含水率對下蜀土抗剪強度的影響

施　威，魏繼紅*，宋京雷，樂慧琳，高曉兵

(1.河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京　210098；2. 江蘇省地質調查研究院，江蘇 南京　210018；3. 中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海　200032)

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含水率對下蜀土抗剪強度的影響

施威1，魏繼紅1*，宋京雷2，樂慧琳1，高曉兵3

(1.河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京210098；2. 江蘇省地質調查研究院，江蘇 南京210018；3. 中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海200032)

摘要：為研究不同剪切方式中，含水率對下蜀土抗剪強度的影響，選取下蜀土為研究對象，進行多組原狀土樣的快剪、慢剪和反復直剪試驗。試驗結果表明：下蜀土試樣含水率在19%～28.2%之間變化時，隨著含水率的增加，土的抗剪強度總體呈下降趨勢，但不同剪切方式中影響規律不同。快剪試驗中，含水率對土體抗剪強度的影響較大，當含水率增加到23.5%附近時，黏聚力和內摩擦角均急劇下降；慢剪和反復直剪試驗中含水率對土體的抗剪強度影響較小。快剪和反復直剪試驗中，土的抗剪強度主要受黏聚力控制；慢剪試驗中，土的抗剪強度主要受內摩擦角控制。快剪、慢剪和反復直剪分別模擬下蜀土滑坡中的快速滑動、緩慢滑動和古滑坡的再次滑動，試驗結論可為不同類型下蜀土滑坡的防治工程提供參考。

關鍵詞：下蜀土；直剪試驗；含水率；抗剪強度

土體的抗剪強度指標是土質邊坡穩定性分析中重要的基本力學參數，主要受土體結構、密度和含水率等因素的影響。工程實踐中發現，在一定范圍內，土的結構和密度一般變化較小，而含水率容易受降水等外界因素影響，含水率的變化容易導致抗剪強度的改變。許多學者對土體的抗剪強度做了大量研究，建立了多種非飽和土的抗剪強度的理論公式和本構模型[1-6]，其中代表性理論有Bishop理論、Fredlund雙變量理論、盧肇鈞的吸附強度理論、繆林昌的雙曲模型等[1-6]。為探討含水率對土體抗剪強度的影響，黃琨等[7]采用重塑土樣和原裝土樣進行試驗，申春妮等[8]、陳高峰等[9]采用重塑土樣進行試驗，但均未考慮剪切方式在試驗研究過程中的影響作用。

本文選取長江中下游地區的非飽和下蜀土作為研究對象，通過多組非擾動原狀土試樣的快剪、慢剪和反復直剪3種剪切試驗，分析比較不同剪切方式下含水率對土的抗剪強度的影響。快剪、慢剪和反復直剪分別模擬下蜀土滑坡中快速滑動、緩慢滑動和古滑坡的再次滑動，試驗結論可為不同類型的下蜀土滑坡滑帶抗剪參數的確定及防治工程提供參考。

1下蜀土抗剪強度試驗

1.1試驗材料

下蜀土天然狀態下為黃褐色，以可塑～硬塑為主，結構緊密，強度和承載力較高[10]；但下蜀土具有明顯的脹縮性，而且土體垂直裂隙發育，在降雨等不利條件下容易發生滑坡等地質災害。南京燕子磯附近便為典型的下蜀土滑坡地質災害易發區域。

本次試驗材料取自南京市燕子磯一處下蜀土滑坡現場。采用XY-1型油壓工程鉆機鉆進，利用薄壁取土器取原狀土樣，盡量避免擾動，共制取試樣64組，其中快剪試驗22組，慢剪試驗22組，反復直剪試驗20組。土樣及試樣照片如圖1所示。

圖1　原狀土樣及制成試樣照片

通過顆粒分析試驗和常規土工試驗獲得土的基本物理性質參數。土樣的主要指標如下：粒徑小于0.005 mm 的占70 %以上；液限Wl=30.3 %；塑限Wp=17.5 %；塑性指數Ip=12.8；相對密度G=2.72；天然含水率在20%～28%之間。按GB 50021—2009《巖土工程勘察規范》中土的分類方法，試驗用土為粉質黏土。測試結果如表1所示。

