郭倩怡谷天峰謝婉麗吳熠哲

（西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710069）

0 引言

中國西北地區(qū)當(dāng)前正處于工程建設(shè)蓬勃發(fā)展的時(shí)期，而工程建設(shè)中所遇到的土多為非飽和土，其中黃土作為典型的非飽和土廣泛分布于地表并與工程建設(shè)密切相關(guān)。由于黃土的特殊成因使其具有顯著的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和高膠結(jié)強(qiáng)度，即在干燥條件下具有較高的強(qiáng)度不易被破壞［1］，而當(dāng)含水率增大時(shí)，則表現(xiàn)出軟化、強(qiáng)度降低、崩解、濕陷性等特征［2］。目前大多數(shù)工程問題如邊坡失穩(wěn)，滑坡崩塌等，多是由于降雨、灌溉等原因致使該地區(qū)含水量增大進(jìn)而導(dǎo)致非飽和黃土強(qiáng)度發(fā)生了變化所引起的［3-4］，因此探討黃土的強(qiáng)度特性是保證工程建設(shè)順利實(shí)施和開展的關(guān)鍵之一。

黃土作為一種典型的非飽和土，是由氣體、液體、固體所組成的復(fù)雜的多相體系，因此其孔隙中存在除水之外的其他流體如空氣等，水與其他流體在彎液面兩側(cè)形成不等的孔隙氣壓力和負(fù)孔隙水壓力，這樣就形成了對非飽和土工程性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)影響較大的重要參數(shù)—基質(zhì)吸力［5］，目前，已有部分學(xué)者對于基質(zhì)吸力與非飽和土強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行了探究，并認(rèn)為土體含水量增大基質(zhì)吸力減小，從而使強(qiáng)度降低［6-8］。

基質(zhì)吸力對非飽和土強(qiáng)度的影響已成為工程界研究的熱點(diǎn)問題之一，而目前國內(nèi)外對于基質(zhì)吸力與非飽和土抗剪強(qiáng)度關(guān)系的研究方法多集中于兩方面，一是由含水率入手通過土水特征曲線間接得到其基質(zhì)吸力［9-10］，進(jìn)而研究基質(zhì)吸力對非飽和土強(qiáng)度的影響，并都指出了非飽和土中有效黏聚力和內(nèi)摩擦角均與基質(zhì)吸力呈函數(shù)關(guān)系；二是通過現(xiàn)代改進(jìn)后的非飽和直剪儀，采用軸平移技術(shù)直接控制基質(zhì)吸力，探討基質(zhì)吸力與非飽和土抗剪強(qiáng)度及其指標(biāo)的關(guān)系［6，8，11-12］，其中大部分研究認(rèn)為基質(zhì)吸力對于非飽和土抗剪強(qiáng)度具有增強(qiáng)的作用并主要體現(xiàn)在黏聚力上［13-14］。雖然通過不同方法對于非飽和土抗剪強(qiáng)度的研究已有不少，但是目前對于各個(gè)研究方法所得試驗(yàn)結(jié)果的分析對比較少，并且對于不同試驗(yàn)方法所得抗剪強(qiáng)度及其參數(shù)隨基質(zhì)吸力變化關(guān)系差異的探討尚不深入。

本文以甘肅省永靖縣黑方臺非飽和馬蘭黃土為研究對象，通過兩種不同的直剪試驗(yàn)，即：利用改進(jìn)后的FDJ-20型非飽和土四聯(lián)直剪儀，采用軸平移技術(shù)直接控制基質(zhì)吸力，進(jìn)行剪切速率為0.0035mm／min的非飽和固結(jié)排水直剪試驗(yàn)；依據(jù)該地區(qū)非飽和黃土土水特征曲線，配置不同含水率以控制不同基質(zhì)吸力，進(jìn)行剪切速率為0.68mm／min非飽和黃土直剪試驗(yàn)，從而得到不同基質(zhì)吸力下抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線，并基于現(xiàn)代非飽和土力學(xué)理論和方法探討對比不同試驗(yàn)方法所得抗剪強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度參數(shù)的差異以及隨基質(zhì)吸力變化規(guī)律。本文對探究強(qiáng)度參數(shù)隨不同的試驗(yàn)手段演化規(guī)律具有一定的指導(dǎo)意義，同時(shí)為該地區(qū)后期黃土滑坡防治提供理論支持。

