非飽和黃土吸力與抗剪強度的試驗研究

員康鋒，宿鐘鳴，孫志杰

(山西省交通科學研究院黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室，山西太原030006)

非飽和土的分布非常廣泛，房屋地基、路基填土基本上都處于非飽和狀態。山西晉南地處黃土高原中東部，屬于干旱半干旱氣候條件，工程中所用的黃土常常位于地下水位以上，處于非飽和狀態。非飽和土的研究必須考慮基質吸力作用帶來的影響，側重于基質吸力對強度的貢獻［1-5］。在基坑工程中，地基非飽和土的基質吸力所產生的抗剪強度對于基坑的穩定有很大的貢獻，一旦由于降雨或管道漏水等因素使土中含水率增加，造成吸力消減，便可能會引發基坑倒塌事故［5-8］。同樣，許多天然邊坡的失穩常是由于降雨使土的基質吸力喪失所造成的。

為了模擬真實的現場工程環境，使試驗更加具有說服力，選取了山西晉南地區原狀非飽和黃土進行相應的試驗，并揭示出非飽和黃土基質吸力對黃土強度的影響規律，并在此基礎上擬合出吸附強度隨基質吸力變化的函數表達式，并求出極值。

1 試驗用土

試驗用土取自山西晉南地區禹門口提水東擴工程輸水管道基坑，取土深度為地表以下2 m處，土呈褐黃色，粉質粘土，土質均勻，有少量蟲孔。土樣在現場削成邊長為20～30 cm的立方體，標明上下方向，并用塑料紙和膠帶包好，運回實驗室(運輸過程中盡量不擾動土樣)。由于土層不均勻性，所制備試樣的天然干密度在1.34～1.36 g/cm3之間變化。

對每個干密度下的試樣，調整成8%的含水量。由于該含水量小于天然含水量，采用風干法，讓水分蒸發至8%的含水量，由常規三軸試驗結果可得飽和土的有效黏聚力 c'=12 kPa，φ'=32.69°，土樣的基本物理性質指標見表1。

表1 晉南黃土物理性質指標Table 1 Physical parameters of Jinnan loess

2 試驗儀器與試驗方法

2.1 試驗儀器

試驗儀器采用江蘇溧陽市某實驗儀器廠生產的FSY10-2型應力應變控制非飽和土三軸儀，它由應力應變控制式壓力試驗機、壓力體變柜、非飽和土三軸壓力室和土工試驗數據采集系統組成。應力應變控制式壓力試驗機由變速箱、低速同步電機、立柱、橫梁和油缸等組成。壓力室底座上裝有進口陶土板(進氣值為500 kPa)，陶土板下加工有特殊的沖水排氣槽，可滿足非飽和土試驗的特殊需要。

2.2 試驗方法

采用專用的削土器削樣，共制備16個原狀三軸試樣(直徑為3.91 cm，高度為8 cm)。采用等吸力剪切試驗，凈圍壓分別為 50，100，200，400 kPa，試樣安裝在三軸壓力室后，孔隙水壓力傳感器讀數變為負值，同時對試樣施加圍壓和氣壓，并保證圍壓始終大于氣壓值，氣壓應能使量測的孔隙水壓力＞0或負壓≤70 kPa(但應注意施加的氣壓力不超過陶土板的進氣值500 kPa)，圍壓應在氣壓力的基礎上加上試驗所要求的凈圍壓值，等到孔隙水壓力傳感器的讀數基本穩定后，土樣的吸力 =ua－uw，ua是所施加的氣壓值，uw是孔隙水壓力傳感器量測到的孔隙水壓力的代數值。固結和剪切過程中，通過調整所加氣壓，始終保持作用在試樣上的吸力分別為 50，100，150，200 kPa，直到試樣剪切破壞，試樣剪切速度為0.008 mm/min。

試驗中需要注意幾個問題：①裝樣過程中一定要注意將與陶土板接觸的土樣面削平，否則試樣與陶土板不能很好的接觸，從而影響到基質吸力的量測;②沖洗陶土板下積聚的氣泡，打開沖水閥門，讓無氣水流過陶土板下面的螺旋槽，沖洗30 min，關閉沖水閥門;③由于孔隙水壓力＜－70 kPa時，排水管路中會出現氣蝕現象，會極大地影響到傳感器對吸力的準確量測，因此需要施加氣壓力以保證孔隙水壓力數值＞－70 kPa。

