界面在不同剪切速率下的直剪試驗，發(fā)現(xiàn)隨剪切速率增大，抗剪強度和內(nèi)摩擦角均減小，黏聚力開始稍有增加，但整體是呈減小的趨勢.柴維等[7]做了不同剪切速率對鈣質(zhì)砂抗剪強度試驗，可得出隨剪切速率的增加，抗剪強度和內(nèi)摩擦角是先減小后增大，低法向應力下出現(xiàn)剪脹.洪勇等[8]對砂-黃土開展了環(huán)剪試驗，得到剪切速率的變小使得其黏聚力和內(nèi)摩擦角在環(huán)剪儀上部排水情況下是變大的，剪切速率的變小使得黏聚力在不排水條件下變大，內(nèi)摩擦角是變小的.通過以上學者的研究結(jié)果可以看出，不同種類土的抗剪強度特性受到不同剪切速率影響發(fā)生改變.

粉土抗剪強度特性受剪切速率影響試驗研究非常少，粉土的性質(zhì)和黏性土、砂土不同，其工程性質(zhì)較復雜[9-10].本文以浙江上虞地區(qū)基坑里重塑粉土為研究對象，在不同剪切速率下進行固結(jié)快剪試驗，獲得其抗剪強度指標受不同剪切速率的影響規(guī)律，為工程設計提供借鑒.

1 試樣制備和試驗方案

1.1 試驗土樣制備

試驗所用土樣來自浙江上虞的粉土，顏色是灰色，質(zhì)松軟，粉土的基本物理指標和顆粒級配曲線分別如表1和圖1，從表1和圖1可知土樣塑性指數(shù)是6.2，大于0.075 mm，顆粒含量占全重10.9%且黏粒含量占7%，將土樣命名為砂質(zhì)粉土.根據(jù)《土工試驗方法標準》(GB/T50123-2019)[11]，將取來的土樣放入烘箱內(nèi)在105 ℃下烘8 h以上，取出烘干的土樣讓其冷卻，然后用榔頭捶碎過2 mm孔徑的篩子，配制土樣的含水率為23%，將配制好的土樣用密封袋裝好放入保濕缸里悶料24 h，用制樣器制作41個干密度是1.62 g/cm3環(huán)刀土樣，環(huán)刀的直徑是6.18 cm，高度是2 cm.將裝入環(huán)刀土樣的飽和器放入無水抽氣缸里抽氣1 h，然后放水靜置10 h以上達到飽和，取出1個土樣測出此時的含水率.

表1 粉土基本物理指標

圖1 試樣顆粒級配曲線

1.2 試驗方案

飽和后的重塑粉土樣分5組，每組8個，為了減少試驗結(jié)果的誤差，平行固結(jié)快剪試驗做2次，最終結(jié)果取2次試驗結(jié)果的平均值.根據(jù)《土工試驗方法標準》(GB/T50123-2019)[11]，將每組4個土樣放入固結(jié)儀中分別施加50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa的垂直壓力，固結(jié)24 h后取出，然后將5組固結(jié)后的土樣放入全自動直剪儀(圖2)并施加與固結(jié)相同的垂直壓力，設置的剪切速率分別是0.2 mm/min、0.4 mm/min、0.8 mm/min、1.6 mm/min和2.4 mm/min.其中，1.6 mm/min、2.4 mm/min的2種剪切速率均大于試驗規(guī)程中采用的剪切速率0.8 mm/min，可視為高剪切速率，0.2 mm/min、0.4 mm/min的2種剪切速率均小于試驗規(guī)程中采用的剪切速率0.8 mm/min，可視為低剪切速率.對于土壩工程來說，若堆填施工速度快，土體被剪切的速率快，試驗中設置的高剪切速率對應此種工程狀態(tài)，若堆填施工速度慢，土體被剪切的速率慢，試驗中設置的低剪切速率對應這種工程狀態(tài). 試驗結(jié)束時的剪切位移是0.6 cm，剪切完的土樣如圖3.剪切試驗完成后，立馬取出土樣稱重，再將土樣放入烘箱內(nèi)烘干后稱重，計算出土樣剪切之后的含水率，土樣飽和以后的含水率為剪切之前的含水率.根據(jù)公式(1)得到土樣在不同垂直壓力和不同剪切速率下含水率減小的比例，為后面分析剪切速率對抗剪強度影響提供一定的理論依據(jù)[12].

含水率減小的比例=

(1)

圖2 全自動直剪儀

圖3 剪切后的土樣

2 剪切速率對抗剪強度特性的影響

2.1 剪切位移-剪應力關(guān)系曲線

5種剪切速率下剪切位移-剪應力關(guān)系曲線如下圖4(a)～4(e)所示.

