楊皓然，易佳向

(1.重慶交通大學(xué)水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074；2.重慶科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，重慶 401331)

黏土作為常見的一類工程軟土，廣泛分布于重慶、四川、湖南等地區(qū)。在邊坡工程、基坑工程以及水利工程的施工建設(shè)中，都難免會涉及到黏土土層。由于黏土層中富含蒙脫石和親水性極強(qiáng)的伊利石、水云母和高嶺石等礦物，浸水易膨脹、失水易收縮，吸水后強(qiáng)度快速衰減而成為易滑地層[1]。同時伴隨著地質(zhì)體強(qiáng)烈構(gòu)造作用及人類因素影響，工程中的黏土層或多或少都夾雜一定數(shù)量的礫石而形成一種復(fù)合土石體，其顆粒粒徑相差懸殊、級配分布廣、不均勻系數(shù)大[2]。礫石粗顆粒與土中孔隙嵌合構(gòu)成骨架效應(yīng)，易使其抗剪強(qiáng)度受到影響。于此大多數(shù)賦存黏土層的邊坡體，由于受到連續(xù)降雨入滲及內(nèi)部礫石含量的影響，如未及時進(jìn)行加固處理，就很容易發(fā)生滑動坍塌。

黏土體的抗剪強(qiáng)度由黏聚強(qiáng)度及摩擦強(qiáng)度構(gòu)成，其黏聚力c與內(nèi)摩擦角φ代表著土體抗剪強(qiáng)度的主要力學(xué)指標(biāo)。從以往研究[3-7]不難發(fā)現(xiàn)，不同含水率及礫石摻量對黏土的內(nèi)摩擦角及黏聚力都存在一定影響。因此為了預(yù)防此類黏土層體發(fā)生滑塌等工程地質(zhì)災(zāi)害，探究其抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨含水率及摻礫率的演化規(guī)律就很有必要。目前國內(nèi)實驗室中主要采用直接剪切試驗、三軸壓縮試驗與環(huán)剪試驗等方法測定土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)[8]。其中三軸壓縮試驗雖能明確土體應(yīng)力狀態(tài)且具有較高的精度，但操作復(fù)雜，試驗周期長，且受邊界條件影響大。而直剪試驗由于設(shè)備簡單，操作方便，經(jīng)濟(jì)易行，被廣泛應(yīng)用于各工程領(lǐng)域。然而胡黎明等[9]發(fā)現(xiàn)在剪切位移逐漸增大的直剪試驗過程中，剪切面上的有效面積減小會導(dǎo)致試樣所受正應(yīng)力呈現(xiàn)增大趨勢，從而使試驗結(jié)果產(chǎn)生一定的誤差。因此余凱等[10]總結(jié)了前人研究成果，將直剪試驗數(shù)據(jù)的修正方法分為單點和多點應(yīng)力面積修正法。張亮亮等[11]通過分析直剪試驗中剪切面積減小對結(jié)果數(shù)據(jù)的影響，發(fā)現(xiàn)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的誤差隨剪切位移的增大而提高。程磊等[12]基于單點應(yīng)力面積法研究了麥稈土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨麥稈含量的變化規(guī)律。

因此，為了提高直剪試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性，引入單點面積應(yīng)力修正法[10]，選取重慶地區(qū)具有代表性的黏土，探討其在不同含水率及摻礫率下抗剪強(qiáng)度及參數(shù)的變化規(guī)律。

1 試驗準(zhǔn)備

試驗用土取自重慶交通大學(xué)南約29 km的某建筑工地，是重慶地區(qū)典型的黏土，其基本物理性質(zhì)及顆粒級配見表1。試驗所用儀器為DZ-4型應(yīng)變控制式直剪儀，見圖1。選取快剪方式，調(diào)整剪切速率為1.2 mm/min，分別對擊實后內(nèi)徑為61.8 mm、高度為20 mm的圓柱試樣施加100、200、300、400 kPa的法向正應(yīng)力。之后觀察儀器轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)動一周，讀取量力環(huán)內(nèi)測力計數(shù)一次，直至試樣破壞或剪切位移達(dá)到6 mm為止，試樣剪壞后見圖2。

