許四法，王志健，胡　琦，祁曉翔

(浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

重塑非飽和粉質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究

許四法，王志健，胡琦，祁曉翔

(浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

摘要：含水率對(duì)非飽和土的抗剪強(qiáng)度有很大影響，因此研究含水率與非飽和土抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系，具有重要的工程意義.以粉質(zhì)黏土為研究對(duì)象，通過直剪和基質(zhì)吸力試驗(yàn)，研究含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度及內(nèi)摩擦角和黏聚力的影響.結(jié)果表明：隨著基質(zhì)吸力的增大，非飽和土的抗剪強(qiáng)度不斷增大，說明基質(zhì)吸力對(duì)抗剪強(qiáng)度有較大貢獻(xiàn)；隨著含水率增大，土的內(nèi)摩擦角減??；在含水率較小時(shí)，黏聚力增大，當(dāng)含水率增加到一定值時(shí)，土的黏聚力急劇下降。

關(guān)鍵詞：非飽和土；抗剪強(qiáng)度；黏聚力；內(nèi)摩擦角；基質(zhì)吸力

An experimental study on the shear strength characteristics

of remolded unsaturated silty clay

XU Sifa, WANG Zhijian, HU Qi, QI Xiaoxiang

(College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:The water content exerts a great influence on the shear strength of unsaturated clay. It is, therefore, of important practical significance to study the relationship between the water content and the shear strength of unsaturated clay. The direct shear test and the matrix suction test were adopted to investigate the effects of the water content on the shear strength, friction angle, and cohesion of silty clay. The results showed that the shear strength of unsaturated clay increases with the increase of the water content, indicating that the matrix suction has a larger contribution to the shear strength. The friction angle decreases by increasing the water content. At a low water content, cohesion increases with an increases in water content. When the water content reaches a certain value, however, cohesion drops dramatically。

Keywords:unsaturated clay; shear strength; cohesion; internal friction angle; matrix suction

土的抗剪強(qiáng)度除受土體的結(jié)構(gòu)和種類影響以外，還與含水率與飽和度有很大關(guān)系.當(dāng)土體的含水率發(fā)生變化時(shí)，其工程性質(zhì)會(huì)發(fā)生很大改變，其根本原因在于基質(zhì)吸力的不同。

有關(guān)非飽和土的強(qiáng)度特性，F(xiàn)redlund[1]研究了非飽和土的滲透、強(qiáng)度及體變特性與土水特征曲線之間的關(guān)系，提出了雙應(yīng)力狀態(tài)非飽和土抗剪強(qiáng)度公式.Vanapalli[2]在非飽和土微觀分析的基礎(chǔ)上，利用土水特征曲線建立φb與土的含水率變化之間的關(guān)系，提出了非飽和土抗剪強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式.張常光[3]認(rèn)為吸附強(qiáng)度表達(dá)式的不同導(dǎo)致了非飽和土抗剪強(qiáng)度公式的多樣性.除理論研究之外，很多學(xué)者通過試驗(yàn)研究非飽和土的特性.郭利娜[4]利用土水特征曲線對(duì)Fredlund、Vanapalli的非飽和土抗剪強(qiáng)度預(yù)測(cè)公式與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了預(yù)測(cè)公式的準(zhǔn)確性.龔壁衛(wèi)[5]研究了鄂西北及南陽(yáng)盆地膨脹土的抗剪強(qiáng)度特性，得到了非飽和膨脹土抗剪強(qiáng)度與基質(zhì)吸力的關(guān)系呈雙曲線形式.繆林昌[6]研究了南陽(yáng)膨脹土在不同吸力狀態(tài)下非飽和強(qiáng)度特性，提出了基質(zhì)吸力對(duì)抗剪強(qiáng)度貢獻(xiàn)的雙曲線模型.周葆春[7]探討了原狀、壓實(shí)、石灰改良膨脹土的非飽和抗剪強(qiáng)度與土水特征曲線的關(guān)系.李濤等[8]研究了基質(zhì)吸力對(duì)非飽和紅黏土抗剪強(qiáng)度參數(shù)φ′和φb的影響，其中φb隨基質(zhì)吸力的增加而先不變后減小.董倩[9]進(jìn)行了不同吸力條件的直剪試驗(yàn)和土樣結(jié)構(gòu)的微觀掃描，發(fā)現(xiàn)非飽和粉質(zhì)砂土抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力的增加先增大后減小，會(huì)出現(xiàn)抗剪強(qiáng)度峰值的現(xiàn)象.王勇[10]利用GDS非飽和土三軸儀對(duì)杭州地鐵儲(chǔ)氣砂土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)定，認(rèn)為殘余含水率是基質(zhì)吸力對(duì)非飽和砂土抗剪強(qiáng)度貢獻(xiàn)大小的分界線.孟凡麗[11]對(duì)卸荷狀態(tài)下的軟黏土進(jìn)行了研究,得到了卸荷土體抗剪強(qiáng)度變化的一般規(guī)律.王珊珊[12]利用靜三軸試驗(yàn)，模擬了水泥土在工程中的應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)水泥土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了探討。