根據(jù)圖4可知， 減小豎向應力能讓重塑粉土的峰值更加明顯， 垂直壓力分別是50 kPa、100 kPa，重塑飽和粉土剪切的峰值較明顯，峰值對應的剪切位移分別為1 mm ～2 mm、 1.6 mm～2.5 mm，具有應變軟化特征.在試驗初始階段，剪應力隨著剪切位移增加增長速率較快.因為重塑粉土以粉粒為主，可形成以粉粒為主的蜂窩結(jié)構(gòu)，土孔隙較大，抵抗變形能力較差[13].試驗開始時變形很快，剪應力就增加很快.隨著剪切時間增加，較大顆粒被壓碎后填充孔隙使孔隙變小，剪應力增加緩慢.各剪切速率，增大豎向應力使得最大剪應力對應的剪切位移變大.因為克服越來越大的剪應力，剪切位移越大使得剪應力發(fā)揮更充分，土樣抗剪強度達到極限值.

(a)剪切速率0.2 mm/min

2.2 不同剪切速率下抗剪強度指標

根據(jù)公式(1)計算出土樣在剪切后含水率減小比例，將垂直壓力與不同剪切速率下含水率減小的比例關(guān)系用曲線圖繪出，如圖5所示.

圖5 不同剪切速率下垂直壓力與含水率減小比例的關(guān)系

按照《土工試驗方法標準》[11]，若圖4曲線有明顯峰值，抗剪強度數(shù)值使用峰值；若沒有明顯峰值，則抗剪強度值取剪切位移4 mm對應的剪應力值.根據(jù)摩爾-庫侖公式，見公式(2)，縱坐標是剪應力，橫坐標是垂直壓力，繪制出重塑粉土在不同剪切速率下垂直壓力和剪應力的關(guān)系圖，見圖6.

圖6 不同剪切速率下抗剪強度與垂直壓力關(guān)系

(2)

式中c為黏聚力，σ為垂直壓力，φ為內(nèi)摩擦角，τf為抗剪強度.

由圖6可以知道，垂直壓力相同，變大剪切速率會讓重塑飽和粉土的抗剪強度變小.當垂直壓力為50 kPa，剪切速率從0.2 mm/min依次增加到0.4 mm/min、0.8 mm/min、1.6 mm/min和2.4 mm/min，其抗剪強度依次減小了9.6 kPa、5.3 kPa、4.1 kPa、2.4 kPa.當垂直壓力為300 kPa，其抗剪強度依次減小了21.8 kPa、14 kPa、9.7 kPa、5.7 kPa.可知，在較小垂直壓力作用下，增大剪切速率，重塑飽和粉土抗剪強度減小的幅度不大，當垂直壓力增大時，增大剪切速率，其抗剪強度減小的幅度更明顯.相同垂直壓力下，當剪切速率增大到不高于0.8 mm/min時，抗剪強度減小得更明顯.根據(jù)以上規(guī)律，當重塑飽和粉土被用于土壩工程，若堆填施工速度快，土體受到的剪切速率快，采用《土工試驗方法標準》(GB/T50123-2019)[11]規(guī)定的剪切速率0.8 mm/min，獲得的抗剪強度偏大，引起工程安全隱患，從工程安全考慮，應當采用2.4 mm/min的剪切速率.可見，試驗規(guī)程所規(guī)定的剪切速率不能滿足所有工程狀態(tài)，確定剪切速率值需要考慮工程狀態(tài).

砂質(zhì)粉土是以粉粒為主，黏粒含量極少，其力學性質(zhì)由粉粒起控制作用，結(jié)構(gòu)呈蜂窩結(jié)構(gòu)，孔隙較大，滲透性較大，極易失水.砂質(zhì)粉土顆粒間主要是物理連接，對含水率比較敏感，當含水率稍有減小時，抗剪強度會增加很多.從圖5可知，重塑飽和粉土在全自動直剪儀剪切中含水率會減小，孔隙水壓力減小，含水率減小的比例隨著剪切速率的減小而增加.因垂直壓力和剪切力作用出現(xiàn)失水固結(jié)，含水率減小得越多，固結(jié)更充分，抗剪強度越大，所以剪切速率0.2 mm/min對應的抗剪強度最大.當垂直壓力為50 kPa，剪切速率從0.2 mm/min依次增加到0.4 mm/min、0.8 mm/min、1.6 mm/min和2.4 mm/min，其含水率減小比例依次減少了3.2%、2.2%、1.6%、0.9%.當垂直壓力為300 kPa，其含水率減小比例依次減小了7.1%、5.4%、4.2%、3.3%.說明剪切速率增大到不高于0.8 mm/min時，含水率變化率隨垂直壓力增加而增大的幅度更明顯，土樣產(chǎn)生固結(jié)程度更大，體現(xiàn)在重塑粉土抗剪強度在垂直壓力增大時隨剪切速率增加而減小的幅度更明顯.除此之外，剪切速率較大時，重塑砂質(zhì)粉土中一些較大顆粒沒有破碎，顆粒之間接觸并不充分，使得顆粒摩擦比較弱，抗剪強度不能很好發(fā)揮，這些導致剪切速率低時抗剪強度更大.

