非飽和黃土抗剪強度特性試驗研究

閆芙蓉，胡雪源，崔 芳

(河南理工大學 土木工程學院， 河南 焦作 454000)

非飽和黃土抗剪強度特性試驗研究

閆芙蓉，胡雪源，崔 芳

(河南理工大學 土木工程學院， 河南 焦作 454000)

為了研究黃土滑坡的發生機理及剪切破壞特征，用探井法在延安滑坡體取樣，進行了室內控制吸力的固結排水剪切試驗，本次試驗共做了10組(Q3、古土壤各5組)。試驗結果表明：兩種黃土存在不同剪切破壞面，古土壤顆粒中由于黏粒含量比較高，所以沒有明顯的剪切面；而Q3黃土由于其大孔隙發育，結構疏松，沒有黏滯性，所以剪切面上有擦痕，存在明顯的剪切面；抗剪強度參數會隨著實驗過程中基質吸力的改變而改變，黏聚力隨著基質吸力的增加而增加，二者為線性關系；而內摩擦角的變化很小，幾乎不隨吸力的改變而改變；隨著含水率的增加，吸力和黏聚力均呈現下降趨勢，吸力的減小降低了土顆粒之間的有效應力，從而使土的抗剪強度降低。

非飽和土；黃土；基質吸力；抗剪強度

土的兩個重要的抗剪強度指標(黏聚力和內摩擦角)，作為最重要的基本力學參數,無論進行土坡穩定性分析、還是地基承載力評價都得到最廣泛的應用。黃土是典型的非飽和土，早期研究土體力學是以飽和土的強度理論為基礎(顆粒和水兩相介質)，而非飽和土進入了氣體介質，這就導致非飽和土的力學性狀遠比飽和土復雜。至今有很多研究人員對非飽和土進行研究，試圖提出非飽和土的抗剪強度公式，但由于非飽和土的復雜性，其計算公式差強人意。關于非飽和土抗剪強度理論的研究，其中最具代表性的，主要可以分為兩種Bishop和Fredlund的抗剪強度公式[1-2]。

1960年，Bishop等提出了非飽和土抗剪強度表達式：

τf=c′+[(σ-ua)+χ(ua-uw)]tanφ′

(1)

式中：c′為飽和土的有效黏聚力；ua為破壞時在破壞面上的孔隙氣壓力；uw為破壞時在破壞面上的孔隙水壓力；σ為破壞時在破壞面上的法向總應力；φ′為與凈法向應力(σ-ua)有關的內摩擦角；χ是經驗系數，與土的類型有關，其值確定較為困難，需要考慮非飽和土的影響、應力路徑以及土體的飽和度。因而使該公式的推廣受到限制。

目前被廣泛接受的，應用最多的是Fredlund的理論，認為非飽和土的抗剪強度可以用擴展的Mohr圓表示，其表達式為：

τ=c′+(σf-ua)ftanφ′+(ua-uw)ftanφb

(2)

式中：c′和φ′代表土體的有效黏聚力和有效內摩擦角，可以由飽和土的三軸試驗中得出，其值并不受非飽和土中吸力的影響；(σf-ua)f為土體破壞時，其破壞面上的法向應力值；φb為隨基質吸力變化的內摩擦角，即為因基質吸力增加而引起抗剪強度增加的曲線的傾角；(ua-uw)f為破壞時在破壞面上的基質吸力；第三項為吸力對強度的貢獻。

為了研究黃土滑坡的發生機理及剪切破壞特征，用探井法在延安某一滑坡體中取樣，進行了室內控制吸力的固結排水剪切試驗，本次試驗共做了10組(Q3黃土、古土壤各5組)。通過力學參數的變化來研究非飽和黃土的強度特性。

1 試驗設備及方法

1.1 試驗設備

研究非飽和黃土強度特性，可以進行室內三軸試驗，也可以進行室內非飽和土直接剪切試驗，由于非飽和土的滲透系數小，在三軸試驗中達到破壞所需的時間可能特別長，而直剪試驗因為試樣的排水路徑短，而且簡單、實用、省時，所以特別適用于非飽和土[3-4]。鑒于此，在室內進行了非飽和土的直接剪切試驗，試驗所用儀器設備為江蘇溧陽市永昌工程試驗儀器設備有限公司生產的4FDJ-20型四聯非飽和土直剪儀，法向壓力為0～2 MPa，水平剪力為0～6 kN，剪切速率范圍在0.0024 mm/min～1.2000 mm/min之間。

為了在試驗中有效的量測和控制吸力，在直剪試驗儀的剪切盒底部配備高進氣值陶土板，控制進氣壓值為500 kPa。采用內徑4 mm的尼龍管作為排水量測裝置。在儀器上設置一個拉桿，然后將尼龍管和最小刻度為1 mm的鋼尺一起附在拉桿上，通過鋼尺刻度來觀察水位的變化。當排水管中當水位對應鋼尺刻度發生1 mm的變化時，其對應于水體積變化是0.012 cm3。

