砂質黏土固結不排水力學特征三軸試驗研究

為研究陜南秦巴山區砂質黏土在不同干密度、含水率下的強度及破壞特征，用TSZ-1型應變控制式三軸儀進行了60組試驗：控制干密度為1.53 g/cm3、1.62 g/cm3、1.71 g/cm3，含水率為11%、14%、16%、18%、20%，圍壓為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。試驗分析發現：土樣在三軸剪切過程中，由于試樣含水率以及試驗過程中試樣內部強度發生強化、弱化現象，導致試樣最終破壞形態多樣；在相同含水率情況下，土樣自身內摩擦角及粘聚力隨著含水率的不同，變化規律也有所不同，且都在干密度1.63 g/cm3時達到臨界值；在相同干密度情況下，土樣自身內摩擦角及粘聚力變化與含水率變化存在某種函數關系，發現含水率對內摩擦角和粘聚力的變化以及增長都有較大影響。研究成果可為秦巴山區邊坡治理提供數據支撐。

砂質黏土； 剪切強度； 破壞機理； 三軸試驗

TU411.7A

［定稿日期］2023-05-09

［基金項目］陜西省重點研發計劃項目（項目編號：2023-YBSF-324）；國家級大學生創新創業計劃項目（項目編號：202210720001）

［作者簡介］彭楊旭（2000—），男，在讀本科，研究方向為巖土工程。

［通信作者］郭鴻（1984—），男，博士，副教授，研究方向為顆粒物質力學、巖土工程理論及數值模擬。

0 引言

我國是世界上滑坡災害最嚴重的國家之一 ［1］。近年來，陜南秦巴山區地質災害頻發，對當地居民的生命以及財產安全產生了嚴重威脅［2］。在降雨、人類工程活動等因素的影響下，地質災害的發生具有群發性、突發性的特點 ［3］ 。近年來隨著邊坡防護工程的發展與諸多學者對陜南地區邊坡防護工程的研究，人類工程活動對地質災害的影響已得到了有效改善［4-6］。降雨成為滑坡的主要的誘發因素 ［7］，降雨入滲會導致地下水位的變化，這是產生滑坡的主要原因 ［8］ 。目前已有學者從降雨強度、降雨時間、降雨類型等多個方向入手，對邊坡失穩因素進行了分析，潘威等［9］通過對路基邊坡垂直入滲深度進行討論，為路基穩定性分析提供了依據。韓佳明等［10］建立黃土邊坡滲流場計算模型，通過多孔介質理論和水力學理論建立了非飽和土滲流的控制方程。

本文主要通過三軸固結不排水試驗研究秦巴山區土樣的破壞特征及強度指標，意在分析出該地區土樣在不同干密度、不同含水率下條件下內摩擦角和粘聚力的變化規律，以便為此后該方面研究提供有效的數據支撐。

1 試驗方案

本項目采用陜西省漢中市勉縣某公路旁土質邊坡土樣為研究對象。土樣采集前，該地曾有一段時間降雨，并出現了明顯的小型滑坡。該段坡體能明顯觀察到土體已經過一段時間沉淀，邊坡斷層處能明顯觀察到該邊坡含水率分布出現了分層，試驗所采集土樣為已發生滑坡的滑坡體的松散土樣，由于取樣地點已發生滑坡，能夠反映土體滑坡時的土樣內部構成，適合作為該項目試驗對象。土樣采集地實地照片如圖1所示。通過含水率試驗、液、塑限聯合測定試驗、標準擊實試驗測得土樣基本物理指標如表1所示，土樣顆粒級配曲線如圖2所示。

通過分析土樣顆粒級配曲線，該土樣不均勻系數Cu=10.78，曲率系數Cc=2.25，土樣級配良好。粒徑大于0.075 mm的顆粒含量為90.89%，說明采用土樣為細砂質黏土。

1.1 試驗流程

本試驗采用儀器為TSZ-1型應變控制式三軸儀，加載速率設定為0.1 mm/min，圍壓設定為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa四種。試驗操作過程中，從試樣開始產生應變開始，每產生1 mm的軸向位移，對測力計度數，孔隙水壓力和軸向變形度數進行一次測記，直至試樣開裂破壞或軸向應變達到20%時停止試驗，并進行試驗記錄。