根據(jù)圖6，能夠獲得不同剪切速率的摩擦角和黏聚力，采用關(guān)系式(3)擬合，通過origin繪制剪切速率與內(nèi)摩擦角、黏聚力的曲線圖，如圖7.發(fā)現(xiàn)剪切速率與黏聚力、內(nèi)摩擦角的擬合度分別為0.957 9、0.973 3，擬合效果較好.

y=bln(x)+d

(3)

式中y代表內(nèi)摩擦角、黏聚力；x為剪切速率；b、d都是擬合參數(shù).

(a)剪切速率和內(nèi)摩擦角變化關(guān)系

從圖7(a)可知，隨著剪切速率的增加，當剪切速率增大到不高于0.8 mm/min時，重塑粉土的內(nèi)摩擦角減小較明顯.從整條曲線來看，重塑粉土的內(nèi)摩擦角隨著剪切速率的增加呈減小趨勢.因為重塑粉土在剪切時，一些較大顆粒從另一顆粒上滾過并發(fā)生滑動，當剪切速率較快時，顆粒來不及在其他顆粒上滾過和滑動，顆粒間有效接觸點減少.同時，飽和重塑粉土顆粒間水具有潤滑作用，土樣在剪切過程中會失水使得摩擦增強，在低剪切速率下剪切所用時間較高剪切速率長，失水更多，水平固結(jié)更加充分，孔隙比減小更多，這樣使得重塑粉土顆粒之間有效接觸點增加，這些宏觀表現(xiàn)是剪切速率減小時內(nèi)摩擦角增加.

從圖7(b)可以看出，隨著剪切速率的變大，重塑粉土的黏聚力是減小的.剪切速率從0.2 mm/min增大到2.4 mm/min，黏聚力依次減小了7.13 kPa、3.66 kPa、2.91 kPa和1.75 kPa，得出剪切速率越低，隨著剪切速率的增加，黏聚力減小得更明顯.因為黏聚力主要由束縛結(jié)合水膜的分子引力、膠結(jié)物之間產(chǎn)生的膠結(jié)作用、毛細水的連接作用等一起產(chǎn)生.在剪切過程中，重塑粉土會失水，含水率減小，結(jié)合水在顆粒四周變少，束縛結(jié)合水膜的分子引力增加，黏聚力增加.隨著剪切速率的減小，重塑粉土含水率減小越多，膠結(jié)作用越強，黏聚力越大.

圖8是梯形的曲面形狀，能直觀看出剪切速率、黏聚力和內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系.增大剪切速率使得黏聚力、內(nèi)摩擦角變小，內(nèi)摩擦角較黏聚力減少的程度更小些，可知黏聚力受到剪切速率的影響更加明顯，此規(guī)律可為上面提到的土壩工程設計提供借鑒，也可為樁基工程設計提供借鑒，因為樁的沉降快慢決定土體受到的剪切速率快慢.

圖8 剪切速率、內(nèi)摩擦角和黏聚力的三維圖

3 結(jié)語

通過開展重塑飽和粉土的固結(jié)快剪試驗，得到剪切速率對其抗剪強度特性的影響結(jié)論：

1)重塑飽和粉土樣在垂直壓力分別為50 kPa、100 kPa下剪切時出現(xiàn)了明顯的峰值，抗剪強度值及其對應的剪切位移量會隨著垂直壓力的變大而變大.

2)隨著剪切速率變大，重塑飽和粉土抗剪強度變小，減小的程度會隨著豎向應力的變大而變大.相同垂直壓力下，剪切速率增大到不高于0.8 mm/min，抗剪強度減小較明顯.

3)增大剪切速率，重塑飽和粉土的c值、φ值都變小，但c值減小的更明顯，對c值影響更大.剪切速率變大后的值不超過0.8 mm/min時，其c值、φ值都減小得更多.

4)由試驗結(jié)論可知，隨著剪切速率變大，重塑飽和粉土抗剪強度變小，考慮到工程的安全性，對其固結(jié)快剪試驗應該采用較高剪切速率(采用2.4 mm/min較好).

因為試驗土樣具有區(qū)域性，試驗數(shù)量有限，以上結(jié)論可能不適合所有地區(qū)的粉土，今后可取其他地區(qū)的粉土進行試驗比較，為實際工程提供借鑒.