干密度和飽和度對花崗巖殘積土抗剪強度的影響

陳 鋮 吳傳云 韓中會

(1.湘潭大學土木工程與力學學院巖土力學與工程安全湖南省重點實驗室，湖南湘潭 411105; 2.高鐵運行安全保障湖南省工程技術研究中心，湖南株洲 412006)

花崗巖殘積土在我國湖南地區廣泛分布，該類土具有各向異性、不均勻性、浸水后易崩解軟化等工程特性[1-2]。在湖南濕潤多雨的氣候條件下，花崗巖殘積土邊坡土體經常遭受脫濕、增濕及干濕交替循環作用，容易出現淺層土體滑移、崩解、水毀等常見地質災害，嚴重威脅人民的生命安全[3]。著眼于工程地質災害的防護及工程建設的需要，研究非飽和花崗巖殘積土的抗剪強度特性具有重要的工程意義。

20世紀80年代初期，國內學者把風化花崗巖殘積土視為紅土的一種并進行相關研究。隨著研究的深入，研究者逐漸把風化花崗巖殘積土當作一種具有特殊工程性質的土體進行單獨研究。在花崗巖殘積土的抗剪強度特性及邊坡失穩方面，范沖[4]等通過三軸試驗與壓縮試驗，分別對結構性花崗巖殘積土的原狀土和重塑土進行對比分析，研究花崗巖殘積土剪切破壞的表現形式；吳迪[5]等通過環剪試驗，總結出花崗巖殘積土在不同剪切位移條件下的抗剪強度變化規律，并證明了花崗巖殘積土具有浸水崩解軟化的特性；趙建軍[6]等通過三軸剪切試驗與直剪試驗，開展了花崗巖殘積土強度方面的研究，歸納不同顆粒成分對花崗巖殘積土抗剪強度指標的影響，試驗結果表明，土體具有剪脹剪縮的特性。許旭堂[7]等在閩東南地區花崗巖殘積土物理力學特性研究的基礎上，對非飽和土的含水率和干密度與抗剪強度指標進行相關分析，建立了含水率和干密度與抗剪強度指標之間的經驗公式。唐煒業[8]等通過對不同含水率和干密度狀態下花崗巖殘積土的直剪試驗，總結了花崗巖殘積土抗剪強度參數隨含水率和干密度的變化規律。李凱[9]等通過對風化花崗巖邊坡淺層滑坡土體的物理力學試驗，研究了飽和度對土質邊坡抗剪強度的影響。陳東霞等[10]對非飽和殘積土進行常規直剪試驗，得到殘積砂質黏性土總強度指標與含水率公式。鄧署冬[11]等采用常規三軸試驗并結合非飽和花崗巖殘積土的土-水特征曲線(考慮吸力和含水率的影響)，建立了抗剪強度指標與含水量的經驗公式。

為探究花崗巖殘積土的抗剪強度特性及分析花崗巖殘積土邊坡失穩的誘導因素，以湘潭市潭市鎮某地區花崗巖殘積土滑坡土體為研究對象，從定量的角度建立殘積土體干密度、飽和度與土體抗剪強度的關系，開展花崗巖殘積土基本物理特性和顆粒分析試驗，并進行了不同干密度、飽和度和垂直壓力下的60組直剪試驗，分析干密度和飽和度對花崗巖殘積土強度的影響，并建立抗剪強度經驗公式。

1 試驗土樣及其基本物理特性

試驗用土取自湘潭市潭市鎮某花崗巖滑坡殘積土體，通過現場取樣及基本物理特性試驗，得到花崗巖滑坡殘積土體基本物理指標：

天然密度ρ=1.82 g/cm3，孔隙比e0=0.54，干密度ρd=1.58 g/cm3，比重Gs=2.44，液限wL=50.0 %，塑限wP=26.0%，塑性指數IP=22.08，液性指數IL< 0，最大干密度ρdmax=1.84 g/cm3，最佳含水率wopt=15.96%。

使用篩分法和密度計法進行顆粒級配分析，得到顆粒級配曲線(如圖1所示)，根據《土工試驗規程》SL237—1999中的《土的工程分類》，可確定該土樣為非飽和的含砂高液限黏土。

圖1 顆粒級配曲線

2 試樣制備及試驗方案設計

2.1 試樣制備

采用靜壓法制樣，求出花崗巖殘積土在不同干密度和飽和度下的含水率。烘干土樣，配制所需的含水率，在密閉的容器中放置24 h，測定密閉后土樣的含水率。當實測含水率與目標含水率相差不超過1%時，滿足試驗要求，否則需要重新配制。配制好試驗含水率后，把試樣分層放入擊實器中擊實。

2.2 試驗方案

采用ZJ型四聯應變控制式直剪儀，在不同干密度的條件下，控制飽和度及正應力，對風化花崗巖殘積土重塑土樣進行直剪試驗，得到不同干密度、飽和度及正應力條件下花崗巖殘積土的抗剪強度，試驗方案如表1所示。

試驗中，干密度控制為1.58 g/cm3、1.71 g/cm3、1.84 g/cm3，并分別對應5種不同飽和度試樣(30%、50%、70%、90%、100%)。試驗中，分別對花崗巖殘積土施加50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa的正應力，控制剪切速率為0.8 mm/min。每組試樣應進行兩次平行試驗，取平行試驗的平均值做為試驗最終結果。