由于受土體骨架結(jié)構(gòu)、土顆粒礦物成分、黏粒含量、應(yīng)力歷史等內(nèi)部條件的影響，非飽和土抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力變化的規(guī)律對(duì)于不同的土體明顯不同.筆者利用壓力板儀和直剪儀進(jìn)行組合試驗(yàn)，以含水率變化對(duì)非飽和土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響為切入點(diǎn)，結(jié)合水土特征曲線的應(yīng)用，探討基質(zhì)吸力對(duì)非飽和粉質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度特性的影響規(guī)律。

1研究方案與方法

1.1土樣的基本物理力學(xué)性質(zhì)

試驗(yàn)所用土樣采自杭州臨安地區(qū)，天然土樣基本物理特性如表1所示，顆粒級(jí)配如表2所示。

表1　天然土樣的基本物理性質(zhì)

表2　天然土樣的顆粒級(jí)配

根據(jù)《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》[13](GB/T50145—2007)中的規(guī)定，細(xì)顆粒含量超過50%的土為細(xì)粒土,因此試驗(yàn)中采用的土樣為細(xì)粒土.塑性指數(shù)為14，該土樣屬于粉質(zhì)黏土。

1.2重塑土樣制備方法

1.2.1直剪試驗(yàn)

將土樣進(jìn)行烘干、去雜質(zhì)和碾磨之后，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的土樣尺寸、干密度和含水率計(jì)算所需干土和水的質(zhì)量，將土樣分批倒入容器中，用噴霧器將水噴入到容器中，重復(fù)多次，然后用保鮮膜將容器密封靜置，放置24 h后將土樣攪拌均勻再密封靜置24 h，測(cè)定土樣的含水率。

1.2.2土水特征曲線試驗(yàn)

將土樣進(jìn)行烘干、去雜質(zhì)和碾磨之后，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的土樣尺寸、干密度計(jì)算所需干土質(zhì)量，加入一定量水在容器中混合攪拌均勻，靜置24 h。

1.3直剪試驗(yàn)方案

試驗(yàn)土樣直徑61.8 mm，高度20 mm.制樣后放入直剪儀進(jìn)行快剪試驗(yàn)，剪切速率為0.8 mm/min，豎向壓應(yīng)力取100，200，300，400 kPa。

土樣的直剪試驗(yàn)分為不固結(jié)快剪和固結(jié)快剪，控制干密度為1.56 g/cm3，不固結(jié)快剪的含水率分別為1.11%，5.19%，9.76%，11.78%，13.70%，15.73%，19.19%，23.93%，26.09%；固結(jié)快剪的含水率分別為0，5.21%，8.45%，10.83%，13.26%，17.45%，20.16%，23.54%，27.02%。

通過重塑土的直剪試驗(yàn)，研究非飽和粉質(zhì)黏土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)與含水率的變化關(guān)系。

1.4基質(zhì)吸力測(cè)定試驗(yàn)方案

試驗(yàn)土樣直徑79.8 mm，高度20 mm.制樣后在真空抽氣桶里進(jìn)行抽氣飽和，試樣飽和后放入壓力板儀開始土水特征曲線脫濕試驗(yàn)。

試驗(yàn)時(shí)的壓力按10，20，35，50，100，200，350，500，700 kPa逐級(jí)施加，每級(jí)荷載下，2 h內(nèi)出水量小于0.01 mL，再施加下一級(jí)壓力。

通過測(cè)定基質(zhì)吸力，繪制土水特征曲線，得到基質(zhì)吸力與含水率的關(guān)系，結(jié)合直剪試驗(yàn)結(jié)果，分析基質(zhì)吸力對(duì)非飽和粉質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度的影響。

2含水率對(duì)內(nèi)摩擦角和黏聚力的影響

2.1含水率對(duì)內(nèi)摩擦角的影響

內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系曲線如圖1，2所示.從圖1,2中可看出：不固結(jié)快剪中內(nèi)摩擦角隨含水率的增加而呈線性減小，含水率為10%時(shí)，內(nèi)摩擦角為37.2°，含水率增加到23%時(shí)，內(nèi)摩擦角下降到18.8°.隨著土中水分的增多，黏附在土顆粒表面的水膜增厚，導(dǎo)致顆粒間摩擦系數(shù)減小，因而內(nèi)摩擦角隨著含水率的增加而減小.含水率大于23%后，土樣在試驗(yàn)過程中更容易被壓縮而導(dǎo)致干密度變大以及土中水被壓出，從而引起內(nèi)摩擦角增大。