1 研究方法

1.1 試樣制備

采用挖探的方式在甘肅省永靖縣黑方臺，采集非飽和黃土不擾動(dòng)土樣，其探井深度約為3m，取樣后密封，減少水分的散失，并在其周圍鋪設(shè)泡沫再裝箱，防止運(yùn)輸過程中對土樣的振動(dòng)影響，取得Ⅰ級以上土樣。本試驗(yàn)試樣制備與常規(guī)直剪試樣的制備一樣，所采用不擾動(dòng)黃土試樣尺寸為Φ61.8mm×H20mm。黃土土樣物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 研究區(qū)非飽和黃土的物理性質(zhì)Tab.1 Physical property of the unsaturated loess in study area

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

對采集到的非飽和不擾動(dòng)黃土土樣，利用常規(guī)物理、力學(xué)實(shí)驗(yàn)測定其基本物性指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行兩種不同的抗剪強(qiáng)度直剪試驗(yàn)，即通過改進(jìn)后的FDJ-20型非飽和土四聯(lián)直剪儀，采用軸平移技術(shù)直接控制基質(zhì)吸力，進(jìn)行非飽和固結(jié)排水直剪試驗(yàn)；依據(jù)該地區(qū)非飽和黃土土水特征曲線配置不同含水率以控制相應(yīng)的基質(zhì)吸力，進(jìn)行非飽和黃土快速直剪試驗(yàn)。

1.2.1 非飽和固結(jié)排水直剪試驗(yàn)

采用改進(jìn)后的FDJ-20型非飽和四聯(lián)直剪儀（圖1），對研究區(qū)非飽和黃土不擾動(dòng)土樣進(jìn)行控制不同凈豎向壓力及基質(zhì)吸力的非飽和固結(jié)排水直剪試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際工程問題將試驗(yàn)設(shè)計(jì)為凈豎向荷載條件下固結(jié)、調(diào)節(jié)基質(zhì)吸力并在等吸力條件下固結(jié)、等吸力剪切三個(gè)部分。

由于儀器為四聯(lián)設(shè)置，可在同一吸力條件下同時(shí)施加不同的凈豎向壓力分別為50、100、150、200kPa使試樣固結(jié)，并測定試樣壓縮應(yīng)變隨時(shí)間的變化規(guī)律，從而大大節(jié)省了試驗(yàn)時(shí)間。待試樣固結(jié)穩(wěn)定后施加氣壓（注意平衡氣壓），通過軸平移技術(shù)調(diào)節(jié)基質(zhì)吸力至目標(biāo)值。設(shè)計(jì)7組不同基質(zhì)吸力分別為 0、25、50、75、100、125、150kPa，研究不同基質(zhì)吸力對于研究區(qū)抗剪強(qiáng)度特性影響。其中判斷試樣壓縮變形穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)為：每兩小時(shí)變形量不超過0.01mm。固結(jié)結(jié)束后，進(jìn)行剪切，剪切速率為 0.0035mm／min，最大剪切位移為8mm。

圖1 非飽和土直剪儀照片F(xiàn)ig.1 The picture of direct shear apparatus for unsaturated soil

1.2.2 不同含水率黃土直剪試驗(yàn)

采用常規(guī)直剪儀，依據(jù)研究區(qū)非飽和黃土土水特征曲線（圖2），對已制備好的土樣配置不同的含水率分別為 14%、8.4%、7.5%、6.3%、5.6%、5.0%，以控制不同的基質(zhì)吸力分別為25、50、75、100、125、150kPa，每四個(gè)土樣為一組被不同豎向壓力 50、100、150、200kPa控制，剪切速率為0.68mm／min，最大剪切位移為6mm。其中含水率配置完好后，保持試樣在密封條件下靜置一天，使新添加配置的水量在試樣中分布均勻。

圖2 土水特征曲線Fig.2 Suction stress characteristic curve

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與對比

2.1 抗剪強(qiáng)度的差異

本試驗(yàn)主要基于現(xiàn)今非飽和土強(qiáng)度公式探討研究區(qū)非飽和黃土在不同基質(zhì)吸力下相關(guān)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化情況。而目前關(guān)于非飽和土抗剪強(qiáng)度公式應(yīng)用較為廣泛Fredlund理論，其公式通常表示為：

式中：τf為非飽和土的抗剪強(qiáng)度；c′為有效黏聚力；φ′為有效內(nèi)摩擦角；σ-ua為破壞面上的凈豎向壓力；ua為孔隙氣壓力；uw為孔隙水壓力；uauw為基質(zhì)吸力；φb為描述土體抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力增加而增加的角。其中c′、φ′為飽和土的有效應(yīng)力參數(shù)，不隨吸力變化，而φb對應(yīng)基質(zhì)吸力的內(nèi)摩擦角，表征抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力增加的斜率。

