海口紅黏土大型單剪試驗研究

馮鈺潔，汪峻峰，李光范，劉孟勇，江瑞峰，劉佳鑫，姚思路，王 贏，楊郁豪

(海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，海口 570228)

隨著中國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)如火如荼地開展，滑坡、路基滑塌等的發(fā)生更是屢見不鮮，這些地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生也給當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展建設(shè)造成一定程度的影響。在熱帶地區(qū)，如海南，紅黏土是分布最為廣泛的土壤之一。由于紅黏土具有特殊的物理力學(xué)性質(zhì)，如高含水率、高塑性和明顯的脹縮性[1]，因潮濕多雨的地區(qū)特色，在多日連續(xù)降雨后造成紅黏土邊坡含水率增大、強度顯著下降，極易發(fā)生淺層的邊坡滑塌，給當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活造成一定的危害[2-3]。因此，在海南地區(qū)開展基礎(chǔ)建設(shè)前很有必要進行邊坡、路基的穩(wěn)定性評價。

土的抗剪強度指標(biāo)——抗剪強度、黏聚力及內(nèi)摩擦角是穩(wěn)定性評價的重要基本力學(xué)參數(shù)[4]。含水率的變化對紅黏土的抗剪強度指標(biāo)與剪切破壞區(qū)域有顯著的影響。目前，許多學(xué)者就含水率對土體的影響利用不同儀器進行了大量試驗研究[5-13]。楊慶等[5]對大連紅黏土及南京膨脹土控制其干密度、改變含水率進行直剪試驗發(fā)現(xiàn)，紅黏土與膨脹土的內(nèi)摩擦角和黏聚力與含水率的聯(lián)系，分別可以近似用對數(shù)和二次函數(shù)來表示；黃琨等[6]對欠固結(jié)的第三系粉砂土的原狀和重塑土樣進行直剪試驗發(fā)現(xiàn)，隨含水率的增加，土的抗剪強度降低，對土的黏聚力的影響較大；趙蕊等[7]對貴陽地區(qū)以擊實法制備的重塑紅黏土樣進行不固結(jié)不排水的三軸試驗(UU)發(fā)現(xiàn)，含水率與其抗剪強度及其抗剪強度指標(biāo)負相關(guān)，含水率與抗剪強度為二次函數(shù)關(guān)系，與黏聚力及內(nèi)摩擦角為階梯負相關(guān)關(guān)系。

雖然直剪試驗具有簡單實用、試樣小、固結(jié)快、試驗歷時短的優(yōu)點[14]，但不足之處在于被人為固定的剪切面并不一定是試樣的最軟弱面，且剪切面的應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜、應(yīng)力應(yīng)變分布不均等。而三軸試驗雖能反映試樣受力破壞的全過程、試樣內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變較均勻、破壞面非人為固定且能較好的控制排水條件，但試樣在三軸試驗中為軸對稱受力狀態(tài)，此時土的力學(xué)性質(zhì)不具有廣泛代表性[14]。單剪儀繼承了直剪儀簡單易行的優(yōu)點又克服了人為固定剪切面的缺點且單剪試驗中土樣的剪切破壞是各向異性的，能更好地模擬實際工程中土的受剪破壞而受到學(xué)者們的青睞[15]。目前對于單剪試驗的應(yīng)用主要集中在不同結(jié)構(gòu)體接觸面的相互作用機制上，而對于土體自身的純單剪破壞的研究較少[16-17]。吳明等[16]歸納對比了單、直剪試驗的優(yōu)缺點并進行了不固結(jié)不排水下的單、直剪試驗，得到了單剪試驗中壓實土的黏聚力比直剪中低20.3%、內(nèi)摩擦角低5°的結(jié)論；Atijit等[17]研制了一種大型單剪儀用于測試?yán)盟鄻哆M行軟基加固后的地基整體抗剪強度，發(fā)現(xiàn)鋼管混凝土的破壞主要由傾斜與彎曲造成，且提出了一種修正的加權(quán)平均抗剪強度方程。但Atijit研制的大型單剪儀高度僅有16.5 cm，不利于本課題后續(xù)試驗中對植被護坡中根系縱向受力情況的研究。