表1 黏土的基本物理性質(zhì)

a)試驗裝置

b)剪切過程

圖1DZ-4型應(yīng)變控制式直剪儀

圖2 試樣剪壞后

2 試驗方案

保持黏土干密度不變，參照GB/T 50123—1999《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[13]利用DZ-4型應(yīng)變式直剪儀分別在法向正應(yīng)力為100、200、300、400 kPa下對含水率為10%、12%、14%、16%、18%的黏土試樣進(jìn)行直接快剪試驗，并采用單點面積應(yīng)力修正法[10]對試驗結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，得出修正后土樣的c、φ值。同時保持一定含水率，分別摻入5%、10%、20%、30%、50%粒徑大小在1～2 mm的礫石，觀察修正后的c、φ值隨摻礫量的變化特征，以此探討含水率及礫石摻率對重慶地區(qū)典型黏土抗剪強(qiáng)度及參數(shù)的影響規(guī)律。試驗方案見表2。

表2 試驗方案

3 試驗結(jié)果分析

3.1 不同含水率及摻礫量下黏土的抗剪強(qiáng)度

根據(jù)土力學(xué)中經(jīng)典的Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，在一定應(yīng)力范圍內(nèi)可用式(1)建構(gòu)出正應(yīng)力與剪應(yīng)力的關(guān)系曲線，從此式中可見土體強(qiáng)度由c和tanφ兩部分組成。

τf=c+σ·tanφ

(1)

式中τf——土體的抗剪強(qiáng)度，kPa；σ——剪切面上的法向正應(yīng)力，kPa；c——土體的黏聚力，kPa；φ——土體的內(nèi)摩擦角，(°)。

黏土試樣分別在含水率為10%、12%、14%、16%、18%情況下的直剪試驗結(jié)果見表3、4。

表3 不同含水率抗剪強(qiáng)度值

表4 不同含水率抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

保持含水率12%不變，取粒徑大小為1～2 mm的礫石，對含礫率為5%、10%、20%、30%、50%的黏土試樣進(jìn)行直接快剪試驗，試驗數(shù)據(jù)見表5、6。

表5 不同摻礫率抗剪強(qiáng)度值

表6 不同摻礫率抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

3.2 基于單點面積應(yīng)力修正后的抗剪強(qiáng)度

余凱等[10]通過總結(jié)何滿潮等[14-17]對直剪試驗的相關(guān)修正方法，進(jìn)一步分析了試樣在受剪過程中有效剪切面積與正應(yīng)力的關(guān)系，并于此提出了單點面積應(yīng)力修正法，運用式(2)、(3)分別對剪應(yīng)力及正應(yīng)力進(jìn)行修正，有效減少了直剪試驗所得土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的誤差性。

(2)

式中τf′——修正后的剪應(yīng)力，kPa；A0——試樣的截面面積，mm2；A2——試樣上下部土體接觸面積，mm2；β=A0/A2——剪應(yīng)力修正系數(shù)。

(3)

式中σ′——修正后的正應(yīng)力，kPa；β0=l(1-β)/s——正應(yīng)力修正系數(shù)；s——土體剪切位移，mm；l——上部剪切土體高度，mm；C——測力計系數(shù)，N/0.01mm；R——測力計量表讀數(shù)，0.01 mm。

表7 正應(yīng)力和剪應(yīng)力修正系數(shù)

通過對內(nèi)徑61.8 mm，高度為20 mm的黏土試樣進(jìn)行應(yīng)變控制式直剪試驗，得到正應(yīng)力和剪應(yīng)力修正系數(shù)隨剪切位移關(guān)系見表7。不同含水率下抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)經(jīng)單點面積應(yīng)力法修正后見表8、9；不同摻礫率下抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)修正后見表10、11。

表8 修正后不同含水率抗剪強(qiáng)度值

表9 修正后不同含水率抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

表10 修正后不同摻礫率抗剪強(qiáng)度值

表11 修正后不同摻礫率抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

3.3 修正后含水率對黏土抗剪強(qiáng)度的影響

用最小二乘法對修正后的試驗結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，不同含水率下試樣抗剪強(qiáng)度關(guān)系見圖3，黏聚力與內(nèi)摩擦角隨含水率變化關(guān)系見圖4、5。