3 試驗結果與分析

3.1 等吸力試驗條件下圍壓對黃土應力應變特性的影響

黃土的強度隨著圍壓的增大而增大，且黃土應力應變曲線多為硬化型曲線。應力應變曲線詳見圖1。

圖1 不同控制吸力下的應力應變曲線Fig.1 Stress-strain curves with different control suction

3.2 等吸力試驗條件下吸力對黃土的應力應變特性的影響

通過在非飽和三軸剪切試驗的固結與剪切階段均控制吸力為 50，100，150，200 kPa，研究凈圍壓分別為50，100，200，400 kPa的條件下，吸力對原狀黃土強度的影響規律，詳見圖2。

圖2 不同凈圍壓下的吸力對黃土應力應變曲線的影響規律Fig.2 The law of stress-strain curves change with suction for different net confining pressure

由圖2可見，黃土的強度隨著吸力的增大而增大，且黃土應力應變曲線多為硬化型曲線。在圍壓一定時，抗剪強度隨吸力的增大而增大。

3.3 等吸力試驗條件下固結體變

等吸力三軸試驗固結體變數據見表2。

表2 黃土的固結體變數據Table 2 Consolidation volume of loess /cm

由表2可見，等吸力試驗條件下固結體變隨著吸力的增大而減小，隨著固結圍壓的增大也增大。點繪其變化曲線如圖3。

圖3 固結體變的變化規律曲線Fig.3 Curve of rule for εν

3.4 非飽和黃土吸附強度的研究

非飽和土強度理論中目前被廣泛接受的兩類抗剪強度公式分別為Bishop強度公式和Fredlund雙變量強度公式。

Bishop強度公式為：

Fredlund的強度公式為：

式(1)、式(2)都表明非飽和土抗剪強度不僅與c'，φ'及法向應力有關，還與吸力有關，吸力所引起的這部分強度，即吸附強度［9］記為 τus，則式(1)、式(2)可重寫為：

由上所述，吸附強度可以看做是非飽和土總凝聚力的一部分，即：

1) 當爬坡高度不變時，爬坡管段的局部阻力損失系數均隨狄恩數增加而減小；當泥漿成分和輸送速度不變時，爬坡管段的局部阻力損失系數隨爬坡高度近似為線性增長，且增長速率隨混合物流速或泥漿體積分數的減小而增加。

故吸附強度 τus=ctotal－c'。其中：ctotal為非飽和土的有效凝聚力;c'為飽和土的有效凝聚力，由常規三軸試驗結果可得飽和土的有效黏聚力c'為12 kPa。

基于公式τf=ctotal+(σn－ua)tanφ'的非飽和土有效應力抗剪強度包線見圖4。

圖4 不同吸力下的有效應力抗剪強度包線Fig.4 Effective strength lines with different suction

將圖4得到的c，φ值匯總，如表3。

表3 不同吸力下黃土的強度指標c，φTable 3 Strength index c，φ with different suction

強度指標c隨吸力的變化曲線如圖5。

圖5 強度參數c隨吸力的變化曲線Fig.5 Curve of strength parameter c change with suction

由表3及圖5可知，在試驗所做的吸力范圍內，在吸力較低的情況下，有效應力強度參數c隨吸力增大變化明顯，隨著吸力的增大，有效強度參數c增大的趨勢逐漸緩和，而有效應力強度參數φ隨吸力增大基本保持不變，故可認為在等吸力試驗條件下，φ值不隨吸力增大而變化。

表4 非飽和土吸附強度數據Table 4 Data of suction strength for the unsaturated soil

據表4得吸附強度隨吸力的變化曲線，并擬合成二次函數(相關系數較好)，如圖6。

圖6 吸附強度與吸力的關系曲線Fig.6 Curve of the relationship between suction strength and suction

由圖6可知吸附強度τus與吸力的關系式可以表述為：

當us→0時，τus→0，這與實際情況相符。對該公式進行求導，可以算出當us=188.6 kPa時，τus有最大值，為21.6 kPa，說明吸附強度并不會隨著吸力的增大而成無限增大，而是存在一個臨界值，同樣與實際情況相吻合，由此可見，上述公式具有一定的合理性。