圖3至圖6分別表示兩種不同試驗(yàn)方法下抗剪強(qiáng)度與凈豎向壓力以及基質(zhì)吸力的關(guān)系，通過對比分析可知，兩種試驗(yàn)方法所得抗剪強(qiáng)度隨凈豎向壓力與基質(zhì)吸力的變化一致，由圖3及圖4兩種試驗(yàn)方法下抗剪強(qiáng)度與凈豎向壓力的關(guān)系曲線可知：在基質(zhì)吸力一定時(shí)抗剪強(qiáng)度隨凈豎向荷載的增大而增大呈正比關(guān)系，說明研究區(qū)非飽和黃土的抗剪強(qiáng)度仍符合庫侖定律；圖5及圖6反映了兩種試驗(yàn)方法下在凈豎向壓力一定時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力增大而增大，兩者近似呈線性關(guān)系，所得結(jié)果與前人研究結(jié)論部分一致［15］，即：基質(zhì)吸力對抗剪強(qiáng)度具有增強(qiáng)的作用，其不同之處在于前人結(jié)論中兩者的關(guān)系多為非線性，其原因可能在于，本次試驗(yàn)所控制基質(zhì)吸力范圍相對較小。

圖3 非飽和固結(jié)排水直剪試驗(yàn)不同基質(zhì)吸力下抗剪強(qiáng)度與凈豎向壓力的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between shear strength and net vertical pressure with under different matric suction in unsaturated soil undrained consolidation test

圖4 不同含水率黃土直剪試驗(yàn)不同基質(zhì)吸力下抗剪強(qiáng)度與凈豎向壓力的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between shear strength and net vertical pressure under different matrix suction in different water content loess straight shear tests

圖5 非飽和固結(jié)排水直剪試驗(yàn)不同凈豎向壓力下基質(zhì)吸力與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between matrix suction and shear strength under different net vertical pressure in unsaturated soil undrained consolidation test

圖6 不同含水率黃土直剪試驗(yàn)不同凈豎向壓力下基質(zhì)吸力與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between the matrix suction and the shear strength under different net vertical pressure in different water content loess straight shear tests

兩種試驗(yàn)方法所得抗剪強(qiáng)度結(jié)果差異在于，通過含水率控制基質(zhì)吸力的黃土直剪試驗(yàn)相同條件下所得抗剪強(qiáng)度均略大于非飽和固結(jié)排水直剪試驗(yàn)所得抗剪強(qiáng)度，但差異不是很大，差值大部分集中在3～10kPa之間。這是由于控制含水率的黃土直剪試驗(yàn)所采用的剪切速率為0.68 mm／min，屬于快速剪切試驗(yàn)，而非飽和固結(jié)排水直剪試驗(yàn)所采用的剪切速率為0.0035mm／min，屬于慢剪。土體在剪切過程中要抵抗土體顆粒之間的摩擦強(qiáng)度，其中包括土顆粒之間的摩擦力、土顆粒之間的咬合力以及土顆粒重新排列時(shí)受到的顆粒間的阻力，因此快剪試驗(yàn)中剪切面土體顆粒之間的摩擦力大于緩慢剪切中剪切面上下土體顆粒之間的摩擦力，這就造成快剪試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度大于慢剪試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度。

2.2 抗剪強(qiáng)度參數(shù)的差異

2.2.1 黏聚力與內(nèi)摩擦角的差異

邢鮮麗等［15］通過非飽和三軸試驗(yàn)得到非飽和黃土含水量對有效殘余抗剪強(qiáng)度的影響主要表現(xiàn)在黏聚力上，本次直剪試驗(yàn)基質(zhì)吸力對抗剪強(qiáng)度的影響與之相同，主要體現(xiàn)在黏聚力上?？辜魪?qiáng)度是土壤在特定載荷下抵抗外力破壞能力的表現(xiàn)形式，然而土壤抗剪強(qiáng)度參數(shù)反映了土壤抵抗外力破壞能力的大小，是反映土壤抵抗外力破壞能力的本質(zhì)因素。

