含水率和干密度對砂壤土抗剪強度的影響

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(華北水利水電大學，河南鄭州450045)

砂壤土是水利行業采用三角坐標定名細粒土的其中一種土類。作為黃河大堤堤身的填筑土，在運行期堤身長期位于地下水位以上，土體屬于非飽和土，受到降雨影響時，土體含水率增加、強度降低，引起堤身頂部塌陷滑動、土體流失、斷面減少，最終導致大堤決口[1-3]。因此，研究含水率和干密度對黃河大堤堤身土體抗剪強度的影響特性，對保障黃河大堤安全性具有重要的實際意義。多數學者的研究主要集中于含水率或干密度對黃土、殘積土及黏土強度特性的影響研究，如李永樂等[4]采用改進的非飽和土三軸儀，研究了不同含水率條件下的非飽和土抗剪強度特性。薛振聲等[5]采用不固結不排水三軸試驗，研究了含水率對粉質黏土強度的影響。王闖等[5]對三峽庫區某邊坡殘坡積土進行不同含水率下的直剪試驗，研究了含水率對其剪應力、位移以及強度的影響規律。張寧寧等[7]采用TS-526真三軸儀改造的平面應變儀,研究了非飽和黃土的變形和強度隨著含水率的變化情況。劉星志等[8]通過GEO-Experts 壓力板儀試驗和直剪試驗，研究了不同干密度下非飽和紅土抗剪強度指標隨含水率、基質吸力的變化特性。

僅少數學者[9-15]同時從含水率和干密度著手，研究了巖溶地區黃壤、固化黃土、紅黏土、殘積土等抗剪強度隨含水率和干密度的變化規律，分別得出了相應的量化關系式。黃河堤防鄄城段作為堤身主要填筑材料的砂壤土，應具有良好的抗變形能力和抗滲透能力，以確保堤身能夠長期處于穩定狀態，這就需要深入地分析含水率和干密度對砂壤土抗剪強度的影響。筆者以山東黃河堤防鄄城縣右岸某一堤段所取的砂壤土原狀樣為依托，通過室內試驗及理論分析，研究含水率和干密度對砂壤土抗剪強度指標的影響規律。研究成果可為預測黃河下游堤防的穩定性提供參考依據，同時對確保大堤的安全性具有實際意義。

1 試樣的制備及方法選取

1.1 土樣的選取及制備

試驗用土取自山東黃河堤防鄄城縣右岸272—278堤段臨河堤肩，通過鉆孔取自不同深度的原狀樣。試驗所用的試樣是通過人工切削原狀土樣制成的，其標準試樣的尺寸為39.1 mm×80 mm。取60組原狀土樣進行室內土工試驗，測得原狀土樣基本物理指標見表1。其中，土體顆粒粒度成分中粉粒占81.2%,黏粒占8.8%,砂粒占10%，由三角坐標分類知堤身填土屬于重粉質砂壤土。

表1 原狀土樣的物理性質指標

1.2 試驗設備及方案選取

本次試驗采用KTG全自動三軸壓縮儀進行固結不排水剪(CU)試驗。由擊實試驗測得砂壤土的最優含水率ωop=16.5%，試驗中采用固結快剪法，剪切速率為0.3%/min ,剪切歷時約為66 min，設置三級圍壓：軸向應變達到10%時，一級圍壓取50 kPa；軸向應變達到6%時，二級圍壓取200、300 kPa；軸向應變達到4%時，三級圍壓取400、800 kPa。試驗過程中確保最后一級圍壓作用下的剪切累計應變量不超過20%。

2 試驗結果與分析

2.1 含水率對抗剪強度變化的影響

選取室內土工試驗的60組三軸試驗成果，統計分析得到山東黃河堤防鄄城縣局右岸堤段原狀砂壤土含水率的變化對黏聚力、內摩擦角的影響規律，見圖1、2。

圖1 含水率對黏聚力的影響

圖2 含水率對內摩擦角的影響

由圖1可知，含水率和黏聚力呈三次函數關系，見式(1)，且表現出很好的相關性。當含水率在16.5%附近時，黏聚力達到最大值，含水率大于最優含水率16.5%后，黏聚力開始有下降的趨勢。這是因為隨著含水率增加到一定值后，土中自由水逐漸增多使得彎液面逐漸消失，毛細水壓力減少，此時自由水的大量存在也削弱了土顆粒之間的相互吸引力，表現為基質吸力的降低，最終導致黏聚力的減小。