試樣的為39.1 mm，高80 mm，分五層壓實，采用三軸試驗用模具制作，并在每次填充壓實后用工具將連接面處刮花，以防止試樣各層間出現明顯的分層現象，影響試驗結果的準確性（圖3）。所用試樣控制干密度為1.53 g/cm3、1.62 g/cm3、 1.71 g/cm3，含水率為11%、14%、16%、18%、20%，圍壓為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，共做了60組試驗。

1.2 試樣破壞形態

試樣破壞形態特征為中心部分向外鼓脹，部分試塊開裂，開裂試件裂縫角度與貫穿程度各不相同，產生該現象的原因有兩個：一是因為試樣在三軸試驗過程中，試塊內部出現了部分強化、弱化現象，從而導致破壞形態有所差異［11］；二是在三軸試驗過程中，由于含水率的不同從而導致試樣破壞特征不同 ［12］，含水率較低時，試樣多為鼓脹破壞，隨含水率增大，試件開始出現剪切破壞，裂紋方向近似為豎向，且隨著含水率增大，剪切的裂紋逐漸貫通，試樣破壞形態如圖4所示。

1.3 試驗數據分析

圖5、圖6分別為不同含水率下內摩擦角-壓實度及粘聚力壓實度關系曲線。在含水率相同的條件下，內摩擦角隨著干密度的增大整體呈上升趨勢，如圖5所示。由圖5（a）可以看出，當含水率較小時，內摩擦角隨著干密度增大而線性增大；當含水率較大時，內摩擦角隨著干密度增大先減小再增大。

在含水率相同的條件下，粘聚力隨著干密度的增大先增大后減小。由圖6可以看出，內摩擦角隨著干密度增大而增大，當試樣干密度超過1.63 g/cm3后，內摩擦角隨著干密度增大而減小。由圖6（a）、圖6（b）可以看出，當含水率小于最優含水率時，粘聚力隨著干密度增大整體呈減小趨勢；當含水率小于最優含水率時，粘聚力隨著干密度增大整體呈增大趨勢。圖5、圖6共同反映出在含水率相同的情況下，干密度1.6 g/cm3為內摩擦角和粘聚力變化的臨界值。

圖7、圖8分別為不同壓實度下內摩擦角-壓實度及粘聚力壓實度關系曲線。通過對圖6、圖7分析發現，同一壓實度下含水率與內摩擦角、粘聚力之間存在某種函數關系，含水率對粘聚力的增長率呈現出遞減趨勢，且對粘聚力增長幅度的影響更為顯著。含水率變化對內摩擦角與粘聚力影響較大。

在含水率相同的情況下，內摩擦角隨著干密度增大先減小后增大；且在含水率較低時，內摩擦角與土樣干密度保持線性增加的關系。粘聚力則隨著干密度增大先增大后減小。且在含水率較低時整體呈減小趨勢，含水率較高時整體呈增大趨勢。干密度1.63 g/cm3為內摩擦角和粘聚力隨干密度變化而變化的臨界值。

在干密度相同的情況下，內摩擦角與粘聚力與含水率之間存在函數關系，說明含水率對內摩擦角和粘聚力增長幅度影響更為顯著，含水率變化對內摩擦角與粘聚力影響較大。且最優含水率下由于土體內部氣相和水相分布均連續，故在外力作用下水相和氣相均達到最大值［13］。

2 結論

通過對不同干密度與不同含水率兩種條件下測得各試樣數據進行分析，對試驗數據進行總結，發現含水率與干密度均對該土樣抗剪強度有一定影響。

（1）在試驗過程中，試樣會由于試驗過程中內部結構強化、弱化和含水率的因素出現不同的破壞形態。

（2）在含水率相同的情況下，內摩擦角隨著干密度增大先減小后增大；且在含水率較低時，內摩擦角與土樣干密度保持線性增加的關系。粘聚力則隨著干密度增大先增大后減小。且在含水率較低時整體呈減小趨勢，含水率較高時整體呈增大趨勢。

（3）在含水率相同情況下，干密度1.63 g/cm3為內摩擦角和粘聚力隨干密度變化而變化的臨界值。

（4）在干密度相同的情況下，內摩擦角與粘聚力與含水率之間存在函數關系，說明含水率對內摩擦角和粘聚力增長幅度影響更為顯著，含水率變化對內摩擦角與粘聚力影響較大。

參考文獻

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