整個試驗過程中由微機進行數據采集(見圖1)，其采集試樣數據的結果有土體的豎向位移和土體的水平位移，以及在試樣上加載的豎向、水平應力。

圖1 4FDJ-20型四聯非飽和土直剪儀及數據采集處理系統

1.2 試驗方案

試驗用土取自延安方塔水庫周邊一滑坡體，探井取樣，土樣制備規格尺寸為?61.8×20 mm，面積A=30 cm2。本次試驗共做了10組(Q3、古土壤各5組)共40個試樣的控制吸力的固結排水剪切試驗，試驗中吸力分別控制為5個不同的定值(0 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa)，而后逐級加大軸向應力(50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa)，具體方案見表1。試驗過程包括固結和剪切兩個階段，土樣裝入剪切盒后，先加基質吸力，這時候土樣固結排水，待土樣的排水及體積變化都達到穩定之后，然后施加軸向應力使土樣繼續固結，土樣變形穩定以后再加橫向剪切速率進行剪切。土樣變形穩定的標準是：每2 h變形量不超過0.01 mm。

表1 試驗研究方案

1.3 剪切速率的選擇

非飽和土的抗剪強度試驗一般說來應該是以相對較慢的速率進行的，以保證孔隙水壓力的均勻消散，參照以往經驗，剪切速率選擇為0.0035 mm/min(一般為0.003 mm/min～0.004 mm/min之間)，直到出現剪應力峰值或剪切位移達10 mm時試驗就可以停止。

2 試驗結果整理

2.1 天然狀態下的剪切破壞形式

圖2為馬蘭黃土和古土壤剪切破壞后的圖，從圖2中可以看出，古土壤顆粒中由于黏粒含量比較高，存在顯著的黏滯性，所以出現土顆粒呈現為被“拖拽”似的排列，沒有明顯的剪切面，而Q3黃土由于其大孔隙發育，結構疏松，沒有黏滯性，所以剪切面上有擦痕，存在明顯的剪切面。

圖2天然狀態下黃土的破壞形式

2.2 強度參數的確定

(1) 有效黏聚力c′和有效內摩擦角φ′的確定。根據實驗數據整理出不同吸力條件下的剪應力-豎向應力關系曲線，近似線性關系，則直線在y軸上的截距為有效黏聚力c′，直線的傾角為有效內摩擦角φ′(見圖3)。

圖3關系曲線

(2)φb的確定。當吸力不同時，得到的抗剪強度也是不同的，過(0，c′)和(usi，τi)連線傾角可得吸力為usi時的φb。對于同一種土樣，可以認為有效黏聚力的差別不大，近似為一常數，即c′不變。在同一種吸力情況下，可以通過(0，c′)和(us，c)這兩個點的連線的傾角確定φb(見圖4)。

圖4c-us關系曲線

根據實驗數據可以整理出五種吸力條件下的豎向應力和剪應力關系曲線(見圖5)，從圖5中可以看出，剪應力會隨著豎向應力的增大而增大，二者近似為線性關系。利用最小二乘法線性擬合，得到不同吸力條件下的抗剪強度參數列表如表2所示。

圖5 不同吸力條件下的剪應力-豎向應力關系曲線

2.3 含水率對強度參數的影響

由圖6可以看出，隨著含水率的增加，結合水膜的黏滯阻力減小，使得顆粒間的摩擦力隨之降低，所以吸力和黏聚力均呈現下降趨勢，吸力的下降降低了土顆粒之間的有效應力，從而使土的抗剪強度減小。內摩擦角受含水率的影響變化不是很大，從而可以看出，水對土體抗剪強度的影響主要是對黏聚力c值的影響。

圖6強度參數隨含水率的變化曲線

2.4 吸力對強度參數的影響

由飽和土抗剪強度公式τf=c′+(σ-uw)ftanφ′可以看出，飽和土的強度由有效黏聚力和顆粒間的摩擦力兩部分組成。而從非飽和土的抗剪強度公式τ=c′+(σf-ua)ftanφ′+(ua-uw)ftanφb可以看出，其強度參數主要包括基質吸力、顆粒間摩擦力以及土體的效黏聚力。將兩個公式進行對比，當吸力(ua-uw)為零時，兩個公式表達一致。所以非飽和土的強度特性研究則主要是側重于基質吸力對強度的影響。

另外，非飽和土抗剪強度公式τ=c′+(σf-ua)ftanφ′+(ua-uw)ftanφb

進一步可改寫為：

τf=c+s′tgφ′

(3)

其中，c=c′+stgφb；s′=σ-ua；s=ua-uw

由上式可以看出，非飽和黃土的黏聚力c是由基質吸力引起的抗剪強度stgφb和飽和狀態時的黏聚力c′兩部分組成。黏聚力c′是黃土處于飽和狀態時由顆粒間分子引力、黏土礦物顆粒的黏結力和水膜的物理化學作用所形成的。從吸力與黏聚力間的關系(見圖7)中可以得到本次試驗所用土的c′為3.46 kPa，這與文獻[5-7]的研究結果比較吻合。φb說明抗剪強度隨基質吸力的變化情況，從c=c′+stgφb可以得到其表達式為：