固結(jié)快剪試驗(yàn)結(jié)果表明：含水率在10%~18%區(qū)段內(nèi)，內(nèi)摩擦角對(duì)含水率較敏感.當(dāng)含水率大于18%，內(nèi)摩擦角反而隨著含水率的增加而增加，曲線形態(tài)呈“Z”字型，這是由于固結(jié)狀態(tài)下的土樣干密度變化更大，對(duì)內(nèi)摩擦角的影響更顯著。

圖1　含水率與內(nèi)摩擦角關(guān)系(不固結(jié))Fig.1　The relationship between water content and internal friction angle (Non-Consolidation state)

圖2　含水率與內(nèi)摩擦角關(guān)系(固結(jié))Fig.2　The relationship between water content and internal friction angle (Consolidation state)

2.2含水率對(duì)黏聚力的影響

黏聚力與含水率的關(guān)系曲線如圖3，4所示.從圖3,4中可看出當(dāng)含水率較小時(shí)，不固結(jié)快剪中黏聚力隨著含水率的增加而增加，在13%左右達(dá)到峰值，約為70 kPa.當(dāng)含水率超過13%后，黏聚力隨著含水率增大而減小.在低含水率時(shí)，水在土體中主要為結(jié)合水的形式存在，具有一定的抗剪性，同時(shí)也存在毛細(xì)水的基質(zhì)吸力影響.隨著含水率的增大，土粒表面的結(jié)合水膜不斷增厚，水的黏滯性減弱，自由水比例越來越高，并且土中的基質(zhì)吸力隨著含水率的增大逐漸減小，此外，土體中的膠結(jié)物質(zhì)逐漸溶解.因此當(dāng)含水率超過13%時(shí)，黏聚力隨著含水率的增大而減小。

固結(jié)快剪的試驗(yàn)結(jié)果與不固結(jié)快剪類似，只是黏聚力峰值出現(xiàn)時(shí)對(duì)應(yīng)的含水率不同，含水率為17%時(shí)黏聚力達(dá)到最大值，其主要原因是在固結(jié)過程中，土樣被壓實(shí)，土中自由水被擠出，因此黏聚力出現(xiàn)峰值時(shí)含水率較不固結(jié)快剪大。

圖3　含水率與黏聚力關(guān)系(不固結(jié))Fig.3　The relationship between water content and cohesion(Non-Consolidation state)

圖4　含水率與黏聚力關(guān)系(固結(jié))Fig.4　The relationship between water content and cohesion (Consolidation state)

3基質(zhì)吸力對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

3.1土水特征曲線試驗(yàn)結(jié)果

非飽和土與飽和土的本質(zhì)區(qū)別就是非飽和土中基質(zhì)吸力的存在，基質(zhì)吸力作為控制非飽和土抗剪強(qiáng)度的關(guān)鍵指標(biāo)，其變化規(guī)律會(huì)直接影響非飽和土的抗剪強(qiáng)度。

非飽和粉質(zhì)黏土土水特征曲線，如圖5所示.從圖5可知：隨著含水率減小，基質(zhì)吸力增大，當(dāng)含水率為18.48%時(shí)，基質(zhì)吸力為100 kPa，當(dāng)含水率減小到13.07%時(shí)，基質(zhì)吸力增加到500 kPa.含水率低于12.94%，即小于殘余含水率時(shí)，孔隙處于氣連通狀態(tài)，這時(shí)孔隙水僅存在于小空隙中，含水率的微小變化，將產(chǎn)生較大的孔隙水壓力的下降，導(dǎo)致基質(zhì)吸力明顯增大。

圖5　基質(zhì)吸力與含水率的關(guān)系Fig.5　The relationship between matric suction and water content

3.2基質(zhì)吸力對(duì)非飽和粉質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度的影響

不同豎向應(yīng)力下，非飽和粉質(zhì)黏土的抗剪強(qiáng)度與基質(zhì)吸力的變化關(guān)系，如圖6,7所示。

圖6　不同豎向應(yīng)力下抗剪強(qiáng)度與基質(zhì)吸力的關(guān)系(不固結(jié))Fig.6　The relationship curve of shear strength and matric suction under different vertical stresses (Non-Consolidation state)

圖7　不同豎向應(yīng)力下抗剪強(qiáng)度與基質(zhì)吸力的關(guān)系(固結(jié))Fig.7　The relationship curve of shear strength and matric suction under different vertical stresses (Consolidation state)

