重塑黃土抗剪強度的環剪試驗研究

王 煒, 駱亞生

(1.山西農業大學 城鄉建設學院, 山西 太谷 030801; 2.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院, 陜西 楊凌 712100)

重塑黃土抗剪強度的環剪試驗研究

王 煒, 駱亞生

(1.山西農業大學 城鄉建設學院, 山西 太谷 030801; 2.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院, 陜西 楊凌 712100)

[目的] 研究大應變條件下黃土強度的影響因素及規律，為黃土地區發生滑坡等大變形破壞提供理論依據。[方法] 利用環剪儀對重塑黃土進行大剪切位移下的剪切試驗，探究不同正應力及剪切方式對不同含水率的重塑黃土其殘余強度的影響。[結果] 正應力越大，殘余強度越大，達到殘余強度所需的剪切位移越小；隨著含水率的增大，殘余黏聚力浮動值不大，殘余內摩擦角逐漸減小，并據此擬合出殘余內摩擦角與含水率的參考公式；從脆性指數的角度得出所研究的重塑黃土的應變軟化都不明顯，且脆性指數隨著正應力和含水率的增加而降低。[結論] 重塑黃土的峰值強度和殘余強度受含水率、正應力的影響規律相似，可通過含水率對殘余強度進行估算。

重塑黃土; 環剪試驗; 殘余強度; 脆性指數

黃土由于其水敏性、大孔隙性、弱膠結等特性容易大規?；?，Skemptom[1]指出滑坡滑動面上的平均剪應力比其抗剪強度小很多的原因是殘余強度的存在。殘余強度是指在排水剪切試驗中，隨著剪切位移的增加，土體強度先增加后減小到一個穩定值，即排水剪切試驗中的最小強度或最終強度。因此，研究土的殘余強度可以探究土體破壞后強度的降低規律。

殘余強度是一個短期強度，滑坡發生后邊坡的穩定性評價應該用殘余強度[2]；譚文輝等[3]分別用峰值強度與殘余強度對邊坡提出加固措施是安全經濟的。人們通過各種手段對土樣進行室內剪切試驗以研究殘余強度參數：Bishop等[4]，Townsend等[5]對倫敦黏土進行試驗，任惠芳[6]對寶中線取得的黏土試樣進行了殘剪試驗，發現土的殘余強度與原始結構、初始密度、固結歷時無關。戴福初等[7]對香港大嶼山殘坡積土進行環剪試驗，發現殘余強度與正應力之間的關系，指出環剪試驗有單剪、預剪和多級剪3種。任惠芳[6]、戴福初等[7]、孫濤等[8]探究了剪切速率對殘余強度的影響。任惠芳[6]、張昆等[9]、周平根[10]通過試驗及資料總結，得出殘余強度與土的黏粒含量、塑性指數(Ip)、比表面積B之間的經驗關系。

目前殘余強度的主要試驗儀器有：環剪儀，應變式直剪儀，三軸剪切儀，還有現場大面積剪切儀。楊有蓮等[11]指出，殘余強度可由扭轉剪切方法精確測出。洪勇等[12]總結國內外環剪試驗得出的大剪切位移下的強度衰減規律較好。直剪和三軸試驗中試樣的剪切面很小且剪切變形量不大，環剪儀克服了這些不足，且能夠在試驗中保持剪切面面積不變，另外環剪儀可以設定滑動距離，控制剪切速度，是目前測試土的殘余強度較為先進可靠的方法。黃土是一種特殊性的結構土，目前對該類土進行環剪試驗的研究成果還較少，因此本文擬利用HJ-1型環剪儀，對不同含水率的重塑黃土在不同正應力、不同剪切方式下進行環剪試驗，研究其峰值強度、殘余強度及變形規律，并從殘余強度角度對大變形下黃土的工程性質(如浸水軟化性、脆性指數)進行分析，為黃土地區發生滑坡等大變形破壞提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗所用土料取自陜西省涇陽縣太平鎮崔師某磚窯，取土的縱向深度約4.0 m，屬于晚更新世馬蘭黃土，顯棕黃色，其主要的物理指標見表1。

表1 試驗土料基本物理指標

1.2 試驗儀器

試驗采用的儀器為HJ-1型環剪儀，該儀器主要用于測量土的殘余強度。該儀器由軸向加載系統，變速箱，扭矩顯示器，水平角度表盤和剪切盒組成，可提供的剪切速率為3.0×10-6～2.1×10-2r/min，能滿足多種試驗的要求。施加到試樣上的最大法向應力為900 kPa，剪切扭矩最大值為300 N·m。

