不同固結(jié)時(shí)間崩崗?fù)馏w抗剪強(qiáng)度的差異

徐廣澤，李松陽，鐘小燕，張 越，蔣芳市，葛宏力，林金石，黃炎和

（1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 福州分公司，福建 福州 350001；2.福建農(nóng)林大學(xué)，福建 福州 350002）

崩崗是我國南方紅壤丘陵區(qū)特有的復(fù)合侵蝕地貌類型，崩壁失穩(wěn)崩塌是崩崗的主要侵蝕過程［1］，崩壁失穩(wěn)崩塌與土體抗剪強(qiáng)度下降有關(guān)［2－3］，而土壤含水率及其固結(jié)條件是影響土體抗剪強(qiáng)度的主要因素［4］。因此，近年來許多學(xué)者對(duì)崩崗?fù)馏w抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與土壤含水率、固結(jié)度的關(guān)系進(jìn)行了研究［5－14］。由于崩崗各層土壤因孔隙和水分運(yùn)動(dòng)情況不同而固結(jié)條件不同，因此抗剪強(qiáng)度研究結(jié)果存在差異。為了給崩崗崩塌侵蝕過程研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論參考，筆者對(duì)典型崩崗各土層土壤進(jìn)行不同時(shí)間預(yù)壓固結(jié)，分析了固結(jié)時(shí)間與崩崗?fù)馏w抗剪強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省安溪縣龍門鎮(zhèn)。據(jù)2005年調(diào)查統(tǒng)計(jì)，安溪縣崩崗數(shù)量達(dá)1.28萬個(gè)，占福建省崩崗總數(shù)量的49.28%；龍門鎮(zhèn)是安溪縣崩崗高度發(fā)育的區(qū)域，崩崗數(shù)量為1 228個(gè)，占安溪縣崩崗總數(shù)量的9.57%。研究區(qū)年均氣溫為18℃，年均降雨量1 800 mm。

1.2 土樣采集

研究區(qū)崩崗?fù)寥乐饕苫◢弾r經(jīng)長期風(fēng)化而成，在南方紅壤區(qū)花崗巖崩崗中具有較好的代表性。因此，在研究區(qū)內(nèi)選擇3處典型崩崗崩壁采集紅土層、砂土層、碎屑層土壤，每處采集土壤15～20 kg，帶回實(shí)驗(yàn)室備用。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

（1）試件制備。將土樣風(fēng)干后過2 mm篩，測(cè)定土壤含水率，然后按照質(zhì)量含水率（ω）分別為20%、24%、28%、32%噴灑水分進(jìn)行土樣配置，將土樣裝入自封袋中放置24 h后用于試件制作。制作試件的環(huán)刀直徑為61.8 mm，高為20 mm，采用擊實(shí)法制備試件，在預(yù)壓儀上分別固結(jié)0.25、1、4、8、24、48 h，把制成的試件用自封袋密封保存以避免含水率發(fā)生變化。

（2）直剪試驗(yàn)［15－16］。采用固結(jié)快剪測(cè)定崩崗?fù)寥赖目辜魪?qiáng)度，四聯(lián)直剪儀型號(hào)為LH－DDS－4（南京泰克奧科技有限公司制造），在垂直壓強(qiáng)為50、100、200、300 kPa條件下進(jìn)行試驗(yàn)，剪切速率為0.8 mm／min，保證試件在5 min內(nèi)被剪損，每種試件重復(fù)試驗(yàn)3次。試驗(yàn)結(jié)束后再次測(cè)定每個(gè)試件的含水率，其值與預(yù)設(shè)值的差異應(yīng)在1%以內(nèi)。

1.4 抗剪強(qiáng)度計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算抗剪強(qiáng)度：

式中：τf為抗剪強(qiáng)度，kPa；σ為法向應(yīng)力，kPa；φ為內(nèi)摩擦角，°；c為黏聚力，kPa。

采用Excel2019進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，運(yùn)用SPSS21.0等軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 固結(jié)時(shí)間對(duì)崩崗?fù)馏w抗剪強(qiáng)度的影響

