典型黃土殘余強(qiáng)度變化規(guī)律分析
——以陜西涇陽(yáng)南塬黃土為例

翟棟梁，馬鵬輝

(1.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程系，陜西 西安 710054； 2.長(zhǎng)安大學(xué)西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

0 引言

中國(guó)黃土高原地質(zhì)條件脆弱，環(huán)境惡劣，導(dǎo)致黃土地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，而黃土滑坡是黃土地區(qū)最嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害之一[1-2]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，1989年以來(lái)甘肅東部發(fā)生體積大于5×105m3以上的滑坡數(shù)量高達(dá)4 576處；陜西省已發(fā)生滑坡1 131處[3]，蘭州地區(qū)1 300處[4]。這些滑坡每年都會(huì)造成巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，如1976年以來(lái)涇陽(yáng)南塬先后發(fā)生滑坡40多次，其中大型滑坡7次，造成56人傷亡，直接經(jīng)濟(jì)損失約3×106元[5]。土體的破壞通常是剪切破壞，故剪切強(qiáng)度成為了土體最重要的力學(xué)參數(shù)之一。其抗剪強(qiáng)度測(cè)試方法包括直剪試驗(yàn)、單剪試驗(yàn)、三軸剪切試驗(yàn)與環(huán)剪試驗(yàn)等。其中直剪試驗(yàn)?zāi)軌蚪?jīng)濟(jì)快速的測(cè)定剪切強(qiáng)度，但是其需要人為固定剪切面，剪切過(guò)程中剪切面積逐漸減小且排水條件不明確；單剪試驗(yàn)可以保證剪切面不變且應(yīng)力狀態(tài)均勻，但是加載過(guò)程中水平面和豎直面都不一定是破壞面；三軸試驗(yàn)作為最基本也是最常用的土工試驗(yàn)，可以完整的反映試樣受力變形直到破壞的全過(guò)程，但是依然存在一些問(wèn)題，比如邊界條件以及膜嵌入的影響[6]。隨著科技的發(fā)展，環(huán)剪儀被廣泛的應(yīng)用到土體的力學(xué)參數(shù)測(cè)試上，因?yàn)槠浼羟醒貓A周方向旋轉(zhuǎn)，可以保證剪切過(guò)程中剪切面積不變，而且應(yīng)力狀態(tài)均勻，適用于測(cè)定大位移條件下的土體殘余強(qiáng)度。

利用環(huán)剪儀的優(yōu)越性[7]，許多學(xué)者在此基礎(chǔ)上做了大量研究，比如利用環(huán)剪儀研究不同條件下土體的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度特性，總結(jié)含水率、法向應(yīng)力、超固結(jié)比、法向應(yīng)力、塑性指數(shù)以及循環(huán)動(dòng)荷載下其殘余強(qiáng)度的變化規(guī)律[8-10]；通過(guò)研究大位移剪切過(guò)程中剪切帶上的變化證實(shí)了土體的顆粒破碎情況以及黏粒含量對(duì)其剪切強(qiáng)度的影響，并解釋了軟弱基座效應(yīng)在滑坡型泥石流轉(zhuǎn)化中的力學(xué)機(jī)制[11-15]；從土體在不同剪切過(guò)程中的強(qiáng)度變化規(guī)律出發(fā)，對(duì)泥巖滑坡、汶川地震滑坡成因機(jī)制以及老滑坡間歇性復(fù)活的力學(xué)機(jī)制做出探討[16-18]。由于黃土滑坡多與水有關(guān)，而且多數(shù)黃土滑坡具有低視摩擦角、滑距遠(yuǎn)、流速快的特點(diǎn)，因此，利用環(huán)剪儀在保持剪切面積不變的情況下進(jìn)行大位移的剪切，能夠更好的模擬不同含水率條件下滑坡的大位移剪切破壞，較好的反映滑坡過(guò)程中剪切帶上的顆粒破碎、定向排列、孔隙水運(yùn)移以及變形局部發(fā)展等狀況[19]。