圖7與圖8表示了兩種試驗(yàn)方法下抗剪強(qiáng)度參數(shù)與基質(zhì)吸力的關(guān)系，在本次試驗(yàn)所控制的吸力范圍內(nèi)黏聚力均隨基質(zhì)吸力的增長而增加，兩者呈線性關(guān)系；而內(nèi)摩擦角φ—基質(zhì)吸力關(guān)系曲線在兩種試驗(yàn)方法下均近似呈水平直線，即內(nèi)摩擦角隨基質(zhì)吸力變化很小，只有微小的改變。

圖7 兩種試驗(yàn)方法黏聚力c和基質(zhì)吸力s關(guān)系曲線Fig.7 Relationship of cohesive force c and matrix suction s by two test methods

圖8 兩種試驗(yàn)方法內(nèi)摩擦角φ和基質(zhì)吸力s關(guān)系曲線Fig.8 Relationship of internal friction φ and matrix suction s by two test methods

其中圖7顯示了采用兩種不同的試驗(yàn)方法研究非飽和黃土不擾動(dòng)土樣在相同基質(zhì)吸力的條件下黏聚力的差異，由圖可知，通過軸平移技術(shù)控制基質(zhì)吸力的非飽和固結(jié)排水直剪試驗(yàn)的黏聚力高于依據(jù)研究區(qū)土水特征曲線通過配置不同含水率控制基質(zhì)吸力的非飽和黃土直剪試驗(yàn)的黏聚力，但這兩種試驗(yàn)方法下，黏聚力均隨基質(zhì)吸力的增加而呈直線型增加。黏聚力是指土體顆粒之間的粘結(jié)力，主要包括兩方面，一是土體固體顆粒之間的粘結(jié)力包括粒間力、靜電引力等，二是由于非飽和土中因其非飽和性而存在的彎液面，彎液面兩側(cè)因不等的孔隙氣壓及負(fù)孔隙水壓產(chǎn)生表面張力，從而形成土體中的一部分黏聚力，因此黏聚力的大小既與土體固結(jié)時(shí)間有關(guān)，也與基質(zhì)吸力有關(guān)。已有學(xué)者對黃土的強(qiáng)度參數(shù)與土體結(jié)構(gòu)特性的關(guān)系進(jìn)行了研究，并認(rèn)為黏聚力不僅受含水率的影響，并且對于結(jié)構(gòu)的改變，尤其是孔隙比的變化極為敏感，孔隙比越大黏聚力越小，而本文兩種試驗(yàn)，非飽和固結(jié)排水直剪試驗(yàn)土樣固結(jié)時(shí)間遠(yuǎn)高于不同含水率黃土直剪試驗(yàn)，因此其孔隙比較小，因而黏聚力較大。

圖8顯示兩種試驗(yàn)方法所得內(nèi)摩擦角均隨基質(zhì)吸力變化較小，幾乎不變，同時(shí)也直觀地反映了針對研究區(qū)非飽和黃土不擾動(dòng)土樣的兩種試驗(yàn)方法下內(nèi)摩擦角的差異。由圖中可看出，通過配置不同含水率以控制相應(yīng)基質(zhì)吸力的黃土直剪試驗(yàn)的內(nèi)摩擦角略高于非飽和固結(jié)排水直剪試驗(yàn)的內(nèi)摩擦角，其中不同含水率黃土直剪試驗(yàn)的內(nèi)摩擦角平均值為32.8°，而非飽和固結(jié)排水直剪試驗(yàn)的內(nèi)摩擦角平均值約為28.3°，兩者之比為1∶0.86。

2.2.2 φb與基質(zhì)吸力的關(guān)系

根據(jù)擴(kuò)展的非飽和土莫爾—庫倫準(zhǔn)則得到推導(dǎo)式如下所示：

其中：

由此可知φb并非一個(gè)常量而是與基質(zhì)吸力相關(guān)的值，并得到兩種不同試驗(yàn)方法中所控制的各基質(zhì)吸力下φb值以具體探討φb與基質(zhì)吸力的關(guān)系。且式中c′為有效粘聚力即基質(zhì)吸力和凈豎向應(yīng)力均為0時(shí)的黏聚力，是非飽和土在飽和狀態(tài)下的土顆粒間的物理作用，依據(jù)圖7及擴(kuò)展的非飽和土莫爾—庫倫準(zhǔn)則可得研究區(qū)非飽和黃土的非飽和固結(jié)排水直剪試驗(yàn)中c′＝6kPa，不同含水率直剪試驗(yàn)中c′＝2.6kPa，進(jìn)而得到兩種試驗(yàn)所控制基質(zhì)吸力范圍內(nèi)各基質(zhì)吸力條件下φb的值，據(jù)此繪制如圖9與圖10所示φb與基質(zhì)吸力的關(guān)系曲線。

