非飽和重塑粉質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律研究

任增成REN Zeng-cheng；倪振強(qiáng)NI Zhen-qiang

（①山東三山公路工程監(jiān)理咨詢有限公司，聊城 252000；②聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院，聊城 252000）

0 引言

非飽和土的基質(zhì)吸力、水力特性、抗剪強(qiáng)度與含水量（飽和度）變化密切相關(guān)。隨著含水量增加，會(huì)造成非飽和地基沉降、濕陷，土體滲透性增大，抗剪強(qiáng)度降低而引發(fā)坡體滑塌等地質(zhì)災(zāi)害。因此，研究不同含水量下非飽和土的抗剪強(qiáng)度對(duì)工程建設(shè)具有重要意義。

以往學(xué)者通過(guò)結(jié)合實(shí)際工程從土壤學(xué)引入基質(zhì)吸力的概念，通過(guò)建立非飽和土滯回循環(huán)計(jì)算模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，推導(dǎo)了以連續(xù)函數(shù)表達(dá)的水土特征曲線（SWCC）[1]。Bishop 等[2]提出孔隙氣壓力減孔隙水壓力s=uauw基質(zhì)吸力的概念；Fredlund 等[3]提出了基于雙應(yīng)力變量的擴(kuò)展摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則非飽和土抗剪強(qiáng)度公式；Lu Ning等[4]提出吸應(yīng)力σs的概念以代替有效應(yīng)力參數(shù)χ、假想內(nèi)摩擦角φb這些參數(shù)，提高了公式的工程應(yīng)用性。

本文以工程特性較差的魯西平原粉質(zhì)黏土為研究對(duì)象，分析抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨基質(zhì)吸力變化的規(guī)律與原理，研究基質(zhì)吸力與抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系，既從理論上明確土粒間相互作用力的物理意義，也從應(yīng)用上確定其適用性。因?yàn)楣こ讨杏龅降耐亮W(xué)問(wèn)題大多是非飽和土問(wèn)題，例如非飽和土自然斜坡及公路、鐵路建設(shè)形成的人工土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析，路基和大壩的沉降變形分析，基坑開挖過(guò)程中的土壓力變化，特殊土的濕脹干縮性能等。因此，研究非飽和重塑粉質(zhì)黏土的抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律具有重要的理論與應(yīng)用價(jià)值，既可以作為理論研究的補(bǔ)充，也可以作為工程應(yīng)用的指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)方案及過(guò)程

1.1 試驗(yàn)用土的物理特性及試樣制備

試驗(yàn)用土取自聊城大學(xué)在建綜合試驗(yàn)教學(xué)樓基坑深4.5~5.0m 處，土體呈褐黃色，土粒以粉粒為主，含有深褐色高嶺土黏粒；土體光澤性一般，層理性較差，搖震反應(yīng)不明顯。基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 試驗(yàn)用土物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 研究方法

土水特征曲線-SWCC 采用濾紙法測(cè)定，采用采用雙圈牌NO.203 型慢速濾紙和溫度為20°C 的MgCl2溶液，用壓實(shí)試樣干密度ρd=1.60g/cm3的方法測(cè)定[5]。

直剪試驗(yàn)試樣同樣以ρd=1.60g/cm3的干密度控制，土樣直徑61.8mm，高度20mm。分別進(jìn)行固結(jié)快剪和不固結(jié)快剪試驗(yàn)，剪切速率均為0.8mm/min，正應(yīng)力采用50kPa，100kPa，150kPa，200kPa。為保證接近真實(shí)工況，根據(jù)伏斯列夫真抗剪強(qiáng)度理論，固結(jié)快剪時(shí)取固結(jié)壓力為200kPa。試樣的初始含水量分別為0%，3.5%，5.4%，7.6%，9.7%，10.6%，11.7%，13.3%，16.8%，18.6%，20.9%，22.8%，26.1%。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 基質(zhì)吸力-土水特征曲線（SWCC）

測(cè)得SWCC 后，為驗(yàn)證其正確性利用RETC 軟件的VG 模型對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合驗(yàn)證：