1.2試驗設備

本次試驗采用南京土壤儀器廠生產的PSJ-3型電動四聯等應變直剪儀。因為根據庫倫定律，土的內摩擦力和剪切面上的法向壓力成正比，所以采用4個相同試樣為一組，分別在50、100、150、200 kPa的法向壓力下以一定的速度進行剪切。施加應力的方式采用等應變控制式，試驗數據均為自動采集。試驗儀器和數據采集系統界面如圖2所示。

表1　南京下蜀土顆粒分析結果　%

圖2應變控制式直剪儀及數據采集系統界面圖

1.3試驗方法

目前研究含水率對非飽和土抗剪強度影響的相關試驗主要是采用重塑試樣進行，沒有考慮土的原有結構和剪切方式對抗剪強度的影響。本試驗試樣為原狀土樣，取自同一地區，在降雨前和降雨后多次取樣，確保土體含水率在一定區間內連續變化，剪切方式采用快剪、慢剪和反復直剪。具體試驗方法如下。

快剪試驗：將制備好的試樣放入剪切儀，施加4組不同的法向壓力，然后以0.8 mm/min的速度進行剪切，剪切位移達到4 mm時停止剪切。

慢剪試驗：將制備好的試樣放入剪切儀，施加4組不同的法向壓力，然后在直剪儀上以0.02 mm/min的速度進行剪切，剪切位移達到4 mm時停止剪切。

反復直剪試驗：將制備好的試樣放入剪切儀，施加4組不同的法向壓力，然后在反復直剪儀上以0.02 mm/min的速度進行剪切，剪切位移達到8 mm時停止剪切。第1次剪切完成后，將剪切盒退回原位，等待0.5 h后，進行第2次剪切，如此反復，直到最后測力計所顯示讀數接近為止。根據試驗情況，一般進行5～6次剪切便可達到要求。

快剪、慢剪和反復直剪分別模擬下蜀土滑坡中快速滑動、緩慢滑動和古滑坡的再次滑動3類滑動類型。

2試驗數據整理與分析

2.1試驗數據整理

試驗結束后，對試驗數據進行整理和統計，找出含水率不同，其他物理指標基本相同的試樣數據。其中：快剪試驗有9組，天然含水率在19.0%～28.2%之間，試驗數據如表2所示；慢剪試驗有11組，天然含水率在21.4%～27.9%之間，試驗數據如表3所示；反復直剪試驗有10組，天然含水率在21.4%～27.8%之間，試驗數據如表4所示。

表2　快剪試驗數據

表3　慢剪試驗數據

表4　反復直剪試驗數據

2.2試驗數據分析

2.2.1快剪試驗數據分析

從圖3中可以發現：土的抗剪強度隨著含水率的增加而減小，含水率在22.9%～24.7%之間時，抗剪強度-含水率關系曲線位置發生明顯變化。從圖4和圖5中可以發現：含水率對黏聚力和內摩擦角的影響規律相似，含水率與黏聚力和內摩擦角的關系曲線均分為3段，當含水率在19%～21.5%之間時，隨著含水率的增加，黏聚力和內摩擦角平穩下降；當含水率在21.5%～23.5%之間變化時，黏聚力和內摩擦角急劇下降；當含水率在23.5%到接近飽和之間時，黏聚力緩慢下降，趨于平穩，內摩擦角則呈現先減小后增大的趨勢。

圖3　快剪試驗中抗剪強度與含水率的關系

圖4　快剪試驗中黏聚力與含水率的關系

快剪試驗中，土體強度的下降主要原因為剪切速度快，孔隙中的水來不及消散，產生孔隙水壓力。根據有效應力原理，總應力大小不變，隨著含水率的

圖5　快剪試驗中內摩擦角與含水率的關系

增加，孔隙水壓力增大，則有效應力減小，土的抗剪強度降低，黏聚力為土體抗剪強度的主控因素。黏聚力和內摩擦角在一定含水率時出現突變現象，這表明，當含水率為一定值(約23.5%)時，土的抗剪強度急劇下降。

2.2.2慢剪試驗數據分析

從圖6中可以發現：慢剪試驗中，土的抗剪強度與含水率之間沒有明顯的線性關系，隨著含水率的增加呈現出小幅度波動變化但整體下降的趨勢。對比圖3和圖6可以發現，慢剪試驗中含水率變化范圍與快剪相近，但曲線位置變化幅度明顯小于直剪試驗。從圖7和圖8中可以發現：黏聚力隨著含水率的增加呈現出波動變化，變化平穩，整體為增大趨勢；內摩擦角隨著含水率的增大也呈現出波動變化，整體為減小趨勢。