圖9 非飽和固結(jié)排水黃土直剪試驗(yàn)φb和基質(zhì)吸力s關(guān)系曲線Fig.9 Relationship of direct shear test of unsaturated consolidated drained loess φband matric suction curve s

圖10 不同含水率黃土直剪試驗(yàn)φb和基質(zhì)吸力s關(guān)系曲線Fig.10 Relationship of direct shear test of loess with different water content φband matric suction curve s

其中圖9表示依據(jù)研究區(qū)土水特征曲線配置不同含水率以控制不同基質(zhì)吸力的非飽和直剪試驗(yàn)最終結(jié)果，采用擴(kuò)展的摩爾庫倫準(zhǔn)則（式3）所計(jì)算得到的φb與基質(zhì)吸力的關(guān)系曲線。對本次非飽和黃土不擾動(dòng)土樣試驗(yàn)圖9及10中φb與基質(zhì)吸力的關(guān)系曲線進(jìn)行分析可知，二者關(guān)系曲線近似為一水平直線，雖有微小變化但變化不大，其中圖9非飽和固結(jié)排水直剪試驗(yàn)所得φb平均值約為17.7°相較不同含水率直剪試驗(yàn)φb平均值約為17.9°幾乎沒有變化，這是由于φb是一個(gè)表示抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力變化的材料變量，說明在兩種試驗(yàn)方法下以及試驗(yàn)所控制的基質(zhì)吸力范圍內(nèi)研究區(qū)非飽和黃土不擾動(dòng)土樣的抗剪強(qiáng)度以同樣的恒定的斜率隨基質(zhì)吸力而持續(xù)增長的。

3 結(jié)論

本文以甘肅省永靖縣黑方臺地區(qū)非飽和不擾動(dòng)黃土為研究對象，進(jìn)行兩種不同的非飽和黃土直剪試驗(yàn)，分別為采用改進(jìn)后的非飽和四聯(lián)直剪儀，通過軸平移技術(shù)直接控制基質(zhì)吸力的非飽和固結(jié)排水直剪試驗(yàn)，以及依據(jù)研究區(qū)土水特征曲線配置不同含水率以控制相應(yīng)的基質(zhì)吸力的黃土快速直剪試驗(yàn)，針對上述兩種不同試驗(yàn)方法所得抗剪強(qiáng)度及其參數(shù)的差異進(jìn)行分析探討，得到如下結(jié)論：

（1）兩種不同的試驗(yàn)方法下凈豎向壓力及基質(zhì)吸力對于研究區(qū)非飽和黃土抗剪強(qiáng)度均有增強(qiáng)作用，并均呈線性關(guān)系；其中不同含水率黃土直剪試驗(yàn)因剪切速率較快，在相同基質(zhì)吸力和豎向壓力的條件下，其抗剪強(qiáng)度略高于非飽和固結(jié)排水直剪試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度。

（2）依據(jù)研究區(qū)土水特征曲線配置不同含水率以控制不同基質(zhì)吸力的黃土直剪試驗(yàn)其黏聚力及內(nèi)摩擦角與基質(zhì)吸力的關(guān)系同非飽和固結(jié)排水直剪試驗(yàn)所得結(jié)論一致，基質(zhì)吸力與黏聚力c二者呈線性關(guān)系，內(nèi)摩擦角φ—基質(zhì)吸力關(guān)系曲線近似成水平直線。但不同含水率黃土直剪試驗(yàn)相同基質(zhì)吸力條件下其黏聚力略低于非飽和固結(jié)排水直剪試驗(yàn)所得黏聚力，而內(nèi)摩擦角高于非飽和固結(jié)排水直剪試驗(yàn)所得內(nèi)摩擦角。

（3）在本次試驗(yàn)所控制吸力范圍內(nèi)，兩種不同試驗(yàn)方法所得不同基質(zhì)吸力下的φb均近似為一常數(shù)，幾乎不隨基質(zhì)吸力變化。不同含水率黃土直剪試驗(yàn)所得φb約為17.9°小于φ值，相較非飽和固結(jié)排水直剪試驗(yàn)所得φb約為17.7°幾乎沒有變化，表明在該范圍內(nèi)研究區(qū)非飽和原狀黃土的抗剪強(qiáng)度是隨著基質(zhì)吸力以一恒定的斜率持續(xù)增長的。

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