原狀和重塑粉土抗剪強度與含水率的關系

摘要：中原地區水敏感性粉土廣泛分布，作為典型的非飽和土，其抗剪強度受含水率影響很大。降雨期間的非飽和粉土邊坡因含水率的增加，影響土體的抗剪強度，可導致邊坡失穩等。許多學者建立了非飽和土抗剪強度的理論公式和本構模型[1-3]，而室內試驗能通過控制試驗狀態，驗證理論公式的正確性[4]。本項目通過不同含水率粉土三軸試驗，對粉土強度指標及含水率對其影響特征進行了研究。

關鍵詞：原狀土；重塑土；抗剪強度；粉土；含水率

一、引言

目前的學者大多是對黃土、黏土、膨脹土等非飽和土進行三軸試驗研究。關于中原地區粉土鮮有涉及。作為對含水率極其敏感的土質，中原地區粉土的抗剪強度研究亟待推進。同時，既往試驗中關于土樣進行三軸試驗時多為單一類型土樣，同時進行原狀、重塑粉土試驗的多為直剪試驗，并且試驗結果有所差異。因此，作者通過開展高質量的粉土原狀、重塑土樣的三軸試驗，嚴格控制重塑土樣制作方法，研究含水率對原狀、重塑粉土抗剪強度特性的影響。

二、實驗內容及分析：

本試驗用土取自鄭州市慶元廣場基坑工程，取土深度6.5m，按《建筑地基基礎設計規范》分類方法，試驗用土為砂質粉土，天然含水率15.6%，天然干密度1.65。

原狀土樣取回后，剝去塑料紙和膠帶，檢查土樣結構，看是否擾動或土樣質量是否符合試驗要求，若土樣保持完好，按照試驗規程要求利用專用的削土器將土樣削制成80mm，直徑為 39.1mm的圓柱形試樣。為減少黃土干密度差異帶來的影響，控制試樣干密度差值不大于 0.2g/cm3，同一組試樣控制含水量相同。含水率相差不得超過1%，在室內制樣時可看見黃土內含極小的細砂、石英顆粒等，部分存在鈣質結核層。

重塑土采用自然風干方法，不時稱重穩定質量，然后將其放入保濕缸中養護2～3天，待試樣內部水分均勻后即可用于試驗。使用此法時切忌使試樣暴曬，以避免試樣出現裂紋而破壞試樣的原狀結構。從而得到含水率為9%、13%、15%、17%、19%、21%、25.2%（飽和含水率）七組土樣，每組土樣4個，其中3個用于三軸試驗，1個用于測量土的含水率。

抗剪強度試驗使用應變控制式三軸儀，進行不固結不排水剪切試驗。試驗過程中圍壓分別為50kPa、100kPa、200kPa，剪切速率0.5mm/min。

剪切前期應力隨應變的增加變化較快，試樣的應力應變關系在這個階段近似呈直線關系。剪切后期，應力仍隨應變的增加而增加，但應力增長的幅度明顯變緩，這一階段的應力應變仍呈直線關系。含水率相同時，原狀粉土及重塑粉土的強度隨圍壓的增加而增加。當含水率較低時，原狀粉土的應力應變關系曲線呈現硬變軟化型，含水率為9%時的土樣呈現45°+φ/2的剪切破壞。隨著含水率的增加，粉土的應力應變關系曲線由應變軟化型過渡為應變硬化型，高含水率條件下，土樣原有結構極易受到破壞，應力隨著應變的增大逐漸增大，直至穩定狀態。含水率為25.2%時土樣呈現鼓肚型破壞。

從以上分析來看，含水率的變化對粉土的破壞形式有著很大的影響。同一含水率下重塑土的最大主應力差和原狀土相差不大，且都隨著含水率的增加而逐漸降低。隨著含水率的增加，強度明顯的減小，這表明了含水率對強度的影響劇烈。圍壓不變的情況下，隨著含水率的增加，試樣所能承受的壓力變小，試樣更容易被破壞。含水率不變的情況下，最大主應力差隨著圍壓的增大而增大，基本呈線性變化。整體上重塑土的最大主應力差略大于原狀土的最大主應力差

由上述得到的原狀、重塑粉土的試驗數據，繪制不同含水率下的強度包線，得到不同含水率下的原狀、重塑粉土的黏聚力及內摩擦角。

原狀粉土及重塑粉土的內摩擦角隨著含水率的增加而下降，但整體變化不大，可以認為是一常數。土的內摩擦角主要受到土顆粒本質結構的影響，含水率的增加并未改變其土顆粒大小、土顆粒表面粗糙度等，所以內摩擦角受含水率的影響不大。

由表3可知，當含水率ω<15%時，隨著含水率的增加，黏聚力有較大幅度的下降；當含水率ω>15%時，黏聚力仍隨著含水率的增加而減小，但減小幅度變緩。黏聚力隨含水率減小的關系曲線可以由兩個直線段描述，第1段直線的斜率要大于第二段直線的斜率。主要是由于含水率的增加，土顆粒間的孔隙逐漸被水填滿，導致土顆粒間的黏聚力減小。土的黏聚力主要來源與土顆粒間的水膜聯結和膠結作用，隨著含水率的增大，顆粒間的水膜聯結力逐漸減小，直至達到土體飽和含水率時完全喪失。

由試驗所得黏聚力和內摩擦角，可計算得不同法向應力下的原狀土、重塑土的抗剪強度隨含水率變化規律。原狀、重塑粉土抗剪強度隨含水率變化規律一致。在含水率較低時，抗剪強度隨著含水率的增加大幅度降低，當含水率較高時，抗剪強度隨含水率的增加，減小幅度較小，抗剪強度隨含水率變化曲線可由兩段直線表示，說明存在一個界限含水率，超過該含水率后，粉土的抗剪強度受含水率影響減小；文獻[5]認為原狀Q3黃土具有較高的結構性，重塑土的土粒直剪結構松散，原狀土的抗剪強度要高于重塑土。本試驗的研究結果表明，重塑粉土的抗剪強度均略大于原狀粉土的抗剪強度，證明結構性對鄭州粉土抗剪強度的影響不大。

三、結論

（1）原狀粉土及重塑粉土的內摩擦角隨著含水率的增加而下降，但變化不大，可認為是一常數。黏聚力隨含水率的增加先是急劇下降，達到臨界值之后，下降幅度變緩，，可由兩個斜率不同的直線段描述。

（2）當在制作土樣時保證含水率作為單一變量，原狀粉土的黏聚力與內摩擦角隨含水率變化情況與重塑粉土的變化情況基本一致，重塑土的黏聚力和內摩擦角均略大于原狀土。

（3）原狀、重塑粉土抗剪強度在含水率較低時，隨著含水率的增加大幅度降低，當含水率較高時，隨含水率的增加，減小幅度較小。存在一個界限含水率，超過該含水率后，粉土的抗剪強度受含水率影響減小。

參考文獻：

[1]Bishop A W. The principle of effective stress[J].Teknisk Ukeblad， 1959， 106（39）： 859-863.

[2]Fredlund D G， Rahardjo H. Soil mechanics for unsaturated soil[M]. New York： John Wiley and Sons， 1993.

[3]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.

[4]韋鋒.姚志華.陳正漢.等. 結構性對非飽和Q3黃土強度和屈服特性的影響[J]. 巖土力學， 2015， 36（9）： 2551-2559.

作者簡介：彭秀生；1997年3月12日；男；漢族；江西省萍鄉市人；職稱：學生；單位：鄭州大學；專業：土木工程。