式中：θ 為體積含水量，θr為殘余體積含水量，θs為飽和體積含水量，h 為土壤負(fù)壓水頭，α、n、m 為經(jīng)驗(yàn)擬合參數(shù)，其中m=1-1/n。先用Matlab 中的fminsearch 函數(shù)對(duì)參數(shù)求解，將得到的參數(shù)再代入RETC 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，求得經(jīng)驗(yàn)參數(shù)為：α=0.1986，n=1.2354，均方差為9.44e-04。將體積含水量轉(zhuǎn)換為飽和度，將負(fù)壓水頭轉(zhuǎn)換為基質(zhì)吸力，如圖1 所示，擬合數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)契合性較好，擬合度R2=0.9884。因此，可以按實(shí)測(cè)值進(jìn)行分析，進(jìn)氣值為5kPa，對(duì)應(yīng)飽和度為92%；殘余值為157.4kPa，對(duì)應(yīng)飽和度為49%。

圖1 土水特征曲線

由圖1 可以看出，飽和度與基質(zhì)吸力的關(guān)系根據(jù)水、氣在土中的存在狀態(tài)，可將其分為四個(gè)區(qū)段：邊界效應(yīng)區(qū)、過(guò)渡區(qū)（包括主要和次要過(guò)渡區(qū)）和殘余區(qū)。根據(jù)SWCC，劃分0~5kPa 為邊界效應(yīng)區(qū)，飽和度大于92%，此時(shí)土體基本處于飽和狀態(tài)，土體結(jié)構(gòu)為氣封閉，5kPa 為進(jìn)氣值；5~10000kPa 為過(guò)渡區(qū)，根據(jù)塑限和縮限的飽和度，又可細(xì)分為主要過(guò)渡區(qū)0~157.4kPa、飽和度為92%~49%，次要過(guò)渡區(qū)157.4~10000kPa、飽和度為49%~22%，此時(shí)土體結(jié)構(gòu)為雙開敞，基質(zhì)吸力升高幅度大；10000kPa 以上為殘余區(qū)，飽和度小于22%，此時(shí)土體結(jié)構(gòu)為水封閉，基質(zhì)吸力進(jìn)一步增大。

2.2 直剪試驗(yàn)結(jié)果

每組抗剪強(qiáng)度參數(shù)確定由4 個(gè)試樣的結(jié)果作出，庫(kù)倫公式直線擬合度在0.99 以上。將含水量換算為基質(zhì)吸力，直剪試驗(yàn)得到的抗剪強(qiáng)度參數(shù)與基質(zhì)吸力的關(guān)系見圖2、圖3。

圖2 內(nèi)摩擦角與基質(zhì)吸力的關(guān)系

由圖2 可以看出：固結(jié)快剪與不固結(jié)快剪內(nèi)摩擦角都隨著基質(zhì)吸力的增大而增大，在基質(zhì)吸力較小時(shí)變化幅度不大，在基質(zhì)吸力較大時(shí)，內(nèi)摩擦角增長(zhǎng)速度變快。同等基質(zhì)吸力下，固結(jié)快剪內(nèi)摩擦角大于不固結(jié)快剪的。

由圖3 可以看出：固結(jié)快剪與不固結(jié)快剪黏聚力均先隨著基質(zhì)吸力的增大而增大，達(dá)到峰值后隨著基質(zhì)吸力的增大而減小。峰值強(qiáng)度出現(xiàn)在塑限對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力附近，固結(jié)快剪出現(xiàn)在基質(zhì)吸力140kPa 左右，不固結(jié)快剪出現(xiàn)在基質(zhì)吸力1400kPa 左右，固結(jié)快剪峰值大于不固結(jié)快剪。除去基質(zhì)吸力在310~4100kPa 區(qū)間，同等基質(zhì)吸力下，固結(jié)快剪黏聚力亦基本略大于不固結(jié)快剪的。

圖3 黏聚力與基質(zhì)吸力的關(guān)系

3 抗剪強(qiáng)度與基質(zhì)吸力的關(guān)系

將非飽和土直剪試驗(yàn)的結(jié)果利用庫(kù)侖公式求其抗剪強(qiáng)度，結(jié)合土水特征曲線的四個(gè)區(qū)段，得到抗剪強(qiáng)度與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系，見圖4，圖中R 代表固結(jié)快剪，Q 代表不固結(jié)快剪。從圖中可以看出，抗剪強(qiáng)度與基質(zhì)吸力的關(guān)系具有階段性，階段劃分可用SWCC 的分界線進(jìn)行區(qū)分，各個(gè)階段的分界點(diǎn)與SWCC 的分界點(diǎn)具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖4 抗剪強(qiáng)度與基質(zhì)吸力的關(guān)系

