含水率對非飽和土抗剪強度試驗研究

閆 奇，李義衡，許譽浩

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

滑坡是常見且頻發的工程問題之一。18世紀，莫爾(Mohr)在庫倫(Coulomb)建立土強度理論的基礎上建立了土的莫爾-庫倫強度理論，自此奠定了土質邊坡穩定分析的基礎。近年來，許多工程實例表明，非飽和土抗剪強度的變化是產生滑坡的主要原因，大雨、冰雪融化影響下的滑坡災害更是頻頻發生。對此，國內外針對滑坡體含水量的變化導致滑坡體抗剪強度及其參數指標下降問題進行大量的試驗研究及理論分析。在試驗研究方面，黃琨[1]等對欠固結第三系粉砂土進行不同含水率狀態下的直剪試驗，研究不同含水率對內摩擦角、黏聚力等抗剪強度指標的影響；Soonkie Nam[2]等采用多級直剪試驗法測定非飽和土的抗剪強度變化規律；穆銳[3]、張培培[4]等分別對紅黏土進行不均勻含水率、不同含水率條件下抗剪強度指標試驗研究，并提出含水率20%是紅黏土抗剪強度減小快慢的分界點；何江[5]通過控制非飽和膨脹土基質吸力三軸剪切試驗，驗證擬合關系表達式合理性及適用性。理論研究方面：方薇[6]針對廣泛使用Fredlund 非飽和土抗剪強度包絡面，考慮抗剪強度與凈法向應力、基質吸力非線性關系，提出非飽和土非線性強度包絡殼模型；劉昭希[7]采用室內土工試驗與理論分析方法，擬合出抗剪強度參數隨含水率變化曲線表達式，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試驗及成果，以哈爾濱某邊坡黏土為主要研究對象，利用室內土工試驗對取樣黏土進行基本物理力學性質測試。在此基礎上依據土工試驗方法標準[8]制備不同含水率的環刀試樣，分別對不同含水率試樣進行直剪試驗、濾紙法測定土水特征曲線試驗，計算出不同含水率下黏土抗剪強度參數指標，繪制不同含水率下抗剪強度隨基質吸力變化關系曲線，定量分析非飽和黏土抗剪強度隨含水率變化曲線。

1 黏土基本物理力學性質

試驗土樣取自哈爾濱地區某黏土邊坡，對所取黏土試樣進行一系列土力學試驗。試驗結果如表1所示。

表1 土樣基本物理力學參數表

對所取天然土樣進行烘干處理，用橡皮錘錘擊大顆粒土塊，然后過規格為2 mm篩，2 mm篩下土樣占總土樣90%以上。對篩下的細顆粒部分進行細篩分析，采用孔徑2.0、1.0、0.5、0.25、0.1 mm標準篩對烘干土樣進行篩分試驗。

黏土試樣粒徑范圍占總質量百分比如表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Cu=14.8和曲率系數Cc=0.828，屬不連續級配，缺失0.1～0.25 mm中間粒徑。

表2 不同粒徑范圍質量百分比

圖1 黏土的粒徑級配曲線

2 非飽和土抗剪強度理論

2.1莫爾-庫倫強度理論

莫爾-庫倫破壞準則認為破裂面上土的抗剪強度與正應力為單值函數：

τf=F(σ)

(1)

當正應力未達到破壞值時，則表現為線性函數關系，表達式為：

τf=c+σtanφ

(2)

式中：τf為土的抗剪強度；c為黏聚力；σtanφ為摩擦強度;φ為內摩擦角。

2.2 擴展的莫爾-庫倫準則

莫爾-庫倫準則理論，由于其計算簡單得到廣泛的應用。大量試驗結果表明，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度理論，但仍存在一些差別。人們逐漸發現莫爾-庫倫準則的局限性，通過對三軸、直剪等設備進行改進，研究土的抗剪強度與孔隙氣壓力、孔隙水壓力關系變化關系。在原來基礎上，總結提出擴展的莫爾-庫倫準則。

τf=c′+ (σ-ua)ftanφ′+(ua-uw)ftanφb

(3)

式中：(σ-ua)f為破裂面凈法向應力；(ua-uw)為基質吸力；c′，φ′分別為有效黏聚力、內摩擦角；φb為對應基質吸力的內摩擦角，反映抗剪強度增長率與基質吸力的關系。