本文利用全自動(dòng)閉合回路控制環(huán)剪儀對(duì)涇陽(yáng)南塬Q2黃土進(jìn)行排水剪切試驗(yàn)，通過(guò)控制不同剪切條件，試圖探討剪切速率、法向應(yīng)力、含水率對(duì)黃土殘余強(qiáng)度的影響，為黃土滑坡的力學(xué)參數(shù)研究提供一定的參考。

1 環(huán)剪試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)儀器介紹

本文采用的儀器為德國(guó)Wille Geotechnik公司生產(chǎn)的ARS-2型全自動(dòng)閉合回路控制環(huán)剪儀，由高精度電機(jī)控制軸向應(yīng)力、剪切速率，可以記錄土體法向應(yīng)力、剪應(yīng)力、剪切位移和軸向位移等參數(shù)。剪切時(shí)上剪切盒保持不動(dòng)，下剪切盒旋轉(zhuǎn)，破壞面發(fā)生在上下剪切盒分界處。

剪切盒外徑150 mm，內(nèi)徑100 mm，高度30 mm，其剪切面積為98.175 mm2。該環(huán)剪儀可施加的最大法向應(yīng)力為1 000 kPa，最大剪切應(yīng)力為10 kN，最大剪切速率為32 mm/min，最大軸向位移為25 mm。

1.2 試驗(yàn)土樣制備

由于排水殘余強(qiáng)度與土的初始結(jié)構(gòu)和應(yīng)力歷史無(wú)關(guān)[20]，因此相對(duì)于環(huán)剪試驗(yàn)中原狀黃土取樣的難操作性，本次試驗(yàn)采用重塑試樣來(lái)揭示涇陽(yáng)地區(qū)不同試驗(yàn)條件下黃土的殘余強(qiáng)度變化規(guī)律。試驗(yàn)土樣取自陜西涇陽(yáng)南塬Q2黃土，土樣全部過(guò)5 mm篩，圖1顯示土體的顆粒粒徑分布規(guī)律，其中黏粒含量約占24.31%，粉粒含量較高，約為69.08%。研究區(qū)原狀土的各項(xiàng)物理指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖1 重塑黃土顆粒級(jí)配曲線(xiàn)Fig.1 Remolding loess particle grading curve

干密度/(g·cm-3)天然含水率/%天然密度/(g·cm-3)塑限/%液限/%塑性指數(shù)1.456.31.7817.030.813.8

試驗(yàn)所用試樣其制樣步驟為：①首先土體過(guò)2 mm篩，將所篩取的土樣在烘箱里烘干24 h；②把烘干土樣分層噴灑適量蒸餾水配制成所需要的目標(biāo)含水率土樣，并用保鮮膜密封好靜置24 h，讓水分充分運(yùn)移，使土體內(nèi)部含水率分布均勻；③土樣分三次裝入剪切盒進(jìn)行壓實(shí)，每次壓實(shí)時(shí)對(duì)土體表面進(jìn)行刮毛處理；④使用外徑100 mm的環(huán)刀切取試樣中心部分，剩余圓環(huán)狀土樣為環(huán)剪試驗(yàn)所需土樣；⑤將剪切盒裝入儀器開(kāi)始試驗(yàn)，首先進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)，固結(jié)完畢后開(kāi)始剪切。

1.3 試驗(yàn)方案及過(guò)程

試驗(yàn)均采用單級(jí)剪切方式，即在試樣固結(jié)完成后，只在單一法向應(yīng)力下進(jìn)行剪切。試樣按含水率從低到高配制4個(gè)批次，分別為10.04%、12.3%、14.8%和17.4%，然后每個(gè)批次試樣下分別進(jìn)行不同法向應(yīng)力和不同剪切速率的試驗(yàn)。具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