第一區(qū)段-邊界效應(yīng)區(qū)-氣封閉狀態(tài)。此時(shí)土體基本處于飽和狀態(tài)，內(nèi)摩擦角隨基質(zhì)吸力變化較小，黏聚力隨基質(zhì)吸力增大而增大，總體抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力地增大而略有增長(zhǎng)。

第二區(qū)段-主要過(guò)渡區(qū)-雙開敞狀態(tài)。此時(shí)土體含水量減小，水氣兩相形成的彎液面連接在一起。內(nèi)摩擦角和黏聚力均增大，抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)較快。

第三區(qū)段-次要過(guò)渡區(qū)-雙開敞狀態(tài)。此區(qū)段內(nèi)摩擦角繼續(xù)增大，而黏聚力因?yàn)橹厮芡两Y(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的原因反而有所下降。固結(jié)剪切因?yàn)橥馏w結(jié)構(gòu)有部分的恢復(fù)，抗剪強(qiáng)度降低幅度較小，非固結(jié)剪切因?yàn)橥馏w結(jié)構(gòu)破壞，抗剪強(qiáng)度降低幅度較大；固結(jié)剪切時(shí)出現(xiàn)峰值強(qiáng)度比不固結(jié)剪切時(shí)基質(zhì)吸力小，是因?yàn)楣探Y(jié)剪切時(shí)黏聚力出現(xiàn)峰值強(qiáng)度的飽和度比不固結(jié)時(shí)要大；低法向應(yīng)力時(shí)抗剪強(qiáng)度下降明顯，高法向應(yīng)力時(shí)抗剪強(qiáng)度下降不明顯，是因?yàn)榉ㄏ驊?yīng)力越高，庫(kù)侖公式中的σtanφ 影響越大，c 值影響越小造成的。

第四區(qū)段-殘余區(qū)-水封閉狀態(tài)。此時(shí)含水量極少，主要黏附在土粒接觸點(diǎn)周圍，不能形成連續(xù)的彎液面，因而無(wú)法傳遞表面張力。土體的內(nèi)摩擦角隨著飽和度減小而繼續(xù)增大，黏聚力因?yàn)橹厮芡两Y(jié)構(gòu)性不強(qiáng)而繼續(xù)降低。而φ的進(jìn)一步增大，使σtanφ 的增長(zhǎng)速率大于c 的減小速率，使得抗剪強(qiáng)度整體仍然增大。

通過(guò)分析可知，基質(zhì)吸力在測(cè)量范圍內(nèi)可達(dá)100MPa，但基質(zhì)吸力過(guò)大時(shí)（超過(guò)1MPa），微觀范疇的“基質(zhì)勢(shì)”不能直接反映在土的宏觀抗剪強(qiáng)度上。

4 結(jié)論

非飽和土抗剪機(jī)理因各種作用力的存在而復(fù)雜化，近年來(lái)這方面的研究比較活躍，但對(duì)一些基本問(wèn)題的認(rèn)識(shí)并不一致。本文通過(guò)濾紙法測(cè)定SWCC，分析基質(zhì)吸力與抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

①非飽和重塑土的表觀內(nèi)摩擦角φ 隨基質(zhì)吸力的增大而增大，表觀黏聚力C 隨基質(zhì)吸力的增大先增大而后減小，存在峰值現(xiàn)象。宏觀粒間應(yīng)力-可變結(jié)構(gòu)吸力是影響內(nèi)摩擦角的主要因素，吸應(yīng)力是影響?zhàn)ぞ哿Φ闹饕蛩亍?/p>

②抗剪強(qiáng)度按基質(zhì)吸力可以分為四個(gè)階段，總體上抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力的增大而增大，但在次要過(guò)度段出現(xiàn)抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力的增大而減小的現(xiàn)象。重塑土的膠結(jié)和結(jié)構(gòu)性已經(jīng)被破壞，難以形成較好的宏觀可變結(jié)構(gòu)吸力，是造成這種現(xiàn)象的主要原因。

③利用固結(jié)直剪和不固結(jié)直剪兩種方式得到的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，既能相互驗(yàn)證，保證問(wèn)題解答的正確性，也發(fā)現(xiàn)了非飽和重塑粉質(zhì)黏土在固結(jié)條件下，結(jié)構(gòu)有所恢復(fù)和不固結(jié)條件下結(jié)構(gòu)未恢復(fù)之間的差異。