3 試樣制備方法

對重塑土樣先制備一定含水率的環刀試樣，在烘干或浸潤過程中環刀試樣整體含水率難以均勻下降或上升，可能導致環刀試樣在“吸水”“失水”過程中出現不均勻含水率環刀試樣,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行烘干處理,將烘干土樣過2 mm標準篩進行篩分試驗并稱量分組。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”制備環刀土樣，對環刀試樣表面處理，并將制備環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(環刀體積)；ω0為制樣要求含水率；m0為制樣所需濕土質量。

4 結果分析

利用Origin制圖軟件對5組不同含水率峰值采樣點進行線性擬合，擬合度相關系數分別為0.985、0.995 4、0.977 7、0.993 1、0.986 2，均接近于1，說明采樣點線性相關。根據摩爾-庫倫強度理論，擬合直線在剪應力坐標軸截距為黏聚力c，直線斜率為內摩擦角φ的正切值，結果見圖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

黏土屬于工程細粒土類,依據抗剪強度的庫侖定律，與無黏性土相比最大的區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、顆粒間膠結力等，這些力在宏觀研究方面統稱為黏聚力。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；當含水率繼續上升，試樣的狀態發生明顯的變化，此時黏土試樣在可塑狀態附近，在含水率上升至22%時，黏聚力下降幅度50%；當含水率上升至28%左右時，制備試樣快接近軟塑狀態，已經無法承受300 kPa的法向壓力，不能進行常規直剪試驗。

4.2 不同含水率對內摩擦角的影響

內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。含水率對內摩擦角的影響見圖4。

圖3 黏聚力與含水率關系曲線 圖4 內摩擦角與含水率關系曲線

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摩擦角呈逐漸下降趨勢。含水率13%時，內摩擦角最大約為18.3°。隨著含水率的不斷增加，內摩擦角變化與黏聚力表現不同，主要呈對數線關系下降，無峰值點出現。含水率從13%下降至20%時，內摩擦角下降較快，當試樣土到達可塑狀態附近時，含水率增量相同，內摩擦角的下降幅度降低，符合陳高峰[9]等廣義內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吸力對非飽和黏土抗剪強度的影響。采用國產“雙圈”定量No.203慢速濾紙對非飽和黏土試樣進行土水特征曲線測定，參考學者白福清[10]測得的No.203率定曲線，計算并繪制不同含水率下基質吸力關系曲線，如圖5所示。

4.4 不同含水率對基質吸力的影響

隨著人們對非飽和土強度的深入研究，利用現代科技手段對直剪、三軸等設備進行改善，通過控制非飽和土孔隙氣壓力和孔隙水壓力，對抗剪強度變化和基質吸力狀態變量做進一步研究。

由圖5可知：含水率上升時，黏土基質吸力主要呈現下降趨勢。為了進一步分析變化趨勢進行Origin數據非線性擬合，擬合關系曲線表達式為：

lgh=1.80+0.051ω0-0.00346ω02

(5)

式中：h為基質吸力。

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

4.5 基質吸力對非飽和土抗剪強度參數的影響

為了進一步研究含水率上升過程中，非飽和土抗剪強度參數與基質吸力的關系。繪制不同含水率下黏聚力、內摩擦角與基質吸力變化曲線，如圖6所示。

圖5 黏土總吸力、基質吸力與含水率關系曲線 圖6 黏聚力、內摩擦角及基質吸力與含水率關系曲線

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

5 結論

通過對不同含水率下非飽和土抗剪強度影響試驗研究，得出以下結論：

(1)含水率上升時，非飽和黏土黏聚力和內摩擦角變化并非單一曲線關系，黏聚力比內摩擦角受含水率影響更嚴重，當含水率在19%～22%間上升時，內摩擦角下降約25%，而黏聚力下降幅度則為2倍；從施加50 kPa法向應力來看，含水率大于19%時，黏土抗剪強度參數及抗剪強度包絡線低于穩定狀態。

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

(3)非飽和黏土含水率上升時，基質吸力變化可作為重要參考因素，含水率為19%～25%時，基質吸力是含水率對黏土抗剪強度變化的重要影響因素。受試驗制樣過程中壓實度、試驗設備等限制因素影響，并未對不同含水率下凈法向應力及孔隙氣壓力進行測定，所測得的含水率通過基質吸力影響抗剪強度的關系曲線有待進一步試驗驗證。