不同含水率高填方黃土抗剪強度試驗研究

王弘起 孫杰龍 李大衛(wèi) 楊紅霞 宋 濤

（1. 陜西建工第十三建設有限公司，陜西延安 716000；2. 延安大學 建筑工程學院，陜西延安 716000）

0 引 言

黃土丘陵溝壑區(qū)最大的生態(tài)環(huán)境問題是水土流失，采用工程造地是治理水土流失的一種重要的方法。但因黃土丘陵溝壑區(qū)具有特殊的工程環(huán)境和地質(zhì)條件，工程造地一般選用“平山、填溝”等方法。由于挖填方區(qū)高差較大，此類工程屬于典型的濕陷性黃土地區(qū)的高填方工程，且黃土丘陵溝壑區(qū)處于半濕潤半干旱區(qū)的過渡帶，夏季高溫多雨，在雨水作用下高填方黃土力學特性變異較大，導致高填方邊坡穩(wěn)定性問題突出。

近年來，國內(nèi)外眾多學者在黃土力學特性研究方面取得了豐碩的成果[1-4]。謝永利等[5]采用離心模型試驗對黃土公路路塹邊坡不同坡型變形與破壞的發(fā)展過程、破壞特征及設計相關(guān)參數(shù)的確定進行了研究。倪萬魁等[6]、肖東輝等[7]、董曉宏等[8]、李國玉等[9]、王鐵行[10]和宋春霞等[11]對凍融循環(huán)作用下黃土微觀結(jié)構(gòu)、孔隙率、強度劣化特性等方面進行了研究。雷勝友等[12]、王朝陽[13]和趙淑萍等[14]基于CT實時試驗對黃土微結(jié)構(gòu)變化、應力-應變及凍結(jié)損傷進行了分析。

在前人研究的基礎(chǔ)上[15-19]，本文以延安新區(qū)高填方黃土邊坡為工程背景，開展不同含水率下高填方黃土力學特性試驗研究，探究含水率對高填方黃土力學特性的影響，為黃土溝壑區(qū)高填方黃土邊坡的安全運行和長期穩(wěn)定性評價提供科學依據(jù)。

1 試驗方案

在延安新區(qū)B4-06、B4-25 高填方場地取樣，該場地北高南低，坡比為1∶1.5，原始地貌為黃土梁峁溝壑區(qū)，經(jīng)大面積平山造地施工后形成現(xiàn)狀場地，絕大部分位于填方區(qū)，最大填方厚度約60 m，僅局部位于挖方區(qū)，最大挖方厚度約30 m?，F(xiàn)場取樣后按照《土工試驗方法標準》（GB T50123-2019）制成含水率分別為2%、4%、6%、10%、12%、15%、20%和25%的試樣，在制樣過程中控制試樣密度為1.667 g/cm3，如圖1 所示。

圖1 試樣

試樣制備完成后，采用DSJ-3 型應變控制式直剪儀（見圖2）開展剪切試驗，剪切速率為0.8 mm/min，法向應力分別為50 kPa、100 kPa、200 kPa 和400 kPa。

圖2 DSJ-3 型應變控制式直剪儀

2 試驗結(jié)果分析

根據(jù)試驗結(jié)果，繪制不同含水率下剪應力與法向應力關(guān)系曲線，如圖3 所示。對圖3 中不同含水率下剪應力與法向應力關(guān)系曲線進行線性擬合，得到不同含水率下高填方黃土黏聚力和內(nèi)摩擦角，見表1。

表1 不同含水率下高填方黃土抗剪強度試驗結(jié)果

圖3 不同含水率法向應力與剪應力關(guān)系

2.1 不同含水率下抗剪強度變化規(guī)律

不同含水率下高填方黃土抗剪強度變化規(guī)律如圖4 所示。

圖4 不同含水率下高填方黃土抗剪強度

由圖4 可知，不同含水率下高填方黃土的抗剪強度呈明顯的非線性，當含水率為2%～10%時，抗剪強度隨含水率逐漸增大；當含水率為10%～15%時，抗剪強度迅速增大，其曲線斜率較大，說明在此范圍內(nèi)含水率對高填方壓實黃土的抗剪強度影響較大；當含水率為15%～25%，抗剪強度開始減小。綜上所述，含水率為2%～25%時，高填方壓實黃土的抗剪強度隨含水率的變化呈現(xiàn)先增大而后減小變化規(guī)律。