環(huán)剪試驗(yàn)分為兩個(gè)階段：第一階段為固結(jié)階段，試樣在當(dāng)前法向應(yīng)力下完成固結(jié)，待不再發(fā)生沉降時(shí)完成；第二階段為剪切階段，試樣在剪切盒內(nèi)發(fā)生剪切破壞，待剪切面上的剪應(yīng)力不再發(fā)生變化，試樣達(dá)到穩(wěn)定殘余強(qiáng)度時(shí)剪切結(jié)束。

表2 重塑黃土環(huán)剪試驗(yàn)方案Table 2 The ring shear test plan of remolding loess

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同剪切速率的影響

為研究土體在不同剪切速率下的殘余強(qiáng)度變化特性，試驗(yàn)條件設(shè)置為當(dāng)前法向應(yīng)力400 kPa，剪切速率分別為0.1 mm/min，1 mm/min，10 mm/min。為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，平行執(zhí)行兩組含水率(10.04%和14.8%)下的環(huán)剪試驗(yàn)。圖2(a)和圖2(b)分別是試樣在兩組含水率下的剪應(yīng)力隨剪切位移變化曲線(xiàn)。圖3(a)和圖3(b)分別是試樣在兩組含水率下的豎向沉降隨剪切位移變化曲線(xiàn)。

圖2 不同剪切速率對(duì)于殘余強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of different shear rates on residual strength

圖3 不同剪切速率對(duì)于豎向沉降的影響Fig.3 Effect of different shear rates on vertical settlement

從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，兩組含水率下試樣的剪應(yīng)力-剪切位移曲線(xiàn)變化規(guī)律基本相同，剪應(yīng)力變化可分為兩個(gè)階段。對(duì)于圖2(a)中含水率為10.04%的試樣，第一階段發(fā)生在三個(gè)試樣剪切位移為0～75 mm時(shí)，剪應(yīng)力隨著剪切位移的增加，迅速增大到一個(gè)峰值強(qiáng)度(約為400 kPa)。這個(gè)階段是試樣內(nèi)部剪切面的形成階段，隨著剪切破壞的發(fā)生，試樣內(nèi)部形成許多微裂縫，剪切面開(kāi)始形成并隨著剪切位移的發(fā)生這些微裂縫逐漸貫通形成連續(xù)的剪切面；隨后進(jìn)入第二階段，隨著剪切位移的持續(xù)增加，剪應(yīng)力在400～490 kPa的范圍內(nèi)緩慢變化，在剪切位移為120 mm左右時(shí)達(dá)到穩(wěn)定的殘余強(qiáng)度。這個(gè)階段對(duì)應(yīng)試樣內(nèi)部剪切面上土體顆粒沿剪切方向運(yùn)移、排列，最后完成定向排列達(dá)到穩(wěn)定。在圖2(b)含水率為14.8%的試樣中，土體經(jīng)歷一個(gè)更小的剪切位移(28 mm)完成第一階段剪切面的形成，達(dá)到峰值強(qiáng)度(約為315 kPa)，隨后在剪切位移為100 mm左右達(dá)到穩(wěn)定的殘余強(qiáng)度。