4 結論

筆者采用非飽和土三軸試驗儀，測試了非飽和土在控制吸力條件下的固結性狀和剪切性狀，概括了強度隨吸力及圍壓的變化關系，并總結了吸力和抗剪強度參數的相互關系，主要結論如下：

1)在等吸力三軸試驗條件下，非飽和原狀黃土的應力應變曲線多為硬化型曲線，曲線位置隨圍壓增大和吸力的增大而不斷抬升，表明土體強度隨圍壓增大和吸力增大而逐漸增強。土體的固結體變隨圍壓的增大而增加，隨吸力的增大而減小。

2)在試驗所做的吸力范圍內，有效應力強度參數c隨吸力增大而增大，在吸力較低的情況下增大速度較大，在吸力較高的情況下隨吸力增大的速度逐漸放緩，并存在極值，而有效應力強度參數φ均隨吸力的增大基本上不變。

3)通過曲線擬合的方法得到吸附強度與吸力的函數關系式，表明吸附強度隨基質吸力的增大而增大，但存在極值。通過函數關系式可以預測控制吸力試驗條件下，不同吸力下的原狀黃土的有效應力抗剪強度。

［1］王鐵行，王曉峰.密度對砂土基質吸力的影響研究［J］.巖土力學，2003，24(6)：979-983.Wang Tiehang，Wang Xiaofeng.Influence of density on matrix suction of sandy soil［J］.Rock and Soil Mechanics，2003，24(6)：979-983.

［2］王世梅，劉德富，談云志，等.某滑坡土體土-水特征曲線試驗研究［J］.巖土力學，2008，29(10)：2651-2655.Wang Shimei，Liu Defu，Tan Yunzhi，et al.Experimental research on soil-water characteristics curves of soils for landslide［J］.Rock and Soil Mechanics，2008，29(10)：2651-2655.

［3］蔣坤，丁文其，陳寶，等.鄭開下穿越工程非飽和土土-水特征曲線室內試驗研究［J］.巖土力學，2009，30(4)：1078-1082.Jiang Kun，Ding Wenqi，Chen Bao，et al.Laboratory experimental study of soil-water characteristic curves of unsaturated soils of Zhengzhou-Kaifeng underpass project［J］.Rock and Soil Mechanics，2009，30(4)：1078-1082.

［4］王鐵行，盧靖，岳彩坤.考慮溫度和密度影響的非飽和黃土土-水特征曲線［J］.巖土力學，2008，29(1)：1-5.Wang Tiehang，Lu Jing，Yue Caikun.Soil-water characteristic curve for unsaturated loess considering temperature and density effect［J］.Rock and Soil Mechanics，2008，29(1)：1-5.

［5］李志清，胡瑞林，王立朝，等.非飽和膨脹土SWCC研究［J］.巖土力學，2006，27(5)：730-734.Li Zhiqing，Hu Ruilin，Wang Lichao，et al.Study on SWCC of unsaturated expansive soil［J］.Rock and Soil Mechanics，2006，27(5)：730-734.

［6］盧應發，陳高峰，羅先啟，等.土-水特征曲線及其相關性研究［J］.巖土力學，2008，29(9)：2481-2486.Lu Yingfa，Chen Gaofeng，Luo Xianqi，et al.Study of soil-water characteristically curve and its influential factors［J］.Rock and Soil Mechanics，2008，29(9)：2481-2486.

［7］李永樂，劉漢東，劉海寧，等.黃河大堤非飽和土土-水特性試驗研究［J］.巖土力學，2005，26(3)：347-350.Li Yongle，Liu Handong，Liu Haining，et al.Test and study on soil water curve of unsaturated soil of Yellow River dyke［J］.Rock and Soil Mechanics，2005，26(3)：347-350.

［8］張雪東，趙成剛，蔡國慶，等.土體密實狀態對土-水特征曲線影響規律研究［J］.巖土力學，2010，31(5)：1463-1468.Zhang Xuedong，Zhao Chenggang，Cai Guoqing，et al.Research on influence of soil density on soil-water characteristic curve［J］.Rock and Soil Mechanics，2010，31(5)：1463-1468.

［9］盧肇鈞.非飽和土抗剪強度的探索研究［J］.中國鐵道科學，1999，20(2)：10-25.Lu Zaojun.The study of unsaturated soil for shear strength ［J］.China Railway Science，1999，20(2)：10-25.