圖6,7結(jié)果表明：不同豎向應(yīng)力下抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力變化的特征基本一致.在不固結(jié)快剪中，隨著基質(zhì)吸力從0增加到350 kPa時(shí)，400 kPa豎向應(yīng)力下抗剪強(qiáng)度從142 kPa到317 kPa，提高了120%，而100 kPa豎向應(yīng)力下抗剪強(qiáng)度從50 kPa到131 kPa，提高了160%.在固結(jié)快剪中，隨著基質(zhì)吸力從0增加到460 kPa時(shí)，400 kPa豎向應(yīng)力下抗剪強(qiáng)度從208 kPa到323 kPa，提高了60%，而100 kPa豎向應(yīng)力下抗剪強(qiáng)度從58 kPa到128 kPa，提高了120%，說明基質(zhì)吸力對(duì)非飽和粉質(zhì)黏土的抗剪強(qiáng)度有很大影響。

4結(jié)論

同一豎向應(yīng)力下抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力的增大而增大，說明基質(zhì)吸力對(duì)抗剪強(qiáng)度有很大貢獻(xiàn)；隨著含水率的增大，內(nèi)摩擦角減小.在含水率增大到一定值時(shí)，內(nèi)摩擦角反而隨含水率的增大而增大.在固結(jié)快剪中，曲線形態(tài)呈更為明顯的“Z”字型，這是由于固結(jié)狀態(tài)下的土樣干密度變化更大，對(duì)內(nèi)摩擦角的影響更顯著；對(duì)于黏聚力，固結(jié)快剪的試驗(yàn)結(jié)果與不固結(jié)快剪相類似，隨著含水率的增加，黏聚力先增大后減小，但黏聚力峰值出現(xiàn)時(shí)對(duì)應(yīng)的含水率不同，不固結(jié)快剪為13%，小于固結(jié)快剪的17%，其主要原因是在固結(jié)過程中，土樣被壓實(shí)，土中自由水被固結(jié)壓力擠出，因此黏聚力出現(xiàn)峰值時(shí)含水率較不固結(jié)快剪大。

參考文獻(xiàn)：

[1]FREDLUND D G, MORGENSTERN N R, WIDGER R A. The shear strength of unsaturated soils[J]. Canadian Geotechnical Journal，1978，15(3):313-321。

[2]VANAPALLI S K, FREDLUND D G, PUFAHL D E, et al. Model for the prediction of shear strength with respect to soil suction[J]. Canadian Geotechnical Journal，1996，33(3):379-392。

[3]張常光，趙均海，朱倩.非飽和土抗剪強(qiáng)度公式分類及總結(jié)[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，29(2):74-82。

[4]郭利娜，胡斌，宋友建，等.土-水特征曲線預(yù)測(cè)非飽和土的抗剪強(qiáng)度對(duì)比研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2013,21(6):849-856。

[5]龔壁衛(wèi)，王斌.非飽和膨脹土的抗剪強(qiáng)度特性研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2000，17(5):19-22。

[6]繆林昌，劉松玉.南陽(yáng)膨脹土的水分特征和強(qiáng)度特性研究[J].水利學(xué)報(bào)，2002，7(7):87-92。

[7]周葆春，孔令偉，陳偉，等.荊門膨脹土土-水特征曲線特征參數(shù)分析與非飽和抗剪強(qiáng)度預(yù)測(cè)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(5):1052-1059。

[8]李濤，劉波，楊偉紅，等.基質(zhì)吸力對(duì)重塑紅黏土抗剪強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，42(3):375-381。

[9]董倩,候龍,趙寶云.基質(zhì)吸力對(duì)非飽和粉質(zhì)砂土抗剪強(qiáng)度的影響[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,43(10):417-421。

[10]王勇，田湖南，孔令偉，等.杭州地鐵儲(chǔ)氣砂土的抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究與預(yù)測(cè)分析[J].巖土力學(xué)，2008，28(1):465-469。

[11]孟凡麗,樊良本,姚君.卸荷狀態(tài)下軟粘土抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)研究[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,31(4):432-435。

[12]王珊珊,盧成原,孟凡麗.水泥土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,36(4):456-459。

[13]南京水利科學(xué)研究院.GB/T 50145—2007土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1986。

(責(zé)任編輯：陳石平)

中圖分類號(hào)：TU433

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-4303(2015)02-0227-05

作者簡(jiǎn)介：許四法(1967—)，男，浙江嘉興人，教授，主要從事土的基本特性、地基基礎(chǔ)、污染土的修復(fù)、污泥的再利用以及垃圾填埋場(chǎng)的防滲特性等相關(guān)領(lǐng)域研究，E-mail: xusifa@zjut.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51478434)

收稿日期：2014-11-13