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，試樣的剪切破壞是一個(gè)剪縮過(guò)程，也就是試樣的高度都是隨剪切位移增加逐漸降低，且不同剪切速率下試樣的變化趨勢(shì)基本相同，最后達(dá)到殘余強(qiáng)度時(shí)試樣高度都趨于同一范圍內(nèi)。含水率為10.04%時(shí)，三個(gè)試樣的豎向沉降在剪切位移為120 mm時(shí)達(dá)到6.1 mm左右，不同剪切速率下試樣高度相差不到0.1 mm；當(dāng)含水率為14.8%時(shí)，三個(gè)試樣豎向沉降在剪切位移為100 mm時(shí)達(dá)到3.2 mm，不同剪切速率下試樣高度相差0.15 mm左右。值得注意的是，在試樣高度發(fā)生顯著變化時(shí)，剪應(yīng)力也發(fā)生相同變化，由圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)，在剪切位移的開(kāi)始階段(0～25 mm內(nèi))，試樣剪應(yīng)力增長(zhǎng)最為迅速，同時(shí)也是豎向沉降增長(zhǎng)最快的階段。之后隨著剪切位移的增加，豎向沉降緩慢變大，剪應(yīng)力也在一定范圍內(nèi)緩慢變化最后達(dá)到穩(wěn)定殘余強(qiáng)度，說(shuō)明試樣高度變化對(duì)剪應(yīng)力的影響十分敏感。圖4顯示不同含水率下的殘余強(qiáng)度隨著剪切速率的變化曲線(xiàn)。如圖4所示，對(duì)于含水率為10.04%的試樣，當(dāng)剪切速率為0.1 mm/min，1 mm/min，10 mm/min時(shí)，其殘余強(qiáng)度分別為470 kPa、442 kPa和434 kPa，不同剪切速率下的殘余強(qiáng)度誤差值在3%～5%；當(dāng)含水率為12.3%時(shí)，試樣在不同剪切速率下的殘余強(qiáng)度分別為406 kPa、370 kPa、410 kPa，其誤差值在2%～4%；當(dāng)含水率為17.4%時(shí)，試樣在不同剪切速率下的殘余強(qiáng)度分別為293 kPa、308 kPa、288 kPa，其誤差值在1%～3%。因此，在一定剪切速率下，對(duì)于在相同條件下的的試樣而言，剪切速率對(duì)其殘余強(qiáng)度影響很小，其強(qiáng)度變化范圍在1%～5%。

目前眾多學(xué)者針對(duì)不同剪切速率對(duì)峰值強(qiáng)度的影響研究結(jié)論是一致的，即隨剪切速率的增大，峰值強(qiáng)度也隨之增加，而對(duì)殘余強(qiáng)度的卻缺乏統(tǒng)一的結(jié)論。對(duì)于本次研究而言，不同剪切速率下的試樣在同一條件下完成固結(jié)開(kāi)始剪切破壞，且最終達(dá)到穩(wěn)定強(qiáng)度時(shí)試樣高度基本一致，也就是平均孔隙比相同。因此在剪切過(guò)程中，由于剪切速率不同，可能會(huì)影響剪切面上孔隙水壓力消散程度的快慢和顆粒定向排列的快慢，從而使初始階段的應(yīng)力狀態(tài)略有差別。但隨著剪切位移的增加，孔隙水的消散，剪切面上土體顆粒完成定向排列，試樣達(dá)到最終穩(wěn)定的殘余強(qiáng)度，這時(shí)殘余強(qiáng)度主要取決于試樣當(dāng)前的應(yīng)力狀態(tài)，而與剪切速率無(wú)關(guān)。

圖4 不同含水率下的殘余強(qiáng)度-剪切速率關(guān)系曲線(xiàn)Fig.4 Residual strength-shear rate curve at different water contents

2.2 不同法向應(yīng)力的影響

為研究試樣在不同法向應(yīng)力下的殘余強(qiáng)度特性，平行執(zhí)行兩組含水率(10.04%和14.8%)下的環(huán)剪試驗(yàn)。設(shè)置剪切速率為1 mm/min，試樣分別在100 kPa、200 kPa、400 kPa、600 kPa完成固結(jié)并進(jìn)行剪切。圖5(a)和圖5(b)分別為含水率為10.04%和14.8%時(shí)的剪應(yīng)力-剪切位移曲線(xiàn)。

圖5 不同法向應(yīng)力對(duì)于殘余強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of different normal stresses on residual strength