針對上述問題，為探究植被護坡中土體和根系的受力情況和根系的阻滑效應(yīng)，現(xiàn)自行設(shè)計加工適用于根土復(fù)合體的大型單剪儀[18]對海南地區(qū)不同含水率的紅黏土進行室內(nèi)重塑土樣的大型單剪試驗，探討在不同含水率條件下熱帶地區(qū)紅黏土抗剪強度、黏聚力、內(nèi)摩擦角的變化特征與剪切破壞區(qū)域的變化。并利用室內(nèi)小型直剪儀同步進行快剪試驗以驗證單剪試驗可靠性。

1 試驗

1.1 試驗土樣

試驗土樣取自海口市美蘭區(qū)某邊坡填土，取土深度為2～3 m，土樣呈磚紅色，土質(zhì)均勻，有少量雜質(zhì)。試驗用紅黏土的基本物理參數(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 紅黏土的基本物理參數(shù)指標(biāo)

1.2 試驗儀器

單剪試驗采用自行設(shè)計的適用于根土復(fù)合體的大型單剪儀，儀器設(shè)計圖如圖1所示，試驗系統(tǒng)如圖2所示。試驗系統(tǒng)主要由四個子系統(tǒng)組成，分別為垂直加載系統(tǒng)、水平剪力加載系統(tǒng)、受剪主體、位移測量系統(tǒng)。此自制大型單剪儀尺寸為40 cm×40 cm×52 cm，設(shè)計大尺寸模型試驗的主要目的在于利用大型儀器能更好地模擬淺層滑坡在不同含水率條件下的剪切破壞帶變化并減小尺寸效應(yīng)帶來的誤差。

圖1 大型單剪儀設(shè)計圖

圖2 大型單剪儀實物

試驗土樣裝填在如圖所示的13個4 cm高的疊盒內(nèi)，單剪儀最底部疊盒下焊接4個有水平軌道的滑輪，用以提供水平向運動軌道并減少摩擦。疊盒用軟膠棒串聯(lián)為一個整體，起到協(xié)同整體運動的作用，疊盒與土樣共同組成受剪主體，13個疊盒形成了12個可能滑動面，能直觀地展示土體的剪切破壞帶。垂直壓力作用在試樣頂部，利用千斤頂經(jīng)加壓蓋板對土樣提供法向壓力；水平剪切力作用在試樣的底部，利用千斤頂對受剪主體提供水平剪切力，最頂部疊盒通過螺桿與反力架相連并固定，與法向壓力一同作用形成上部固定端。此時受剪主體上端固定，下端由水平推力的作用下沿軌道運動，此時土體受到單剪作用。測量系統(tǒng)分為兩個部分：應(yīng)力測量裝置和位移測量裝置，應(yīng)力測量裝置由一個TS3860電阻應(yīng)變儀和兩個BLR-1型壓力傳感器組成，分別監(jiān)測法向壓力和水平剪切力；位移測量裝置為一個YHD-100型位移計和一個TS3860電阻應(yīng)變儀組成，用于在試驗過程中監(jiān)測水平位移，位移計放置在最底部疊盒處，用于測量受剪主體的總體剪切位移。在恒定的法向荷載作用下，試樣在水平方向受到剪切力，從而使土樣產(chǎn)生單剪破壞。

直剪實驗采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀進行快剪試驗，剪切速率設(shè)置為12 rad/min，抗剪強度的取值依據(jù)為：若剪切位移在6 mm的范圍內(nèi)出現(xiàn)峰值強度，則該級法向壓力下的抗剪強度即為該峰值強度；否則，選取4 mm剪切位移時所對應(yīng)的剪應(yīng)力作為該級法向壓力下的抗剪強度[19]。

1.3 試驗方案

試驗用紅黏土經(jīng)過晾曬后用氣錘擊碎成細小顆粒并均勻灑水，在實驗室內(nèi)進行人工配置含水率，室外原位實測紅黏土含水率為15.8%，將單、直剪試驗中的土體含水率設(shè)置為12%、16%、20%三個梯度，后將配置好的重塑土樣用塑料膜密封并靜置2 d。

