含水量对昆明非饱和土抗剪强度影响的试验研究

郭光八，刘克文

(十四冶建设云南勘察设计有限公司， 云南昆明 650001)

含水量对昆明非饱和土抗剪强度影响的试验研究

郭光八，刘克文

(十四冶建设云南勘察设计有限公司， 云南昆明 650001)

在岩土工程领域，绝大多数土体位于地下水位以上，处于非饱和土状态，尤其是公路、坝体、浅层边坡等工程。非饱和土的抗剪强度与其含水量(饱和度)或基质吸力关系密切。利用改进的直剪仪，对不同初始含水量状态下的昆明地区非饱和土体进行抗剪强度试验，获得了含水量与非饱和土体抗剪强度及其指标参数之间的关系，结果表明，在相同试验条件下土体的抗剪强度随着含水量的减小而不断增大。

含水量；非饱和土；抗剪强度；强度试验

0 引 言

在岩土工程设计和施工过程中，所采用的设计标准和施工规范均是建立在传统的饱和土理论基础之上。然而，随着我国经济建设的快速发展，城市道路日新月异。有关城市道路路基在雨季发生塌陷或者滑坡的报道时而见诸报端，这类塌陷或滑坡的发生带有突发性和偶然性，难于预测和躲避，给人民的生命和财产安全造成了重大损失。例如，2010年10月位于兰州市城关区大砂坪城市建设学校西200m处发生山体滑坡事故，大量黄土倾泻而下掩埋路面，约8m宽的路面被滑土覆盖；2011年7月云南省国道G214线祥临公路澜沧江大桥至云县县城中段道路发生滑坡。究其原因，目前我国针对岩土工程、道路工程的设计和施工均采用传统的饱和土理论。实际上，工程实践中绝大多数土体均处于地下水位以上，呈现非饱和状态[1]。大量的工程实践和试验研究表明，对于同一种土体，其含水量和应力状态对抗剪强度的影响非常大[2-4]。国际上也有许多学者对饱和－非饱和土体抗剪强度与含水量的关系开展了相关研究，结果表明非饱和土体抗剪强度与含水量的关系十分复杂，且不同土体的对应关系差别很大。因此，研究含水量的变化对土体抗剪强度的影响，具有重要的工程意义[5]。

1 非饱和土抗剪强度试验

1.1 试验材料

自2009年，昆明市通过实施“541”交通设施三年建设计划，道路基础设施建设取得重大进展；2012年，昆明市启动实施4年城市道路建设计划，预计至“十二五”末，将建设315条城市道路。城市道路建设突飞猛进，由此遇到的路基土处理问题也不断出现。该试验用土取自昆明市西山区某道路建设场地的第三层粉质粘土，该层厚5～14m。采取了3组土样，通过常规土工试验获得基本物性参数，结果见表1。

表1 3组试验土样基本土性参数

1.2 试验设备及方法

抗剪强度试验采用南京土壤仪器厂生产的SDJ －1型等应变剪切仪。试验开始前，先将试验用土放置在105℃烘箱内烘至恒重，然后根据设计的不同含水量非饱和试验用土计算相应的水分质量，量取适量蒸馏水配制成4种不同含水量的土样，拌和均匀后用多层塑料袋分装，以防止水分散失，并将其放置在温－湿控制箱内在恒温恒湿环境中静置72 h，以使水分在土样中充分扩散，确保土样中水分分布均匀。

1.3 试验设计

根据已有研究，实际工程中非饱和土体中的含水量一般为10%～35%[2，3]。本试验研究中，分别配置质量含水量为10%，15%，20%，30%等重塑土样4组，在5种正应力(50，100，200，300 kPa和400 kPa)下进行抗剪强度试验。所有试样制作严格按照《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)[6]进行操作，确保试验结果准确、可靠。

2 试验结果与分析

2.1 土样强度指标试验结果

通过对三组试样进行剪切试验，获得了不同含水量对应的非饱和土抗剪强度参数，具体结果见表2。总体上可以看出，3组试验土样的粘聚力和内摩擦角均随着含水量的增大而不断减小，从而使土样的抗剪强度值也随着含水量的增大而减小。