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，含水率相同時(shí)，試樣其殘余強(qiáng)度的取值隨當(dāng)前法向應(yīng)力的增加而增大。并且從圖中可以看出，法向應(yīng)力越大，曲線(xiàn)初始階段的斜率越大，說(shuō)明剪應(yīng)力的增長(zhǎng)速率越大。對(duì)于圖5(a)中含水率為10.04%的試樣，不同法向應(yīng)力下的試樣在剪切位移很小的范圍內(nèi)(0～30 mm)，剪應(yīng)力迅速增大到峰值強(qiáng)度,接著隨剪切位移的增加在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，最后達(dá)到穩(wěn)定殘余強(qiáng)度，剪切過(guò)程中剪應(yīng)力沒(méi)有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力下降。而對(duì)于圖5(b)中含水率為14.8%的試樣，當(dāng)法向應(yīng)力為400 kPa和600 kPa時(shí)，可以觀察到試樣在達(dá)到峰值強(qiáng)度后出現(xiàn)明顯的應(yīng)力下降，分別從538 kPa和430 kPa下降到446 kPa和324 kPa，隨后達(dá)到穩(wěn)定的殘余強(qiáng)度。由此可見(jiàn)，土體含水率和法向應(yīng)力對(duì)黃土應(yīng)變軟化特性有著很大的影響。

如圖6所示為不同含水率下的殘余強(qiáng)度與法向應(yīng)力關(guān)系曲線(xiàn)。擬合曲線(xiàn)可知，同一含水率下試樣的殘余強(qiáng)度與法向應(yīng)力呈現(xiàn)出較強(qiáng)的線(xiàn)性關(guān)系，這一殘余強(qiáng)度變化趨勢(shì)符合摩爾-庫(kù)倫定律：

τr=σntanφr+cr

式中：τr——試樣達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的殘余強(qiáng)度；

σn——試樣當(dāng)前法向應(yīng)力；

φr——試樣達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的殘余內(nèi)摩擦角；

cr——試樣達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的殘余黏聚力。

圖6 不同法向應(yīng)力下殘余強(qiáng)度Fig.6 Residual strength under different normal stresses

說(shuō)明在含水率不變時(shí)，對(duì)于在不同法向應(yīng)力下達(dá)到穩(wěn)定殘余強(qiáng)度的試樣，其剪切面上的殘余內(nèi)摩擦角相同。由于剪切過(guò)程中的剪切帶上土體顆粒發(fā)生運(yùn)移、破碎，可能會(huì)使試樣在不同法向應(yīng)力下剪切前后剪切面上土體顆粒的粒徑大小和定向排列程度有所不同，從而影響最后達(dá)到殘余強(qiáng)度時(shí)的殘余內(nèi)摩擦角。因此為分析殘余內(nèi)摩擦角是否與顆粒粒徑變化有關(guān)，通過(guò)激光粒度掃描儀對(duì)剪切面上的剪切前后的土體進(jìn)行顆粒分析，探究不同法向應(yīng)力下土體在剪切過(guò)程中剪切面上的顆粒破碎情況。由于試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律基本一致，因此以含水率為14.8%下的試樣為例進(jìn)行分析，圖7為試樣剪切面上土體剪切前后的顆粒粒徑變化。

圖7 不同法向應(yīng)力下剪切前后剪切面上顆粒粒徑變化Fig.7 Particle size change on shear plane before and after shearing under different normal stresses

從圖7中可以看出，剪切前后剪切面上的顆粒粒徑變化幅度很小，主要體現(xiàn)在顆粒粒徑分布圖中兩個(gè)峰值處，存在于顆粒粒徑為0.2 μm和24 μm時(shí)，分別占顆?？傎|(zhì)量的4.2%和9.8%。經(jīng)過(guò)不同法向應(yīng)力的剪切作用后，剪切面上的顆粒稍有破碎，其粒徑變化幅度很小，兩峰值處的顆粒所占百分比下降分別為1%和0.5%左右，對(duì)土體顆粒大小級(jí)配的影響幾乎可忽略不計(jì)。因此，不同法向應(yīng)力剪切作用下剪切面上的顆粒破碎情況對(duì)殘余內(nèi)摩擦角的影響很小，最后達(dá)到殘余強(qiáng)度時(shí)的殘余內(nèi)摩擦角主要受顆粒定向排列程度的影響。

