重塑非飽和粉質黏土抗剪強度特性試驗研究

許四法，王志健，胡　琦，祁曉翔

(浙江工業大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014)

重塑非飽和粉質黏土抗剪強度特性試驗研究

許四法，王志健，胡琦，祁曉翔

(浙江工業大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014)

摘要：含水率對非飽和土的抗剪強度有很大影響，因此研究含水率與非飽和土抗剪強度之間的關系，具有重要的工程意義.以粉質黏土為研究對象，通過直剪和基質吸力試驗，研究含水率對抗剪強度及內摩擦角和黏聚力的影響.結果表明：隨著基質吸力的增大，非飽和土的抗剪強度不斷增大，說明基質吸力對抗剪強度有較大貢獻；隨著含水率增大，土的內摩擦角減小；在含水率較小時，黏聚力增大，當含水率增加到一定值時，土的黏聚力急劇下降。

關鍵詞：非飽和土；抗剪強度；黏聚力；內摩擦角；基質吸力

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

土的抗剪強度除受土體的結構和種類影響以外，還與含水率與飽和度有很大關系.當土體的含水率發生變化時，其工程性質會發生很大改變，其根本原因在于基質吸力的不同。

有關非飽和土的強度特性，Fredlund[1]研究了非飽和土的滲透、強度及體變特性與土水特征曲線之間的關系，提出了雙應力狀態非飽和土抗剪強度公式.Vanapalli[2]在非飽和土微觀分析的基礎上，利用土水特征曲線建立φb與土的含水率變化之間的關系，提出了非飽和土抗剪強度的經驗公式.張常光[3]認為吸附強度表達式的不同導致了非飽和土抗剪強度公式的多樣性.除理論研究之外，很多學者通過試驗研究非飽和土的特性.郭利娜[4]利用土水特征曲線對Fredlund、Vanapalli的非飽和土抗剪強度預測公式與試驗結果進行了對比分析，驗證了預測公式的準確性.龔壁衛[5]研究了鄂西北及南陽盆地膨脹土的抗剪強度特性，得到了非飽和膨脹土抗剪強度與基質吸力的關系呈雙曲線形式.繆林昌[6]研究了南陽膨脹土在不同吸力狀態下非飽和強度特性，提出了基質吸力對抗剪強度貢獻的雙曲線模型.周葆春[7]探討了原狀、壓實、石灰改良膨脹土的非飽和抗剪強度與土水特征曲線的關系.李濤等[8]研究了基質吸力對非飽和紅黏土抗剪強度參數φ′和φb的影響，其中φb隨基質吸力的增加而先不變后減小.董倩[9]進行了不同吸力條件的直剪試驗和土樣結構的微觀掃描，發現非飽和粉質砂土抗剪強度隨基質吸力的增加先增大后減小，會出現抗剪強度峰值的現象.王勇[10]利用GDS非飽和土三軸儀對杭州地鐵儲氣砂土的抗剪強度進行了測定，認為殘余含水率是基質吸力對非飽和砂土抗剪強度貢獻大小的分界線.孟凡麗[11]對卸荷狀態下的軟黏土進行了研究,得到了卸荷土體抗剪強度變化的一般規律.王珊珊[12]利用靜三軸試驗，模擬了水泥土在工程中的應力狀態，對水泥土的抗剪強度進行了探討。

由于受土體骨架結構、土顆粒礦物成分、黏粒含量、應力歷史等內部條件的影響，非飽和土抗剪強度隨基質吸力變化的規律對于不同的土體明顯不同.筆者利用壓力板儀和直剪儀進行組合試驗，以含水率變化對非飽和土抗剪強度指標的影響為切入點，結合水土特征曲線的應用，探討基質吸力對非飽和粉質黏土抗剪強度特性的影響規律。

1研究方案與方法

1.1土樣的基本物理力學性質

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

表1　天然土樣的基本物理性質

表2　天然土樣的顆粒級配

根據《土的工程分類標準》[13](GB/T50145—2007)中的規定，細顆粒含量超過50%的土為細粒土,因此試驗中采用的土樣為細粒土.塑性指數為14，該土樣屬于粉質黏土。