表1 60組不同干密度、飽和度及正應力條件下的試驗方案

3 試驗結果分析

3.1 干密度對抗剪強度參數的影響

不同飽和度的條件下，風化花崗巖殘積土黏聚力和內摩擦角隨干密度的變化關系如圖2、圖3所示。

圖2 黏聚力與干密度關系曲線

圖3 內摩擦角與干密度關系曲線

其變化曲線擬合關系式分別為

C(ρd)=A+Bρd，φ(ρd)=A+Bρd

其中，A，B為參數，ρd為干密度。當飽和度一定時，黏聚力隨著干密度的增大呈線性正相關變化；當干密度不斷增大，土體越密實，土顆粒之間的咬合作用越強，黏結力不斷增加，土體整體性越好，土體黏聚力越大。不同飽和度下，內摩擦角與干密度呈線性正相關變化，當飽和度較小的情況下，內摩擦角隨干密度的增大呈現出先增大后減小的趨勢，干密度對內摩擦角的影響較小，主要通過影響黏聚力來影響土體抗剪強度的變化。

3.2 飽和度對抗剪強度參數黏聚力的影響

風化花崗巖殘積土在不同干密度條件下，黏聚力隨飽和度的關系曲線如圖4所示。

圖4 黏聚力與飽和度關系曲線

在干密度相同的條件下，黏聚力隨著飽和度的增大呈曲線變化，且具有明顯的峰值效應。在低飽和度的條件下，黏聚力與飽和度呈正相關。隨著干密度的增大，風化花崗巖殘積土的黏聚力峰值強度不斷增大，且不同干密度條件下，黏聚力達到峰值強度的飽和度不斷增大。不同干密度的條件下，黏聚力取得峰值強度下的含水率接近最優含水率。對不同干密度下，風化花崗巖殘積土黏聚力隨飽和度的變化關系進行線性擬合，其擬合關系曲線公式為

(1)

其中A，B，C，D為待定系數，飽和度擬合參數如表2所示，擬合精度均在0.9以上。

表2 內摩擦角與飽和度的關系曲線擬合參數

在飽和度較低的情況下，隨著土顆粒毛細水表面張力的增大，黏聚力不斷增加，當飽和度達到最優時，土顆粒之間的毛細水基本消失，形成強結合水膜，導致基質吸力不斷減小，黏聚力降低；當干密度增大時，土顆粒之間的黏結更緊密，黏聚力不斷增加。

3.3 飽和度對抗剪強度參數內摩擦角的影響

不同干密度條件下，風化花崗巖殘積土內摩擦角隨飽和度的關系曲線如圖5所示。

圖5 內摩擦角與飽和度關系曲線

表3 黏聚力與飽和度的關系曲線擬合參數

3.4 分別考慮干密度、飽和度的抗剪強度公式建立

為了研究干密度、飽和度對風化花崗巖殘積土抗剪強度指標的具體影響，根據上述試驗結果，結合飽和土抗剪強度公式[12-15]，分別建立風化花崗巖殘積土含有干密度、飽和度的總應力抗剪強度經驗公式。

在低干密度條件下，考慮飽和度的抗剪強度公式

τf=c(sr)+σtanφ(sr)

(2)

式中：

(3)

(4)

在最大干密度條件下，考慮飽和度的抗剪強度公式

τf=c(sr)+σtanφ(sr)

(5)

式中：

(6)

(7)

在不同的干密度條件下，飽和度對抗剪強度的影響不同，建立不同密度下的抗剪強度公式能更好地滿足工程精度的要求。

考慮干密度的抗剪強度公式為

τf=c(ρd)+σtanφ(ρd)

(8)

式中：

C(ρd)=A+Bρd，φ(ρd)=A+Bρd

(9)

4 不同正應力條件下抗剪強度隨飽和度的變化規律

不同正應力條件下，風化花崗巖殘積土抗剪強度隨飽和度的變化關系如圖6所示。

圖6 抗剪強度與飽和度關系曲線

當飽和度一定的情況下，抗剪強度隨正應力增加而增大，當正應力一定時，抗剪強度隨飽和度增大呈曲線變化，并具有明顯的峰值點；當抗剪強度達到最大值時，隨著飽和度的增加，抗剪強度不斷減小，最大的抗剪強度值接近400 kPa，且不同正應力下抗剪強度達到峰值強度時對應的飽和度近似為80%。此飽和度值可以作為風化花崗巖殘積土抗剪強度的最優飽和度參考值。

5 結論

(1)風化花崗巖殘積土的黏聚力、內摩擦角與干密度均呈線性正相關。干密度越大，土體越密實，機械咬合作用越強，黏聚力越大；干密度越大，土顆粒滑動需要克服的摩擦力越大，內摩擦角也越大.干密度對黏聚力的線性影響較干密度對內摩擦角的影響更大。

(2)風化花崗巖殘積土的黏聚力隨飽和度的變化近似呈二次曲線變化，且具有明顯的峰值效應。不同的干密度條件下，黏聚力隨飽和度的變化先增大后減小；當飽和度較小時，花崗巖殘積土的黏結性差；隨著飽和度的增加，黏結性增大；當達到最優飽和度時，花崗巖殘積土的黏聚力開始減小。在不同的飽和度下，黏聚力隨著干密度的增加而增大。可建立黏聚力、內摩擦角與飽和度之間的關系式并進行線性擬合。

(3)分別建立了考慮干密度、飽和度的風化花崗巖殘積土抗剪強度經驗公式，可為工程建設提供參考。

(4) 在不同正應力下，風化花崗巖殘積土抗剪強度隨飽和度變化呈現先增大后減小的趨勢。給出了抗剪強度最大時的最優飽和度，此經驗值可為風化花崗巖殘積土滑坡防治提供參考。