1.3 試驗步驟

本試驗采用重塑土樣。制備過程為將土樣烘干碾碎，過2 mm的土工篩，噴灑試驗設定含水率所需的水量，并且讓水與土進行24 h以上的充分作用，制備成尺寸為φ100 mm(外徑)×φ60 mm(內徑)×20 mm(高)，密度為1.52 g/cm3的試樣。根據計算得試樣的面積為50.27 cm2，試樣平均直徑為8.17 cm。

為避免調整變速箱檔位對土樣造成的擾動，裝樣前就調好變速箱的檔位。將土樣裝入剪切盒，并在正應力下進行固結。待固結完成后，記錄水平角度表盤讀數作為轉角初始值，開始扭轉剪切。

1.4 試驗原理及計算公式

用HJ-1型環剪儀進行剪切試驗過程中，剪切位移可以無限增大，空心試樣的剪切面積保持定值，剪切面上正應力和剪應力均勻分布[11]。HJ-1型環剪儀工作原理見圖1。試驗過程中，剪切面的變形隨著半徑而變化，由于試樣寬度較小，一般采用平均剪應力τ和平均剪切位移S，這2個量可通過試驗的直接成果扭矩M和角位移θ[13]計算得出(表2)。計算公式為：

平均剪應力τ

(1)

平均剪切位移S

(2)

式中：r1——試樣圓環內半徑(cm)；r2——試樣圓環外半徑(cm)；M——扭矩(N·m)；θ——剪切角位移(°)；υ2——下剪切盒轉速(轉/min);Dm——試樣直徑(cm)；根據試驗設置選剪切速率為0.1 m/min；t——扭轉剪切歷時(min)。

注：P為剪切面上正應力； τ為剪應力。

試樣編號 含水率/%正應力/kPaCS1-CS313100～150～200～300,200～300～400～600,300～400～600～800CS4-CS616100～150～200～300,200～300～400～600,300～400～600～800CS7-CS919100～150～200～300,200～300～400～600,300～400～600～800CS1022100～150～200～300

注：CS表示試樣是重塑制備而成；正應力加載方式采取多級加載，每級加載剪切前需重新固結穩定，且環剪方向與之前的方向保持一致。

2 試驗結果與分析

2.1 剪切面形態及試驗結果

重塑黃土試樣的剪切破壞，土樣在剪切盒閉合處分為上下兩層(如圖2所示)。剪切面高低不平，說明剪切帶是不規則的土層，且原始土樣呈黃褐色，而剪切破壞之后的土體呈深黃褐色，圖2b和2c對比可知，剪切帶附近的土體隨著含水率的增加表現出泥化現象，其顏色也逐漸變深。另外環剪過程中，孔隙水只能從剪切盒下部或者剪切盒中間排出，所以排水過程較為緩慢，隨著剪切位移的增加，土顆粒隨著孔隙水一起向剪切盒處運移，所以破壞面上土顆粒較為細膩，這一結論與廖建民等[14]、王順等[15]所得結論一致。

圖2 環剪試驗下重塑黃土剪切面特征

圖3所示為不同含水率的重塑黃土土樣在相同的正應力加載作用下所得到的多級剪切剪應力—剪切的位移曲線。

從圖3中可以看出： ①固結結束開始環剪試驗后，隨著剪切位移的增加，土體強度逐漸增加，達到其最大值即峰值強度后，剪應力會有一定的降低，最后穩定在殘余強度，此時土體已被破壞。之后在進行固結、環剪試驗，剪應力—剪切位移曲線與第一級形狀相似，但達到殘余強度時的剪切位移要小很多，這時因為土體破壞之后土顆粒之間的咬合黏結作用降低，故隨著加載級別的增大，土體更容易達到殘余強度。 ②加載級別越高，正應力越大，得到的峰值強度與殘余強度均越大，而含水率對土體的峰值強度和殘余強度的影響規律相同。

aP=100～150～200～300 kPa bP=200～300～400～600 kPa cP=300～400～600～800 kPa

圖3重塑黃土在多級剪切下的剪應力-剪切位移關系曲線

2.2重塑黃土的浸水軟化性

將峰值強度和殘余強度與對應的正應力進行線性擬合，得出不同含水率的重塑黃土其峰值強度指標c,φ和殘余強度指標cr,φr。由圖4可知，隨著含水率的增加，殘余強度黏聚力cr值相差范圍在10 kPa之內，殘余強度內摩擦角φr值逐漸減小。由于殘余強度生效的時候，土體結構已經破壞，大剪切位移下土體顆粒已經發生定向排列，故此時黏聚力對土體的抗剪強度幾乎沒有貢獻了，即φr才是土體殘余強度得主要貢獻者。圖4a顯示殘余黏聚力大約在30 kPa左右，分析原因可能是土顆粒在環剪的過程中被擠到剪切縫，剪切盒上下摩擦造成的。殘余黏聚力cr受含水率影響不明顯，殘余內摩擦角φr隨著含水率的增加明顯降低，表現為土體殘余強度隨著含水率的增加而降低。因此，在邊坡穩定性評價中，應該慎重考慮降雨、凍融等作用對土體殘余強度的影響。