直剪與大型單剪試驗采用控制所有試驗土樣的干密度不變，改變其含水率的方法進行土樣配置，各含水率下的紅黏土密度如表2所示。

表2 各含水率下的紅黏土密度

單剪儀剪切盒體積為83 200 cm3(40 cm×40 cm×4 cm)×13層，則含水率為12%、16%、20%時，共需土樣分別為119.64、123.88、128.21 kg，每層分別為9.20、9.53、9.86 kg。由于在剪切過程中所測得的水平剪切力是土樣與疊盒的整體受剪力，在后續(xù)的試驗結(jié)果分析中需去除疊盒間的摩擦力Ff。因此課題組在正式試驗前進行了單剪儀空載試驗，試驗測得疊盒的摩擦系數(shù)μ隨法向荷載變化而變化，不同法向壓力下的摩擦系數(shù)μ與對應(yīng)的摩擦力Ff如表3所示。

此次試驗研究主體為淺層滑坡中土體的抗剪強度，為保證土體在室內(nèi)試驗與實際工程中法向壓力基本保持一致，則試驗中單剪試驗設(shè)置的三級法向壓力σ1、σ2、σ3分別為31.25、37.5、43.75 kPa。

表3 單剪儀的摩擦系數(shù)與摩擦力值

單剪試驗采用自制的大型單剪儀，將稱量好的土樣分4次分別裝入單剪儀中，分層壓實，層間用刮土刀刨毛，全部土樣裝填完成后令其自重固結(jié)12 h后進行試驗，完成裝填的實驗裝置如圖2所示。

試驗的垂直加載系統(tǒng)為千斤頂加載，對土樣緩慢均勻的進行法向壓力的加載，待法向壓力穩(wěn)定后開始剪切試驗。水平剪切系統(tǒng)為千斤頂加載并用傳感器配合應(yīng)變儀進行數(shù)據(jù)測量，水平剪力作用位置在最底部疊盒處，最底部疊盒另一側(cè)利用位移計測量剪切位移，最頂部疊盒通過兩根螺桿與反力架連接并固定，形成固定端。整個單剪試驗過程在 5～8 min內(nèi)完成，剪切速率為10 mm/min，直至其應(yīng)力值出現(xiàn)峰值或剪切位移達到80 mm，視為土體已經(jīng)產(chǎn)生破壞，取其峰值強度或30 mm處剪切力為抗剪力。剪切破壞后的實驗裝置如圖3所示，受剪主體出現(xiàn)多處剪切破壞面。

圖3 單剪破壞后的土樣

快剪試驗采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀，采用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀制取土樣，按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GBT 50123—1999)[19]進行試驗操作，三級法向壓力與單剪試驗同步設(shè)置，分別為31.25、37.5、43.75 kPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅黏土單、直剪抗剪強度對比分析

如表4所示為紅黏土單、直剪試驗在不同法向壓力下的抗剪強度值。由表4可知，單剪條件下的抗剪強度均小于該法向壓力下的直剪強度，以含水率為16%的紅黏土為例，其在法向壓力為σ1時的單剪抗剪強度比直剪低2.5 kPa，即4.71%；在法向壓力為σ2時的單剪抗剪強度比直剪低3.11 kPa，即5.55%；在法向壓力為σ3時的單剪抗剪強度比直剪低4.1 kPa，即6.96%。