圖6　慢剪試驗中抗剪強度與含水率的關系

圖7　慢剪試驗中黏聚力與含水率的關系

圖8　慢剪試驗中內摩擦角與含水率的關系

慢剪試驗中，土的內摩擦角對土的抗剪強度起主要的控制作用，而黏聚力作用相對較小。主要原因為慢剪試驗持續時間較長，一般為3 h左右，在緩慢的剪切過程中，土體中的水會慢慢消散，孔隙水壓力對土體強度的影響被削弱，不會出現類似快剪試驗中的抗剪強度大幅變化的情況，同時土體中自由水消散，引起基質吸力的增大，使得黏聚力增大；但隨著含水率的增加，水在土顆粒之間發揮潤滑作用，使得摩擦角逐漸減小，從而呈現抗剪強度波動變化但整體下降的趨勢。

2.2.3反復直剪試驗數據分析

從圖9中可以發現：反復直剪試驗中，土體的含水率-抗剪強關系曲線位置變化為先上后下，土體的抗剪強度與含水率之間沒有嚴格的線性關系，變化規律與慢剪相似，雖然含水率變化范圍與快剪相近，但抗剪強度包線位置變化幅度明顯小于直剪試驗。從圖10和圖11中可以發現，黏聚力隨著含水率的增加呈現出先增大再減小的趨勢，當含水率為24%時，黏聚力出現最大值，而內摩擦角隨著含水率的增大而逐步減小。

圖9　反復直剪試驗中抗剪強度與含水率關系

在反復直剪試驗中，土的抗剪強度為殘余強度，黏聚力對土的殘余強度起主要的控制作用。隨著含水率增加，土體的殘余強度先增加后減小，在含水率為一定值時出現最大殘余強度，主要因為試驗過程持續時間較長，一般為7 h左右，在反復剪切中，土體的結構發生破壞，剪切破壞面隨著剪切次數增大而變得光滑，內摩擦角逐漸減小；同時含水率影響基質吸力，當含水率約為24%時，對應著基質吸力最大值，基質吸力的變化使得黏聚力呈現出先大后小的規律。

2.2.4對比分析與應用

在中國股市成立初期，由于受到國內管制較多，中國股票市場與國際股市的相依性非常低，這一點已經過多數學者的驗證。因此，本文將樣本區間設置為2001年1月1日至2015年11月30日，數據頻率采用日度數據，研究數據來自雅虎財經。

對比3種試驗結果，可以發現：隨著含水率的增加，土體的抗剪強度整體上呈下降趨勢,但不同的剪切方式的變化規律不同。快剪試驗中，抗剪強度隨含水率增加先緩慢下降之后急劇下降最后又緩慢下降，趨于平穩，含水率在23.5%附近時，土體的抗剪強度急劇下降，含水率對土體抗剪強度的影響較大；慢剪試驗中，土的抗剪強度隨著含水率呈波動變化，整體趨勢為減小，內摩擦角對土體的強度起主要控制作用，含水率對土體抗剪強度的影響相對較小；反復直剪試驗中，抗剪強度隨著含水率的增大先增大后減小，最大抗剪強度對應的含水率約為23.5%，與直剪試驗中的強度突變含水率相近，含水率對土體抗剪強度的影響相對較小。

圖10　反復直剪試驗中黏聚力與含水率的關系

圖11　反復直剪試驗中內摩擦角與含水率的關系

在工程應用中，快剪試驗用來模擬下蜀土邊坡在降雨工況下的快速滑動破壞；慢剪試驗模擬下蜀土邊坡在降雨工況下緩慢滑動破壞；反復直剪試驗模擬下蜀土滑坡在降雨工況下的再次滑動。根據試驗數據分析結果，筆者對南京燕子磯附近化工廠中學滑坡、燕子磯中學滑坡、69-3號滑坡等8個典型的下蜀土邊坡的破壞模式和誘發因素進行統計，發現，其中6個滑坡發生在降雨后，且均為新形成的快速滑動型滑坡。另外2個為再次緩慢滑動的古滑坡，未發現其與降雨有明顯因果關系。