評價邊坡穩定性時，殘余黏聚力較小且不起主導作用，為安全起見按零記，而殘余內摩擦角作用較大，所以應慎重選擇，將表3中同級別正應力條件下得到的殘余內摩擦角與試樣含水率進行擬合，得出適用于該種土的參考公式：

φr=53.437e-0.024w，R2=0.983 9

(3)

a 黏聚力與含水率的關系曲線 b 內摩擦角與含水率的關系曲線

圖4含水率與殘余黏聚力、殘余內摩擦角關系曲線

2.3重塑黃土的應變軟化分析及脆性指數

Bishop[16]首次提出脆性指數IB，脆性程度與應變軟化有關，所以脆性指數又叫做應變軟化系數。脆性指數的定義是最大剪應力與最小剪應力的差值再除以最大剪應力，因此IB的范圍在0～1之間，越大說明土樣脆性越強，即殘余強度比峰值強度衰減程度越大，強度軟化越明顯。本文中相關結果如表3所示。

表3 不同含水率試樣在各級正應力下的峰值強度、殘余強度及脆性指數

從表3中可得，不同含水率、不同正應力作用下的峰值強度、殘余強度下，脆性指數都較小，即峰值強度與殘余強度差值不大，軟化現象不明顯。隨著正應力的增加，脆性指數呈減小的趨勢，說明在較大正應力作用下試樣的剪切特性表現為弱軟化，試樣達到峰值強度之后略微減小便達到殘余強度。隨著含水率的增加，脆性指數呈現減小的趨勢，說明在高含水率的條件下，經過大剪切位移后，試樣強度由峰值強度稍減小便達到殘余強度，總體來說軟化不明顯。

3 結 論

(1) 重塑黃土在荷載下，先達到峰值強度，然后出現弱軟化達到殘余強度。隨著正應力的增大，重塑黃土的殘余強度增大，且達到殘余強度所需的剪切位移越小，即越易達到殘余強度。

(2) 含水率對重塑黃土的峰值強度有影響，對大應變條件下的殘余強度也有影響，主要表現在殘余內摩擦角度隨含水率的增大而減小，通過擬合得出殘余內摩擦角與含水率的參考公式，且相關性較好。

(3) 本文所選重塑黃土的應變軟化都較弱，表現為脆性指數都較小，且脆性指數隨著正應力和含水率的增加而降低。

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ExperimentalStudyonShearStrengthofRemoldedLoessbyRingShearTest

WANG Wei1,2, LUO Yasheng2

(1.CollegeofUrbanandRuralConstruction,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu,Shanxi030801,China; 2.CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

[Objective] To study the influencing factors and rules of loess strength under large strain condition in order to provide a theoretical basis for large deformation damages like landslide in loess area. [Methods] Large shear displacement test with ring shear apparatus were conducted to explore the influence of positive stress and shear modes on the residual strength of remolded loess at different water content levels. [Results] The results showed that the greater the effective normal stress, the greater residual strength was, and the smaller the required shear displacement would be. The residual cohesive force fluctuated slightly and the residual internal friction angle decreased with the increase of water content, and a reference formula between residual internal friction angle and water content was fitted. From the perspective of brittle index, strain softening of the remolded loess was not obvious, and the brittleness index decreased with the increase of effective normal stress and water content. [Conclusion] The responses of the peak strength and residual strength to water content and positive stress were similar. Thus the residual strength can be estimated by water content.

remoldedloess;ringsheartest;residualstrength;brittlenessindex

A

1000-288X(2017)05-0110-04

TU411

文獻參數： 王煒, 駱亞生.重塑黃土抗剪強度的環剪試驗研究[J].水土保持通報，2017,37(5)：110-113.

10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.019； Wang Wei, Luo Yasheng. Experimental study on shear strength of remolded loess by ring shear test[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(5)：110-113.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.019

2017-06-09

2017-07-10

國家自然科學基金項目“基于土體結構性變化的黃土滑坡災變機理研究”(51178392)； 山西農業大學青年科技創新基金(J141702131)

王煒(1988—),女(漢族),山西省壽陽縣人,碩士,助教,主要從事黃土力學與工程的研究。E-mail:1508276934@qq.com。

駱亞生(1967—),男(漢族),陜西省涇陽縣人,教授,博士生導師,主要從事黃土力學與工程研究。E-mail:lyas@public.xa.sn.cn。