（1）固結(jié)時(shí)間對(duì)崩崗紅土層土體抗剪強(qiáng)度的影響。如圖1所示：當(dāng)土壤含水率為20%時(shí)，抗剪強(qiáng)度相對(duì)較大但隨固結(jié)時(shí)間的延長呈減小趨勢(shì)，導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因可能是崩崗紅土層土壤類型為高液限黏土，此類土壤在含水率較低時(shí)土壤狀態(tài)較為堅(jiān)硬［16］，土壤顆粒微觀結(jié)構(gòu)在固結(jié)過程中遭到破壞、黏結(jié)力減?。?7］，進(jìn)而使土體抗剪強(qiáng)度減?。划?dāng)土壤含水率為24%時(shí)，土體抗剪強(qiáng)度受固結(jié)時(shí)間的影響較小，這可能與本研究所選土樣為重塑土有關(guān)，在土壤擾動(dòng)過程結(jié)束后土體結(jié)構(gòu)達(dá)到新的平衡狀態(tài)，土體抗剪強(qiáng)度變化較??；當(dāng)土壤含水率為28%時(shí)，在垂直壓強(qiáng)為200 kPa和300 kPa情況下，土體抗剪強(qiáng)度隨固結(jié)時(shí)間的延長呈逐漸減小的趨勢(shì)；當(dāng)土壤含水率為32%時(shí)，土體抗剪強(qiáng)度隨固結(jié)時(shí)間的延長也呈逐漸減小趨勢(shì)，在土壤含水率大于自然含水率情況下抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的主要影響因素是基質(zhì)吸力［9］，而崩崗紅土層土壤顆粒以黏粒為主，在土壤含水率較大的情況下，隨著固結(jié)時(shí)間的延長，土壤顆粒吸水膨脹，土壤孔隙水壓力受土壤孔隙比減小影響而逐漸降低，進(jìn)而造成崩崗紅土層土壤基質(zhì)吸力減小，土體抗剪強(qiáng)度隨之減小。

圖1 不同水分條件下紅土層土體抗剪強(qiáng)度與固結(jié)時(shí)間的關(guān)系

（2）固結(jié)時(shí)間對(duì)崩崗砂土層土體抗剪強(qiáng)度的影響。如圖2所示：不同含水率條件下土體抗剪強(qiáng)度隨固結(jié)時(shí)間的變化趨勢(shì)有所不同，當(dāng)土壤含水率為20%、24%和28%時(shí)，隨著固結(jié)時(shí)間延長，垂直壓強(qiáng)為50 kPa和300 kPa的土體抗剪強(qiáng)度變化趨勢(shì)并不明顯，垂直壓強(qiáng)為100 kPa和200 kPa的土體抗剪強(qiáng)度隨固結(jié)時(shí)間變化較大；當(dāng)含水率為32%時(shí)，土體抗剪強(qiáng)度在垂直壓強(qiáng)為50、200、300 kPa條件下呈逐漸增大的趨勢(shì)，但變化率較小，在垂直壓強(qiáng)為100 kPa條件下土體抗剪強(qiáng)度則呈逐漸減小趨勢(shì)。在垂直壓強(qiáng)為50 kPa和300 kPa條件下，隨著固結(jié)時(shí)間的延長，崩崗砂土層土體抗剪強(qiáng)度變化范圍較小，與陳秀云等［18］的研究結(jié)果一致，原因可能是崩崗砂土層在50 kPa垂直壓強(qiáng)作用下未產(chǎn)生有效應(yīng)力，而在垂直壓強(qiáng)達(dá)到300 kPa時(shí)土體因所受有效應(yīng)力大于土壤最大有效應(yīng)力而完全固結(jié)，因此在這兩種情況下抗剪強(qiáng)度隨固結(jié)時(shí)間的變化較??；在垂直壓強(qiáng)為100 kPa和200 kPa條件下，土體固結(jié)過程影響因素較為復(fù)雜，土體抗剪強(qiáng)度隨固結(jié)時(shí)間變化較大。

圖2 不同水分條件下砂土層土體抗剪強(qiáng)度與固結(jié)時(shí)間的關(guān)系

（3）固結(jié)時(shí)間對(duì)崩崗碎屑層土體抗剪強(qiáng)度的影響。如圖3所示：在含水率分別為20%、24%、28%、32%情況下，隨著固結(jié)時(shí)間的延長土體抗剪強(qiáng)度均無明顯變化，這與劉天韻［19］的研究結(jié)果有所不同，這可能與土壤粒徑分布和孔隙結(jié)構(gòu)不同有關(guān)。崩崗碎屑層粗顆粒含量較高，比表面積較小，土壤膠結(jié)能力較差［20］，且崩崗碎屑層所含大量石英、長石和云母的顆粒表面能較小［21］，與紅土層和砂土層相比，不易產(chǎn)生孔隙水壓力，因此土體抗剪強(qiáng)度隨固結(jié)時(shí)間的變化 較小。