通過室內試驗和滑坡災害統計分析可見，試驗結論與統計數據基本吻合，降雨容易引起下蜀土邊坡的快速滑動破壞。對于可能引發破壞的邊坡來說，做好排水措施極為重要，在確定滑帶土參數時應重點考慮土體含水率的變化情況。

3結論

采用快剪、慢剪和反復直剪3種剪切方式，來研究含水率對土抗剪強度的影響規律，得出以下幾點結論。

1)隨著含水率的增加，土的抗剪強度總體呈降低趨勢，快剪和反復直剪中，土的強度主要受黏聚力控制，慢剪試驗中，土的強度主要受內摩擦角控制。快剪試驗中，當含水率達到23.5%左右時，土體強度急劇下降，該臨界含水率與反復直剪試驗中土體強度最大值對應的含水率相差不大。

2)含水率對于土體不同剪切方式的抗剪強度的影響規律不同，對于快剪抗剪強度的影響較大，而對慢剪和反復直剪影響較小。不同的剪切試驗對應邊坡不同的破壞模式，由試驗結果和統計數據可知，下蜀土邊坡在降水條件下的突然滑動破壞多由降雨改變土體抗剪強度引起；土體的緩慢滑動和古滑坡的再次滑動受降雨影響相對較小。

參考文獻

[1]姚攀峰, 祁生文, 張明. 基于路徑的非飽和土抗剪強度指標確定方法[J]. 巖土力學, 2009(9): 2605.

[2]林鴻州, 李廣信, 于玉貞,等. 基質吸力對非飽和土抗剪強度的影響[J]. 巖土力學, 2007, 28(9):1931.

[3]Bishop A W, Blight G E. Some Aspects of Effective Stress in Saturated and Partly Saturated Soils[J]. Géotechnique, 1963, 13(3):177.

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[8]申春妮,方祥位,王和文,等.吸力、含水率和干密度對重塑非飽和土抗剪強度影響研究[J].巖土力學,2009,30(5):1347.

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[10]劉永青. 南京市區地基土的工程地質區劃[J]. 水文地質工程地質, 1994(3):49.

(編校：葉超)

Study on the Influence of Moisture Content to Shear Strength Tests for Xiashu Soil

SHI Wei1，WEI Jihong1*，SONG Jinglei2，LE Huilin1，GAO Xiaobing3

(1.DepartmentofEarthScienceandEngineering，HohaiUniversity，Nanjing210098China；2.GeologicalSurveyofJiangsuProvince,Nanjing210018China；3.CCCCThirdHarborConsultantsCo.,Ltd.,Shanghai200032China;)

Abstract:In order to study the effect of moisture content on the shear strength of Xiashu soil, the quick shear, slow shear and repeated direct shear tests of undisturbed soil samples were carried out. The results show that when the moisture content is between 19% and 28.2%, the shear strength decreases with the increase of moisture content, but the influence of moisture content on the shear strengths in the three kinds of shear test is different. The influence of moisture content on the shear strengths in the quick shear test is larger than that in the slow shear and repeated direct shear tests. In the quick shear test, when the soil moisture content increased to 23.5%, both cohesion and internal friction angle have fallen sharply. In the quick shear test and repeated direct shear test，shear strength is mainly controlled by the cohesion. In the slow shear test, shear strength is mainly controlled by the angle of internal friction. Quick shear, slow shear and repeated direct shear tests simulated the quick-moving Xiashu soil slide , slow-moving Xiashu soil slide and the resurrection of old landslide, respectively. The test results can provide a reference and basis in the landslide control engineering.

Keywords:xiashu soil；direct shear test ；moisture content；shear strength

收稿日期：2015-04-01

基金項目：國家自然科學基金(41102162)；十二五國家科技支撐計劃項目(2012BAB03B02)。

*通信作者：魏繼紅(1976—)，女，副教授，博士，主要研究方向為巖土體穩定性。E-mail：wjhfish@hhu.edu.cn.

中圖分類號：TU43；TU411

文獻標志碼：A

文章編號：1673-159X(2016)03-0097-5

doi:10.3969/j.issn.1673-159X.2016.03.020

第一作者：施威(1989—)，男，碩士研究生，主要研究方向為巖土體穩定性。

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