同時，由表4可知，隨含水率的升高，紅黏土的抗剪強度降低，不同含水率條件下的紅黏土單、直剪試驗結(jié)果如圖4所示。

表4 紅黏土單剪、直剪抗剪強度

圖4 不同法向壓力下紅黏土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖4可知，紅黏土的應(yīng)力值隨著應(yīng)變的增長而呈上升趨勢，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為應(yīng)變硬化型。單剪試驗中紅黏土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線為折線型，曲線有明顯的轉(zhuǎn)折點；直剪試驗中紅黏土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線為雙曲線型，曲線拐點不明顯。以法向壓力為37.5 kPa為例，紅黏土在直剪條件下，16%含水率時的抗剪強度比12%含水率時低14.99 kPa，即為后者的26.74%；20%含水率時的抗剪強度比16%含水率時低20.63 kPa，即50.23%；20%含水率時的抗剪強度比12%含水率時低35.62 kPa，即63.54%。紅黏土在單剪條件下，16%含水率時的抗剪強度比12%含水率時低12.99 kPa，即24.53%；20%含水率時的抗剪強度比12%含水率時低33.58 kPa，即63.42%；20%含水率時的抗剪強度比16%含水率時低19.99 kPa，即50.79%。紅黏土抗剪強度隨含水率增加而降低的特性主要與紅黏土中土顆粒間水的狀態(tài)有關(guān)，當(dāng)含水率為12%時，土中水多為強結(jié)合水，弱結(jié)合水含量較少，此時土的稠度接近塑性界限，其受力時可以產(chǎn)生變形但表面會形成干裂紋；當(dāng)含水率為16%時，土中水的弱結(jié)合水比例增大，此時土的稠度在塑性界限與液性界限之間，其受力時產(chǎn)生變形且表面較為光滑；當(dāng)含水率上升到20%時，土中水的弱結(jié)合水比例進一步增大，受力時產(chǎn)生形變但外力取消后不能保持該形變。

2.2 紅黏土單、直剪抗剪強度指標(biāo)對比分析

目前，對于土體特性的單剪試驗研究還較少，通過對紅黏土單、直剪抗剪強度及其抗剪強度指標(biāo)進行比較，得到單、直剪試驗間的區(qū)別與聯(lián)系。從圖3可以看出紅黏土在單、直剪試驗中所得到的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線均為應(yīng)變硬化型，但兩者間還是存在著明顯的區(qū)別。利用摩爾-庫倫強度理論擬合了各含水率的紅黏土單、直剪抗剪強度，得到其抗剪強度指標(biāo)如表5所示。由表5知，紅黏土的單剪內(nèi)摩擦角比直剪低，差值為后者的25%左右；單剪黏聚力比直剪高，差距并不顯著，最大的差值在前者的6%以下。其抗剪強度指標(biāo)的差值如表6所示。

表5 紅黏土單、直剪條件下的抗剪強度指標(biāo)

表6 紅黏土單剪、直剪抗剪強度指標(biāo)差值

分析認為，紅黏土單、直剪抗剪強度指標(biāo)的差異性與紅黏土在單、直剪試驗中的破壞位置集中區(qū)域有關(guān)。在紅黏土的直剪試驗中，由于人為固定了試驗的剪切面，使得紅黏土在相同位置產(chǎn)生破壞，因此直剪試驗中所測得的抗剪強度并不一定是紅黏土真正的抗剪強度。在大型單剪試驗中，不存在人為的剪切面，試樣在一次單剪試驗中可能會出現(xiàn)3～5個剪切破壞面，稱之為剪切破壞帶。單剪試驗中出現(xiàn)的剪切破壞帶較之直剪試驗中的剪切破壞面更能反映紅黏土的破壞情況，和實際的抗剪強度指標(biāo)也更為接近。

在土的直剪試驗中，普遍認為應(yīng)變硬化型土體產(chǎn)生4 mm位移時土體即已產(chǎn)生了剪切破壞；因此，類比到土的大型單剪試驗中，考慮到大型單剪儀的尺寸效應(yīng)和人為因素等的影響，課題組認為當(dāng)應(yīng)變硬化型土體產(chǎn)生了30 mm位移時土體即發(fā)生了剪切破壞，并將土體剪切過程中產(chǎn)生的大于5 mm的橫向位移看作土體單剪試驗中的一個剪切破壞面，并將剪切破壞面集中區(qū)域稱為剪切破壞帶。