圖3 不同水分條件下碎屑層土體抗剪強(qiáng)度與固結(jié)時(shí)間的關(guān)系

2.2 固結(jié)時(shí)間對(duì)崩崗?fù)馏w黏聚力的影響

由表1可知：崩崗紅土層土體黏聚力在土壤含水率為20%時(shí)隨固結(jié)時(shí)間延長呈減小趨勢(shì)，在土壤含水率為24%、28%和32%時(shí)均呈增大趨勢(shì)。土體結(jié)構(gòu)和土壤顆粒是影響土體黏聚力的重要因素［22］，隨著固結(jié)時(shí)間的延長，在垂直壓強(qiáng)和土壤水分的共同作用下，崩崗紅土層中的黏粒排列更加緊密，土壤顆粒間相互作用力增大，進(jìn)而增大了土體黏聚力。崩崗紅土層土體黏聚力隨固結(jié)時(shí)間的變化是非線性的，與徐宏等［23］的研究結(jié)果相似。

表1 不同固結(jié)時(shí)間的崩崗紅土層土體黏聚力

由表2可知，隨著固結(jié)時(shí)間的延長，崩崗砂土層土體黏聚力存在較大范圍的波動(dòng)，與張勇［7］的研究結(jié)果一致，其原因可能是崩崗砂土層毛管孔隙較多，弱結(jié)合水膜的潤滑作用降低了土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性［24］，土體中水分的流動(dòng)具有隨機(jī)性且土壤細(xì)顆粒隨之發(fā)生無規(guī)律運(yùn)移，導(dǎo)致土體黏聚力降低。

表2 不同固結(jié)時(shí)間的崩崗砂土層土體黏聚力

崩崗碎屑層土體黏聚力隨固結(jié)時(shí)間的變化情況（見表 3）與砂土層的相似，隨著固結(jié)時(shí)間的延長在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，但黏聚力整體上比砂土層的小，其可能原因是崩崗碎屑層黏粒和游離氧化鐵含量較低，土體結(jié)構(gòu)更為疏松，因此土體黏聚力較?。?5］。

表3 不同固結(jié)時(shí)間的崩崗碎屑層土體黏聚力

2.3 固結(jié)時(shí)間對(duì)崩崗?fù)馏w內(nèi)摩擦角的影響

不同固結(jié)時(shí)間的崩崗紅土層、砂土層、碎屑層土體內(nèi)摩擦角分別見表4、表5、表6。

表4 紅土層不同固結(jié)時(shí)間的內(nèi)摩擦角

表5 砂土層不同固結(jié)時(shí)間的內(nèi)摩擦角

表6 碎屑層不同固結(jié)時(shí)間的內(nèi)摩擦角

隨著固結(jié)時(shí)間的延長，崩崗紅土層土體內(nèi)摩擦角呈減小趨勢(shì)，主要原因是在固結(jié)時(shí)間逐漸延長的過程中，水分在土壤顆粒間產(chǎn)生一層具有潤滑作用的水膜（其厚度逐漸增大）［26］，使土壤顆粒間的距離加大、摩擦力減小，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角減小。有關(guān)研究表明［27］，在水分進(jìn)入土壤內(nèi)部的過程中，會(huì)溶解土壤中的可溶性膠結(jié)物質(zhì)和無機(jī)鹽，對(duì)土體抗剪強(qiáng)度造成影響，同時(shí)，溶解的膠結(jié)物質(zhì)和水膜結(jié)合，導(dǎo)致土壤顆粒間摩擦力減小，使得土體抗剪強(qiáng)度迅速下降，這也是崩崗侵蝕的成因之一［5］。

在不同固結(jié)時(shí)間情況下，崩崗砂土層和碎屑層土體內(nèi)摩擦角變化相對(duì)較小，與趙建軍等［28］的研究結(jié)果一致，原因可能是崩崗砂土層和碎屑層土壤粗顆粒含量較高。

3 結(jié) 論

（1）崩崗紅土層土體抗剪強(qiáng)度在土壤含水率為20%時(shí)相對(duì)較大但隨固結(jié)時(shí)間的延長呈減小趨勢(shì)，在含水率為24%～32%時(shí)隨固結(jié)時(shí)間的延長變化相對(duì)較??；崩崗砂土層土體抗剪強(qiáng)度隨固結(jié)時(shí)間延長，在垂直壓強(qiáng)為100～200 kPa時(shí)變化較大，在垂直壓強(qiáng)為50、300 kPa時(shí)變化較小；在不同固結(jié)時(shí)間情況下，崩崗碎屑層土體抗剪強(qiáng)度變化均較小。

（2）隨著固結(jié)時(shí)間的延長，崩崗紅土層土體黏聚力在含水率為24%～32%時(shí)呈增大的趨勢(shì)，崩崗砂土層土體黏聚力在一定范圍波動(dòng)變化，崩崗碎屑層土體黏聚力受固結(jié)時(shí)間的影響較小。

（3）隨著固結(jié)時(shí)間的延長，崩崗紅土層土體內(nèi)摩擦角呈減小趨勢(shì)，崩崗砂土層和碎屑層內(nèi)摩擦角變化較小。