圖3 不同含水率下抗剪強(qiáng)度擬合

圖4 含水率與黏聚力關(guān)系曲線

圖5 含水率與內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線

圖3和表8表明，隨著含水率不斷升高，黏土的抗剪強(qiáng)度值呈現(xiàn)降低的發(fā)展趨勢，因此高含水率對黏土的抗剪強(qiáng)度有不利影響。從圖4、圖5、表4、表9可知，經(jīng)單點面積應(yīng)力法修正后黏土黏聚力較修正前提高了8.29%，內(nèi)摩擦角較修正前提高了15.97%，進(jìn)一步說明了未經(jīng)修正的直剪試驗所得抗剪強(qiáng)度指標(biāo)存在一定誤差且小于實際值。同時含水率處于10%～12%這個階段，試樣的黏聚力呈現(xiàn)增大趨勢。而含水率超過12%時，黏聚力則隨含水率的增大而減小，且變化迅速。圖5表明該黏土試樣內(nèi)摩擦角隨著含水率的增大呈現(xiàn)下降的趨勢，但變化相對平緩?？傮w而言，含水率對黏土抗剪強(qiáng)度的影響，主要在于對其黏聚力產(chǎn)生較大影響，而對其內(nèi)摩擦角的影響卻較小。原因在于隨著含水率的增加，黏土內(nèi)的孔隙被水填充，導(dǎo)致土粒之間的膠結(jié)作用減弱，從而降低了其抗剪強(qiáng)度。但水分含量在12%時，黏聚力取得較優(yōu)值，該黏土土體的抗剪性能取得較好效果。

3.4 修正后摻礫率對黏土抗剪強(qiáng)度的影響

同樣采用最小二乘法線性擬合出不同摻礫率下試樣抗剪強(qiáng)度，見圖6；黏聚力與內(nèi)摩擦角隨摻礫率變化關(guān)系見圖7、8。

從圖7、圖8、表6、表11可以看出，不同的礫石摻率下，經(jīng)單點面積應(yīng)力法修正后黏土試樣的黏聚力及內(nèi)摩擦角均得到了提高，其黏聚力較修正前提高了11.66%，內(nèi)摩擦角較修正前提高了13.73%。表10和圖6反映出，當(dāng)?shù)[石摻率不超過10%時，黏土的抗剪強(qiáng)度隨著礫石含量的增加而不斷減?。划?dāng)?shù)[石摻率超過10%以后，隨著礫石含量的增加，黏土的抗剪強(qiáng)度逐漸增大，并趨于穩(wěn)定。因此當(dāng)?shù)[石摻率不超過30%時，礫石量對黏土抗剪強(qiáng)度有較大影響，而礫石摻率超過30%以后，礫石量對抗剪強(qiáng)度的影響將變?nèi)?。同時圖7表明礫石含量對黏聚力影響顯著，礫石摻率在20%～30%階段下降明顯，至30%后對試樣黏聚力影響較弱。原因在于當(dāng)?shù)[石含量超過一定程度后，礫石之間開始形成骨架作用，骨架間的孔隙過大，細(xì)粒含量不足以填充骨架間的孔隙，以至于顆粒間的膠結(jié)能力明顯減弱。圖8中內(nèi)摩擦角隨礫石含量的增大，呈現(xiàn)緩慢增大的趨勢，表明摻礫量對黏土體的內(nèi)摩擦角影響較小。

圖6 不同摻礫率下抗剪強(qiáng)度擬合

圖7 摻礫率與黏聚力關(guān)系曲線

圖8 摻礫率與內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線

4 結(jié)論

基于單點面積應(yīng)力修正法，開展不同含水率及摻礫率對重慶地區(qū)典型黏土影響的直剪試驗，主要結(jié)論如下。

a) 基于單點面積應(yīng)力法修正后，黏土試樣在不同含水率下的黏聚力較修正前提高了8.29%，內(nèi)摩擦角較修正前提高了15.97%；而不同摻礫率下試樣的黏聚力較修正前提高了11.66%，內(nèi)摩擦角較修正前提高了13.73%。

b) 黏土的抗剪強(qiáng)度隨著含水率的增大而呈現(xiàn)下降趨勢。

c) 礫石摻率不超過10%時，隨著礫石含量的增加，黏土的抗剪強(qiáng)度不斷減??；礫石摻率超過10%以后，隨著礫石含量的增加，黏土的抗剪強(qiáng)大逐漸增大，并趨于穩(wěn)定；當(dāng)?shù)[石摻率超過30%后，礫石量對抗剪強(qiáng)度的影響將減弱。

d) 隨著含水率的增大，黏土試樣的黏聚力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)緩慢下降趨勢。

e) 隨著摻礫率的增大，黏土試樣的黏聚力總體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。其中礫石摻率在20%～30%階段時，試樣的黏聚力急劇下降；摻率在30%后，黏聚力趨于穩(wěn)定。內(nèi)摩擦角隨摻礫量的變化，呈現(xiàn)緩慢上升趨勢。

f) 含水率和摻礫率對黏土的黏聚力影響較大，而對內(nèi)摩擦角的影響較小。