1.2重塑土樣制備方法

1.2.1直剪試驗

將土樣進行烘干、去雜質和碾磨之后，根據試驗設計的土樣尺寸、干密度和含水率計算所需干土和水的質量，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，測定土樣的含水率。

1.2.2土水特征曲線試驗

將土樣進行烘干、去雜質和碾磨之后，根據試驗設計的土樣尺寸、干密度計算所需干土質量，加入一定量水在容器中混合攪拌均勻，靜置24 h。

1.3直剪試驗方案

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

土樣的直剪試驗分為不固結快剪和固結快剪，控制干密度為1.56 g/cm3，不固結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，研究非飽和粉質黏土的抗剪強度參數與含水率的變化關系。

1.4基質吸力測定試驗方案

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

試驗時的壓力按10，20，35，50，100，200，350，500，700 kPa逐級施加，每級荷載下，2 h內出水量小于0.01 mL，再施加下一級壓力。

通過測定基質吸力，繪制土水特征曲線，得到基質吸力與含水率的關系，結合直剪試驗結果，分析基質吸力對非飽和粉質黏土抗剪強度的影響。

2含水率對內摩擦角和黏聚力的影響

2.1含水率對內摩擦角的影響

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

固結快剪試驗結果表明：含水率在10%~18%區段內，內摩擦角對含水率較敏感.當含水率大于18%，內摩擦角反而隨著含水率的增加而增加，曲線形態呈“Z”字型，這是由于固結狀態下的土樣干密度變化更大，對內摩擦角的影響更顯著。

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

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

2.2含水率對黏聚力的影響

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

固結快剪的試驗結果與不固結快剪類似，只是黏聚力峰值出現時對應的含水率不同，含水率為17%時黏聚力達到最大值，其主要原因是在固結過程中，土樣被壓實，土中自由水被擠出，因此黏聚力出現峰值時含水率較不固結快剪大。

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

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

3基質吸力對抗剪強度的影響

3.1土水特征曲線試驗結果

非飽和土與飽和土的本質區別就是非飽和土中基質吸力的存在，基質吸力作為控制非飽和土抗剪強度的關鍵指標，其變化規律會直接影響非飽和土的抗剪強度。

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

圖5　基質吸力與含水率的關系Fig.5　The relationship between matric suction and water content

3.2基質吸力對非飽和粉質黏土抗剪強度的影響

不同豎向應力下，非飽和粉質黏土的抗剪強度與基質吸力的變化關系，如圖6,7所示。

圖6　不同豎向應力下抗剪強度與基質吸力的關系(不固結)Fig.6　The relationship curve of shear strength and matric suction under different vertical stresses (Non-Consolidation state)

圖7　不同豎向應力下抗剪強度與基質吸力的關系(固結)Fig.7　The relationship curve of shear strength and matric suction under different vertical stresses (Consolidation state)

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

4結論

同一豎向應力下抗剪強度隨基質吸力的增大而增大，說明基質吸力對抗剪強度有很大貢獻；隨著含水率的增大，內摩擦角減小.在含水率增大到一定值時，內摩擦角反而隨含水率的增大而增大.在固結快剪中，曲線形態呈更為明顯的“Z”字型，這是由于固結狀態下的土樣干密度變化更大，對內摩擦角的影響更顯著；對于黏聚力，固結快剪的試驗結果與不固結快剪相類似，隨著含水率的增加，黏聚力先增大后減小，但黏聚力峰值出現時對應的含水率不同，不固結快剪為13%，小于固結快剪的17%，其主要原因是在固結過程中，土樣被壓實，土中自由水被固結壓力擠出，因此黏聚力出現峰值時含水率較不固結快剪大。

參考文獻：

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[13]南京水利科學研究院.GB/T 50145—2007土的工程分類標準[S].北京：中國計劃出版社，1986。

(責任編輯：陳石平)

中圖分類號：TU433

文獻標志碼：A

文章編號：1006-4303(2015)02-0227-05

作者簡介：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、污染土的修復、污泥的再利用以及垃圾填埋場的防滲特性等相關領域研究，E-mail: xusifa@zjut.edu.cn。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51478434)

收稿日期：2014-11-13