2.2 含水率對抗剪強度指標的影響

不同含水率下抗剪強度指標變化規(guī)律見圖5。

據(jù)圖5（a），含水率在2%～25%時內(nèi)摩擦角的變化范圍為13.98°～39.79°，其隨含水率變化增量見表2。

表2 內(nèi)摩擦角隨含水率變化增量

圖5 不同含水率下抗剪強度指標

由表2 可知，含水率為2%～6%時，內(nèi)摩擦角先小幅度減小后增大，這是因為土中含水率較小時，起到了一定的潤滑作用，內(nèi)摩擦角先減??；隨著含水率增大土顆粒間的毛細水所引起的表面張力增大，導致作用在土顆粒接觸面的作用力增大，從而使內(nèi)摩擦角增大。含水率為6%～15%時，土顆粒間發(fā)生相對滑動時，不僅要克服土顆粒間的摩擦力，還要克服土顆粒間的黏聚力，從而導致土的內(nèi)摩擦角增大；含水率為15%～25%時，根據(jù)有效應力原理，土中的孔隙水壓力增大，有效應力減小，導致土顆粒間的作用力減小，內(nèi)摩擦角隨之減小。

由圖5（b）可知，含水率在2%～25%時，黏聚力的變化范圍為3.86～80.57 kPa，且隨含水率增大呈先增大后減小的趨勢，其隨含水率變化增量見表3。

表3 黏聚力隨含水率變化增量

由表3 可知，含水率為2%～15%時，因為土中含水率的增大，土顆粒-水-電系統(tǒng)間的相互作用逐漸增強，從而導致土的黏聚力逐漸增大；當含水率為15%～25%時，因為含水率進一步增大，顆粒間的膠結(jié)力逐漸減小，黏聚力隨之減小。

綜上所述，含水率在2%～25%時，土的內(nèi)摩擦角和黏聚力會隨含水率的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢；由圖5（a）和圖5（b）對比可知，黏聚力的增大和減小趨勢比內(nèi)摩擦角更加明顯，說明黏聚力對含水率更加敏感。

2.3 不同含水率下剪切位移與剪應力關(guān)系

不同含水率下高填方黃土剪切位移與剪應力關(guān)系如圖6 所示。

由圖6 可知，在同一法向應力作用下，試樣含水率為12%和15%時，隨著剪切位移增大，剪應力會迅速增大到極限值，整個過程剪切位移和剪應力基本呈線性關(guān)系；含水率在2%～15%范圍內(nèi)，隨著含水率增大，剪切位移與剪應力曲線斜率逐漸增大；法向應力較小時，不同含水率下剪切位移和剪應力關(guān)系曲線較“離散”，而隨著法向應力的增大，不同含水率下剪切位移與剪應力曲線逐漸聚集，說明法向應力的大小對剪切位移和剪應力關(guān)系有一定影響。

圖6 不同含水率下剪切位移與剪應力關(guān)系

3 結(jié)論

（1）含水率在2%～25%時，高填方黃土的抗剪強度隨含水率的變化呈先增大而后減小變化規(guī)律，并在含水率為15%時達到峰值，因此在高填方黃土邊坡支護過程中，合理選擇含水率能夠有效降低發(fā)生滑坡的幾率。

（2）含水率在2%～25%時，高填方黃土的內(nèi)摩擦角和黏聚力會隨含水率的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，且含水率對黏聚力影響較大。

（3）含水率在2%～15%時，隨著含水率增大，剪切位移與剪應力曲線斜率逐漸增大，其中含水率為12%和15%時，剪切位移和剪應力基本呈線性關(guān)系；法向應力的大小會影響剪切位移與剪應力關(guān)系曲線的“離散”程度。