(4)

不同的s對應不同的c，由式子可以看出，φb不是一個常量，所以φb隨s的改變而變化，這種結果與之前研究人員提出的試驗結果是吻合的[8-10]。Schnellmann R等[11]試驗證明土中吸力低于土的進氣值時，φb=φ。當基質吸力超過某一吸力范圍時，φb就不再是線性的，是一個變量[12-14]。摩擦力s′tgφ′只隨接觸面的法向應力而變化，隨吸力變化不大，是由土顆粒接觸面或顆粒與膠結物質接觸面上的摩擦產生的。一般認為，黃土的強度受兩種黏聚力所制約：(1) 原始黏結力，由顆粒間分子引力、黏土礦物顆粒的黏結和水膜的物理化學作用所形成的，原始黏結力不隨外力的變化而變化，而與土的密度和含水率有關；(2) 加固黏聚力，由碳酸鹽、石膏及其它包圍在顆粒外部的鹽類薄膜膠結而成的。

圖7吸力對抗剪強度參數的影響分析曲線

由圖7可以看出，在不變的軸向應力的作用下，并且在試驗所設定的吸力大小中，黏聚力隨著基質吸力的增加也有增加的趨勢，內摩擦角則變化很小，幾乎不變；由圖7中吸力與黏聚力之間的關系曲線可以得到試驗用黃土的吸力影響下的摩擦角φb為7.57°。吸力摩擦角是將基質吸力轉換成系數來表達總吸力，表明抗剪強度隨基質吸力變化而變化的情況，是隨吸力變化的摩擦角。由此，試驗結果在物理意義上得出，φb值有效的反映了在非飽和土中水和土兩相介質之間的影響效應[15]。

2.5 古土壤強度參數的確定

參照馬蘭黃土，得到古土壤豎向應力和剪應力關系曲線(見圖8)，同時得到不同吸力條件下的抗剪強度參數見表3。

圖8古土壤豎向應力與剪應力關系曲線

由表3中的數據得到古土壤的吸力隨黏聚力和內摩擦角的關系曲線見圖9，抗剪強度隨基質吸力的變化而增加，而內摩擦角變化很小，幾乎不變。通過吸力和黏聚力之間的關系曲線得到古土壤的基質吸力影響下的內摩擦角φb為23.5°。

表3 古土壤抗剪強度參數

3 結 論

(1) 兩種黃土存在不同剪切破壞面，古土壤顆粒中由于黏粒含量比較高，所以出現土顆粒呈現為被“拖拽”似的排列，沒有明顯的剪切面，而Q3黃土由于面上其大孔隙發育，結構疏松，沒有黏滯性，所以剪切面上有擦痕，存在明顯的剪切面。

(2) 不同吸力條件下的剪應力隨著豎向應力的增大而增大，二者近似為線性關系。

(3) 在不變的軸向荷載作用下，且在試驗所設置的吸力大小中，隨著基質吸力的增加，土體黏聚力也隨之增加，而內摩擦角只有很小的變化。

圖9吸力與抗剪強度參數的關系曲線

(4) 隨著含水率的增加，結合水膜的黏滯阻力減小，使得顆粒間的摩擦力隨之降低，所以吸力和黏聚力均呈現下降趨勢，吸力的減小降低了土顆粒之間的有效應力，從而使土的抗剪強度減少。

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ExperimentalStudyonShearStrengthCharacteristicsofUnsaturatedLoess

YAN Furong, HU Xueyuan, CUI Fang

(SchoolofCivilEngineering,He'nanPolytechnicUniversity,Jiaozuo,He'nan454000,China)

In order to analyze the mechanism of loess landslide and the shear failure features, we took samples by the exploratory method in Yan’an landslides, and carried out the indoor control suction consolidated drained shear tests. This test made 10 groups (Q3and paleosol each 5 groups) with a total of 40 samples. The test results showed that the two types of loess have different shear failure surface, and ancient soil particles due to high clay content. There is no apparent shear plane, But Q3loess for large pore development, loose structure, and no viscosity, there are obvious shear planes. Under the influence of a constant vertical stress, and within the scope of the test done by suction, with increasing matric suction increases, internal friction angle was almost unchanged and C value increased significantly. As the water content increases, viscous resistance combined with a water film is reduced, so that the friction between the particles decreases, and so the suction and cohesion show a downward trend, reducing the attraction of the effect between soil particles stress, and the shear strength of the soil is reduced.

unsaturatedsoil;loess;matricsuction;shearstrength

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.017

2017-05-12

2017-06-15

河南理工大學博士基金項目(72515/313)；深部礦井建設重點學科開放實驗室基金項目(60705/001/013)

閆芙蓉(1975—)，女，陜西戶縣人，副教授，碩士生導師，主要從事土力學、基坑工程等方面的研究工作。

E-mail:yanfurong302@163.com

TU43

A

1672—1144(2017)05—0100—05