含水量對昆明非飽和土抗剪強度影響的試驗研究

郭光八，劉克文

(十四冶建設云南勘察設計有限公司， 云南昆明 650001)

含水量對昆明非飽和土抗剪強度影響的試驗研究

郭光八，劉克文

(十四冶建設云南勘察設計有限公司， 云南昆明 650001)

在巖土工程領域，絕大多數土體位于地下水位以上，處于非飽和土狀態，尤其是公路、壩體、淺層邊坡等工程。非飽和土的抗剪強度與其含水量(飽和度)或基質吸力關系密切。利用改進的直剪儀，對不同初始含水量狀態下的昆明地區非飽和土體進行抗剪強度試驗，獲得了含水量與非飽和土體抗剪強度及其指標參數之間的關系，結果表明，在相同試驗條件下土體的抗剪強度隨著含水量的減小而不斷增大。

含水量；非飽和土；抗剪強度；強度試驗

0 引 言

在巖土工程設計和施工過程中，所采用的設計標準和施工規范均是建立在傳統的飽和土理論基礎之上。然而，隨著我國經濟建設的快速發展，城市道路日新月異。有關城市道路路基在雨季發生塌陷或者滑坡的報道時而見諸報端，這類塌陷或滑坡的發生帶有突發性和偶然性，難于預測和躲避，給人民的生命和財產安全造成了重大損失。例如，2010年10月位于蘭州市城關區大砂坪城市建設學校西200m處發生山體滑坡事故，大量黃土傾瀉而下掩埋路面，約8m寬的路面被滑土覆蓋；2011年7月云南省國道G214線祥臨公路瀾滄江大橋至云縣縣城中段道路發生滑坡。究其原因，目前我國針對巖土工程、道路工程的設計和施工均采用傳統的飽和土理論。實際上，工程實踐中絕大多數土體均處于地下水位以上，呈現非飽和狀態[1]。大量的工程實踐和試驗研究表明，對于同一種土體，其含水量和應力狀態對抗剪強度的影響非常大[2-4]。國際上也有許多學者對飽和－非飽和土體抗剪強度與含水量的關系開展了相關研究，結果表明非飽和土體抗剪強度與含水量的關系十分復雜，且不同土體的對應關系差別很大。因此，研究含水量的變化對土體抗剪強度的影響，具有重要的工程意義[5]。

1 非飽和土抗剪強度試驗

1.1 試驗材料

自2009年，昆明市通過實施“541”交通設施三年建設計劃，道路基礎設施建設取得重大進展；2012年，昆明市啟動實施4年城市道路建設計劃，預計至“十二五”末，將建設315條城市道路。城市道路建設突飛猛進，由此遇到的路基土處理問題也不斷出現。該試驗用土取自昆明市西山區某道路建設場地的第三層粉質粘土，該層厚5～14m。采取了3組土樣，通過常規土工試驗獲得基本物性參數，結果見表1。

表1 3組試驗土樣基本土性參數

1.2 試驗設備及方法

抗剪強度試驗采用南京土壤儀器廠生產的SDJ －1型等應變剪切儀。試驗開始前，先將試驗用土放置在105℃烘箱內烘至恒重，然后根據設計的不同含水量非飽和試驗用土計算相應的水分質量，量取適量蒸餾水配制成4種不同含水量的土樣，拌和均勻后用多層塑料袋分裝，以防止水分散失，并將其放置在溫－濕控制箱內在恒溫恒濕環境中靜置72 h，以使水分在土樣中充分擴散，確保土樣中水分分布均勻。

1.3 試驗設計

根據已有研究，實際工程中非飽和土體中的含水量一般為10%～35%[2，3]。本試驗研究中，分別配置質量含水量為10%，15%，20%，30%等重塑土樣4組，在5種正應力(50，100，200，300 kPa和400 kPa)下進行抗剪強度試驗。所有試樣制作嚴格按照《公路土工試驗規程》(JTG E40—2007)[6]進行操作，確保試驗結果準確、可靠。

2 試驗結果與分析

2.1 土樣強度指標試驗結果

通過對三組試樣進行剪切試驗，獲得了不同含水量對應的非飽和土抗剪強度參數，具體結果見表2。總體上可以看出，3組試驗土樣的粘聚力和內摩擦角均隨著含水量的增大而不斷減小，從而使土樣的抗剪強度值也隨著含水量的增大而減小。