為證實(shí)達(dá)到殘余強(qiáng)度時(shí)剪切面上土體顆粒達(dá)到定向排列，分別對(duì)兩個(gè)不同法向應(yīng)力下的剪切面剪切前后進(jìn)行電鏡SEM掃描(放大倍數(shù)1 000)(圖8)。通過(guò)二值化圖像處理可知，剪切面上微觀特征變化主要體現(xiàn)在顆粒形態(tài)和孔隙特征兩方面。如圖8(a)(b)所示，剪切前剪切帶上的土體顆粒以不規(guī)則的球狀或紡錘體狀為主，且定向排列程度較差，顆粒間的孔隙以大孔隙為主。經(jīng)過(guò)剪切作用之后，如圖8(c)(d)所示，剪切面上的土體顆粒多呈扁平狀，并且其定向角(土顆粒的長(zhǎng)軸與水平方向夾角)多沿黑色箭頭所示的剪切方向排列，說(shuō)明其定向排列程度較好，同時(shí)顆粒間的大孔隙被分割成幾個(gè)小孔隙。

圖8 剪切帶剪切前后掃描電鏡照片F(xiàn)ig.8 SEM micrographs before and after shear of shear band

所以同一含水率下的試樣在不同的法向應(yīng)力下剪切破壞后，剪切面上的殘余內(nèi)摩擦角相同，主要是由于其剪切面上顆粒間具有相同的定向排列程度。當(dāng)法向應(yīng)力較低時(shí)，剪切面上的顆粒定向排列程度隨法向應(yīng)力的增大而增大，此時(shí)殘余強(qiáng)度與法向應(yīng)力呈非線(xiàn)性關(guān)系[21]；而當(dāng)法向應(yīng)力增大到一定程度，剪切面上土體顆粒會(huì)達(dá)到完全定向排列，不再隨法向應(yīng)力的增大而變化，這時(shí)殘余強(qiáng)度與法向應(yīng)力呈線(xiàn)性關(guān)系。

2.3 不同含水率的影響

環(huán)剪試驗(yàn)中，排水條件下土體的的峰后強(qiáng)度衰減過(guò)程包括兩個(gè)階段：第一階段是由剪脹所引起的孔隙含水量增大所導(dǎo)致的應(yīng)變軟化階段；第二階段是隨剪切位移的增加，黏土礦物沿剪切方向的定向排列最終達(dá)到殘余強(qiáng)度階段[22]。從圖5可知，含水率變化會(huì)影響土的應(yīng)變軟化特性。在低含水率(ωL=10.04%)條件下未出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象，推測(cè)是由于試樣內(nèi)部含水率較低，試樣較為干燥，固結(jié)后顆粒間聯(lián)結(jié)較弱，在剪切過(guò)程中的孔隙水變化不明顯，因此沒(méi)有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力下降。隨著含水率的增大，當(dāng)ωL=14.8%時(shí)，在法向應(yīng)力為400 kPa和600 kPa時(shí)出現(xiàn)明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，這是由于在高法向應(yīng)力下，試樣經(jīng)固結(jié)后形成新的結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的再生強(qiáng)度更加明顯，在剪切時(shí)隨著剪切帶的形成和發(fā)展，最后完全貫通形成連續(xù)的剪切面，伴隨著孔隙水運(yùn)移以及顆粒排列等復(fù)雜過(guò)程，從而出現(xiàn)應(yīng)力下降。同時(shí)水的作用會(huì)使應(yīng)變軟化現(xiàn)象更加明顯，使同一應(yīng)力下的應(yīng)力下降比增大，這是因?yàn)樵诟吆是闆r下，試樣剪切后形成的剪切面更加光滑平整，因此殘余強(qiáng)度更低[23]。