表2 3组土样强度指标试验结果

2.2 含水量对抗剪强度的影响

3组土样在不同含水量条件下的抗剪强度与正应力关系如图1～3所示。由图1～3可以看出，非饱和土体的抗剪强度与土体的含水量和正应力关系密切。一方面，随着土体含水量的降低，土体抗剪强度不断提高。例如，在正应力为200 kPa的条件下，当含水量由30%降低为10%时，土样1的抗剪强度则由200 kPa减少为40 kPa，降低了80%；土样2的抗剪强度也由220 kPa减小为65 kPa，降低了70%。另一方面，对同一土样，土体的抗剪强度随着正应力的增大而增大。例如，对含水量为20%的土样1，当正应力从50 kPa增大到400 kPa时，其抗剪强度由50 kPa增加到160 kPa，提高了2倍。但是，在低应力水平下(由50 kPa增加至100 kPa)，3组试样抗剪强度的增加并不明显。

2.3 含水量对抗剪强度指标的影响

土体的抗剪强度主要是由土体的粘聚力和内摩擦角所决定的，为了分析含水量对抗剪强度指标的影响，将3组土样含水量与粘聚力的关系曲线作于图4，将含水量与内摩擦角的关系曲线作于图5。

图1 不同含水量条件下土样1抗剪强度与正应力关系曲线

图2 不同含水量条件下土样2抗剪强度与正应力关系曲线

图3 不同含水量条件下土样3抗剪强度与正应力关系曲线

图4 三组试样的粘聚力与含水量关系曲线

从图4中可以看出，3组试验土样的粘聚力均随着含水量的增加而减小，且在不同含水量条件下3组试样的粘聚力值比较接近，说明试验重复性较好。根据边加敏和王保田的研究，采用二次多项式对试验结果进行拟合[3]，得到3组土样粘聚力与其含水量的函数关系式，分别为:

图5 三组试样的内摩擦角与含水量关系曲线

同样，从图5中可以看出，3组试验土样的内摩擦角均随着土体中含水量的增加而降低，当含水量从10%增加到30%时，土样的内摩擦角从28°降低为10°左右，大约减小60%。采用线性方程对试验结果进行拟合[3]，得到3组土样内摩擦角与其含水量的函数关系式，分别为:

由此可见，在非饱和状态下，含水量对土体的抗剪强度指标有着重要影响，土体的粘聚力与含水量呈二次曲线关系，而土体的内摩擦角与含水量近似呈线性关系。

3 结 论

传统的饱和土力学理论已广泛应用于我国岩土工程领域的设计、施工和管理运营，但是绝大多数工程实践中岩土体本身处于非饱和土状态。研究表明，非饱和土体的强度指标与含水量密切相关，因此加强对不同含水状态下土体的力学特性、变形特性和渗透特性研究，对科学设计岩土工程、确保工程建设安全具有重要意义。

[1]Fredlund D G，Rahardjo H.非饱和土力学[M].北京:中国建筑工业出版社，1997.

[2]赵慧丽，张 弥，李兆平.含水量对北京地区非饱和土抗剪强度影响的试验研究[J].石家庄铁道学院学报，2001，14(4): 30-33.

[3]边加敏，王保田.含水量对非饱和土抗剪强度影响研究[J].人民黄河，2010，32(11):124-125.

[4]黄 琨，万军伟，陈 刚，等.非饱和土的抗剪强度与含水率关系的试验研究[J].岩土力学，2012，33(9):2600－2604.

[5]刘子振，言志信，凌松耀，等.非饱和土边坡抗剪强度的力学参数影响及灵敏度分析[J].中南大学学报(自然科学版)，2012，43(11):4508-4513.

[6]公路土工试验规程[S].JTG E40—2007.

2014-11-21)

郭光八(1976－)，男，云南祥云人，大学本科，工程师，主要从事岩土工程生产及管理工作，Email：376107138＠qq.com。