表2 3組土樣強度指標試驗結果

2.2 含水量對抗剪強度的影響

3組土樣在不同含水量條件下的抗剪強度與正應力關系如圖1～3所示。由圖1～3可以看出，非飽和土體的抗剪強度與土體的含水量和正應力關系密切。一方面，隨著土體含水量的降低，土體抗剪強度不斷提高。例如，在正應力為200 kPa的條件下，當含水量由30%降低為10%時，土樣1的抗剪強度則由200 kPa減少為40 kPa，降低了80%；土樣2的抗剪強度也由220 kPa減小為65 kPa，降低了70%。另一方面，對同一土樣，土體的抗剪強度隨著正應力的增大而增大。例如，對含水量為20%的土樣1，當正應力從50 kPa增大到400 kPa時，其抗剪強度由50 kPa增加到160 kPa，提高了2倍。但是，在低應力水平下(由50 kPa增加至100 kPa)，3組試樣抗剪強度的增加并不明顯。

2.3 含水量對抗剪強度指標的影響

土體的抗剪強度主要是由土體的粘聚力和內摩擦角所決定的，為了分析含水量對抗剪強度指標的影響，將3組土樣含水量與粘聚力的關系曲線作于圖4，將含水量與內摩擦角的關系曲線作于圖5。

圖1 不同含水量條件下土樣1抗剪強度與正應力關系曲線

圖2 不同含水量條件下土樣2抗剪強度與正應力關系曲線

圖3 不同含水量條件下土樣3抗剪強度與正應力關系曲線

圖4 三組試樣的粘聚力與含水量關系曲線

從圖4中可以看出，3組試驗土樣的粘聚力均隨著含水量的增加而減小，且在不同含水量條件下3組試樣的粘聚力值比較接近，說明試驗重復性較好。根據邊加敏和王保田的研究，采用二次多項式對試驗結果進行擬合[3]，得到3組土樣粘聚力與其含水量的函數關系式，分別為:

圖5 三組試樣的內摩擦角與含水量關系曲線

同樣，從圖5中可以看出，3組試驗土樣的內摩擦角均隨著土體中含水量的增加而降低，當含水量從10%增加到30%時，土樣的內摩擦角從28°降低為10°左右，大約減小60%。采用線性方程對試驗結果進行擬合[3]，得到3組土樣內摩擦角與其含水量的函數關系式，分別為:

由此可見，在非飽和狀態下，含水量對土體的抗剪強度指標有著重要影響，土體的粘聚力與含水量呈二次曲線關系，而土體的內摩擦角與含水量近似呈線性關系。

3 結 論

傳統的飽和土力學理論已廣泛應用于我國巖土工程領域的設計、施工和管理運營，但是絕大多數工程實踐中巖土體本身處于非飽和土狀態。研究表明，非飽和土體的強度指標與含水量密切相關，因此加強對不同含水狀態下土體的力學特性、變形特性和滲透特性研究，對科學設計巖土工程、確保工程建設安全具有重要意義。

[1]Fredlund D G，Rahardjo H.非飽和土力學[M].北京:中國建筑工業出版社，1997.

[2]趙慧麗，張 彌，李兆平.含水量對北京地區非飽和土抗剪強度影響的試驗研究[J].石家莊鐵道學院學報，2001，14(4): 30-33.

[3]邊加敏，王保田.含水量對非飽和土抗剪強度影響研究[J].人民黃河，2010，32(11):124-125.

[4]黃 琨，萬軍偉，陳 剛，等.非飽和土的抗剪強度與含水率關系的試驗研究[J].巖土力學，2012，33(9):2600－2604.

[5]劉子振，言志信，凌松耀，等.非飽和土邊坡抗剪強度的力學參數影響及靈敏度分析[J].中南大學學報(自然科學版)，2012，43(11):4508-4513.

[6]公路土工試驗規程[S].JTG E40—2007.

2014-11-21)

郭光八(1976－)，男，云南祥云人，大學本科，工程師，主要從事巖土工程生產及管理工作，Email：376107138＠qq.com。