圖5 各含水率下紅黏土的剪切破壞帶

在紅黏土不同含水率條件下的單剪試驗中，得到了如圖5中所示的紅黏土剪切破壞帶，不難看出12%含水率下紅黏土剪切破壞帶集中位于試樣的中下部(從下至上1/4處)，16%含水率下紅黏土剪切破壞帶集中位于試樣的中部(從下至上1/2處)，20%含水率下紅黏土剪切破壞帶集中位于試樣的中上部(從下至上3/4處)。分析含水率變化對紅黏土剪切破壞帶的影響，對紅黏土單剪破壞帶集中區(qū)域起決定性作用的是土中水的含量，尤其在于土中弱結(jié)合水的占例。在實際的邊坡滑塌災(zāi)害中，滑動面總是邊坡的最軟弱區(qū)域。室內(nèi)小型直剪試驗中得到的土體抗剪強度指標(biāo)往往高于原位試驗中所得，自行研制設(shè)計的大型單剪儀得到的紅黏土抗剪強度及其抗剪強度指標(biāo)均小于等于小型直剪儀所得，更接近于工程實際且能反映不同含水率下紅黏土剪切帶的變化。

2.3 含水率對紅黏土單、直剪抗剪強度及抗剪強度指標(biāo)的影響

研究證明，含水率對紅黏土抗剪強度的影響還表現(xiàn)在其對紅黏土抗剪強度指標(biāo)的影響。為進一步對比紅黏土在單、直剪試驗中的異同點，對各含水率的紅黏土單、直剪抗剪強度進行了線性擬合如圖6所示。由圖6、表5可以看出，隨含水率升高，紅黏土的抗剪強度指標(biāo)降低，與含水率對其抗剪強度的影響規(guī)律相仿。為進一步得到含水率對紅黏土抗剪強度指標(biāo)的影響，對二者進行函數(shù)擬合，含水率與抗剪強度指標(biāo)的關(guān)系如圖7、圖8所示。從圖7、圖8可以看出，含水率對紅黏土的抗剪強度指標(biāo)的影響都很大，對黏聚力的影響要略高于其對內(nèi)摩擦角的影響。同時，紅黏土在單剪試驗中得到的強度指標(biāo)均小于直剪試驗，且相同含水率下的內(nèi)摩擦角差距較大，黏聚力差距較小。

圖6 紅黏土各含水率的單剪、直剪抗剪強度-法向壓力關(guān)系曲線

圖7 紅黏土內(nèi)摩擦角-含水率關(guān)系曲線

圖8 紅黏土黏聚力-含水率關(guān)系曲線

含水率對內(nèi)摩擦角的影響整體隨含水率的升高而降低，整體呈現(xiàn)類線性的關(guān)系。其對黏聚力的影響整體呈二次函數(shù)關(guān)系，其影響主要在于紅黏土中土顆粒間的水膜增厚，弱結(jié)合水的比例增加，因此土體的黏聚力減小，抗剪強度減小。

3 結(jié)論

采用課題組自行設(shè)計研制的大型單剪儀與應(yīng)變式直剪儀對海口地區(qū)紅黏土在三種含水率和較小法向壓力下進行了剪切試驗以模擬淺層滑坡，得到了如下的結(jié)論。

(1)紅黏土的抗剪強度隨含水率的增加而降低。其中，單剪抗剪強度較直剪低4%～6%，且二者應(yīng)力-應(yīng)變曲線均為應(yīng)變硬化型，但單剪曲線線型趨近折線形，直剪線型趨近雙曲線型。

(2)紅黏土的內(nèi)摩擦角在單剪中比直剪低25%左右，而單剪黏聚力比直剪高，差值在6%以下。且在單剪試驗中紅黏土的剪切破壞帶隨含水率變化而變化，也是造成紅黏土單剪與直剪差異性的原因所在。

(3)紅黏土的抗剪強度指標(biāo)與含水率負相關(guān)，其中含水率對黏聚力的影響略大于其對內(nèi)摩擦角的影響。含水率與抗剪強度指標(biāo)的關(guān)系均能用二次函數(shù)進行擬合。

從以上可知，利用自行研制的單剪儀得到的紅黏土抗剪強度及其抗剪強度指標(biāo)較直剪而言均較低，抗剪強度降低4%～6%，內(nèi)摩擦角降低25%左右，黏聚力相差不大，因此，自制的大型單剪儀較常規(guī)直剪儀而言更能代表實際中的紅黏土的強度指標(biāo)。而在后續(xù)的試驗中將利用自行研制的單剪儀對海南地區(qū)喬木根系對紅黏土邊坡抗剪強度的提升進行研究。