C=0.0096ω3-0.7593ω2+17.591ω-88.58

(1)

由圖2可知，含水率和內摩擦角同樣也呈三次函數關系，見式(2)，且表現出較好的相關性，相關系數R2=0.801 5。隨含水率的增大內摩擦角減小，含水率和內摩擦角表現出非線性關系，當含水率較大時內摩擦角值明顯減小。其原因是土顆粒周圍的結合水存在。含水率增大，弱結合水水膜增厚，結合水的抗剪阻力減小，顆粒之間相互移動需要克服的粒間阻力必然也會減小，內摩擦角減小，含水率繼續增大，離土顆粒較遠的水越來越接近液態水直到變成自由水，潤滑作用增強，土顆粒可以自由移動，因此，土體的內摩擦角會隨含水率的增大逐漸減小。

φ=-0.0014ω3+0.1098ω2-3.285ω+54.08

(2)

圖3為最優含水率16.5%下不同圍壓的(σ1-σ3)～ε1關系曲線。由圖3可知，(σ1-σ3)～ε1關系曲線呈現應變硬化趨勢，且應變硬化程度隨圍壓的增加而越明顯，同時圍壓越大，變形模量越大，試樣在破壞時相應的塑性變形也會越大；試樣在剪切過程中主應力差(σ1-σ3)隨圍壓σ3的增加而明顯增大，這說明最優含水率狀態下圍壓的增加可以增強土體抵抗剪切破壞的能力。

圖3 最優含水率下不同圍壓的(σ1-σ3)～ε1關系曲線

2.2 抗剪強度隨干密度的變化

同樣選取室內土工試驗的60組三軸試驗結果來統計分析砂壤土干密度的變化對黏聚力、內摩擦角的影響規律，見圖4、5。

由圖4可知，干密度的增大使得土樣孔隙比減小，有利于土顆粒之間黏結力、分子力和吸引力的增加，同時土顆粒的排布越密，土顆粒之間的咬合力和摩擦力越大，即土樣干密度越大，黏聚力越大。

由圖5可知，砂壤土的內摩擦角隨著干密度的增大而增大，但增大的速度要遠比黏聚力相對干密度增大的速度小。其原因是當試樣干密度較小時，土顆粒之間的孔隙比較大，土體內部孔隙的增多為土顆粒提供了大量的移動空間，使土顆粒在移動時所受到的摩擦阻力較小，即內摩擦角增大幅度較小，當試樣干密度增大時，土顆粒間的孔隙比減小，土體變密，摩擦強度增大，內摩擦角增加；同時砂壤土的土顆粒屬于細粒，呈圓球形狀，摩擦強度本身并不大，因此干密度的增大對試樣內摩擦角影響也相對較小。

圖4 干密度對黏聚力的影響

圖5 干密度對內摩擦角的影響

圖6為最大干密度1.70 g/cm-3下不同圍壓的(σ1-σ3)～ε1關系曲線。由該曲線可知，三級周圍壓力作用下均呈現應變硬化趨勢：其中，第一級圍壓、第三級圍壓試樣破壞形式為強硬化型，第二級圍壓試樣破壞形式為弱硬化型；隨圍壓的增大土體承受剪切破壞的能力有所提高，同時隨著剪切位移的增加，3種圍壓下試樣的剪應力差值明顯增大，而且高圍壓對試樣剪應力的影響較大。

圖6 最大干密度下不同圍壓的(σ1-σ3)～ε1關系曲線

3 結論

以山東黃河堤防鄄城縣右岸272—278堤段的原狀砂壤土樣為研究對象，通過對其進行室內三軸試驗，研究含水率和干密度對砂壤土抗剪強度指標的影響。

a) 最優含水率作用下圍壓的增加可明顯提高土體的抗剪強度。

b) 最大干密度作用下，試樣在剪切過程中的主應力差(σ1-σ3)隨圍壓σ3的增加而明顯增大，表明圍壓的增加可以增強土體抵抗剪切破壞的能力。

c) 砂壤土的抗剪強度指標——黏聚力、內摩擦角分別與含水率呈三次函數關系，都表現出隨著含水率的增大先增后減的變化趨勢，其中，最優含水率附近黏聚力達到最大值，含水率對內摩擦角的影響相對于黏聚力較小。

d) 砂壤土的干密度與抗剪強度指標間呈線性函數關系，干密度越大，黏聚力和內摩擦角越大；同樣地，干密度對內摩擦角的影響要小于對黏聚力的影響。