從圖6中可以看出，在同一法向應(yīng)力下，試樣的殘余強(qiáng)度隨含水率增加而降低，但不同法向應(yīng)力下的降低程度略有不同，其在高法向應(yīng)力下(比如400 kPa和600 kPa)的變化更為顯著。在不同含水率下，試樣殘余強(qiáng)度之間的差異主要是由土體結(jié)構(gòu)和剪切強(qiáng)度參數(shù)的變化所引起的。

對(duì)于其土體結(jié)構(gòu)的變化，由于在剪切過(guò)程中直接觀察剪切帶上的孔隙比變化比較困難，因此可通過(guò)剪切前后試樣高度從側(cè)面反映土體平均孔隙比的變化。由圖3可知，當(dāng)前法向應(yīng)力相同時(shí)，隨著含水率的增大，試樣在剪切過(guò)程中達(dá)到殘余強(qiáng)度時(shí)的豎向沉降會(huì)減小。這是因?yàn)橛捎谠嚇泳哂邢嗤母擅芏群统跏紤?yīng)力狀態(tài)，在低含水率情況下，土體中具有更多的孔隙空間，其收縮潛能較大；而隨著含水率的增大，土體中孔隙空間減小，因而其收縮性變小。因此隨著含水率的增大，試樣達(dá)到殘余強(qiáng)度時(shí)的平均孔隙比變大，土體孔隙越大，顆粒之間的接觸點(diǎn)越少且聯(lián)結(jié)越弱，從而使殘余強(qiáng)度降低。

另一方面，不同含水率對(duì)土體的殘余強(qiáng)度特性的影響可以用殘余黏聚力和殘余內(nèi)摩擦角兩個(gè)參數(shù)來(lái)反映，根據(jù)圖6試驗(yàn)結(jié)果擬合方程得出不同含水率下試樣的殘余強(qiáng)度參數(shù)如表3所示?？梢钥闯?，隨著含水率的增大，試樣達(dá)到殘余強(qiáng)度時(shí)的殘余黏聚力先增大后減小。殘余內(nèi)摩擦角則隨含水率的增大而減小，但是變化其變化范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于殘余黏聚力的變化。林鴻州等[24]通過(guò)直對(duì)非飽和粉質(zhì)黏土進(jìn)行直剪試驗(yàn)也得出了相似結(jié)論。

表3 不同含水率下的殘余強(qiáng)度參數(shù)Table 3 Residual strength parameters at different moisture contents

3 結(jié)論

(1)對(duì)于具有相同含水率和初始應(yīng)力狀態(tài)的試樣，不同剪切速率下的豎向沉降基本一致，剪切速率對(duì)于其殘余強(qiáng)度影響很小，其強(qiáng)度變化范圍在1%～5%。這是由于不同應(yīng)力狀態(tài)下的各試樣在環(huán)剪條件下經(jīng)過(guò)較大的位移才能達(dá)到最終穩(wěn)定的殘余強(qiáng)度，此時(shí)殘余強(qiáng)度的取值僅與當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)，而與剪切速率無(wú)關(guān)。

(2)一定法向應(yīng)力下，殘余強(qiáng)度的取值與法向應(yīng)力呈較強(qiáng)的線(xiàn)性關(guān)系，并隨當(dāng)前法向應(yīng)力的增加而增大。不同法向應(yīng)力剪切作用下剪切面上的顆粒級(jí)配基本相同，最后達(dá)到殘余強(qiáng)度時(shí)的殘余內(nèi)摩擦角主要受顆粒定向排列程度影響。

(3)非飽和重塑黃土的應(yīng)變軟化特性受含水率影響明顯，在同一法向應(yīng)力下，殘余強(qiáng)度隨含水率增大而減小。隨著含水率的增大，試樣達(dá)到殘余強(qiáng)度時(shí)的殘余黏聚力先增大后減小。殘余內(nèi)摩擦角則隨含水率的增大而減小。