含水率和干密度对砂壤土抗剪强度的影响

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(华北水利水电大学，河南郑州450045)

砂壤土是水利行业采用三角坐标定名细粒土的其中一种土类。作为黄河大堤堤身的填筑土，在运行期堤身长期位于地下水位以上，土体属于非饱和土，受到降雨影响时，土体含水率增加、强度降低，引起堤身顶部塌陷滑动、土体流失、断面减少，最终导致大堤决口[1-3]。因此，研究含水率和干密度对黄河大堤堤身土体抗剪强度的影响特性，对保障黄河大堤安全性具有重要的实际意义。多数学者的研究主要集中于含水率或干密度对黄土、残积土及黏土强度特性的影响研究，如李永乐等[4]采用改进的非饱和土三轴仪，研究了不同含水率条件下的非饱和土抗剪强度特性。薛振声等[5]采用不固结不排水三轴试验，研究了含水率对粉质黏土强度的影响。王闯等[5]对三峡库区某边坡残坡积土进行不同含水率下的直剪试验，研究了含水率对其剪应力、位移以及强度的影响规律。张宁宁等[7]采用TS-526真三轴仪改造的平面应变仪,研究了非饱和黄土的变形和强度随着含水率的变化情况。刘星志等[8]通过GEO-Experts 压力板仪试验和直剪试验，研究了不同干密度下非饱和红土抗剪强度指标随含水率、基质吸力的变化特性。

仅少数学者[9-15]同时从含水率和干密度着手，研究了岩溶地区黄壤、固化黄土、红黏土、残积土等抗剪强度随含水率和干密度的变化规律，分别得出了相应的量化关系式。黄河堤防鄄城段作为堤身主要填筑材料的砂壤土，应具有良好的抗变形能力和抗渗透能力，以确保堤身能够长期处于稳定状态，这就需要深入地分析含水率和干密度对砂壤土抗剪强度的影响。笔者以山东黄河堤防鄄城县右岸某一堤段所取的砂壤土原状样为依托，通过室内试验及理论分析，研究含水率和干密度对砂壤土抗剪强度指标的影响规律。研究成果可为预测黄河下游堤防的稳定性提供参考依据，同时对确保大堤的安全性具有实际意义。

1 试样的制备及方法选取

1.1 土样的选取及制备

试验用土取自山东黄河堤防鄄城县右岸272—278堤段临河堤肩，通过钻孔取自不同深度的原状样。试验所用的试样是通过人工切削原状土样制成的，其标准试样的尺寸为39.1 mm×80 mm。取60组原状土样进行室内土工试验，测得原状土样基本物理指标见表1。其中，土体颗粒粒度成分中粉粒占81.2%,黏粒占8.8%,砂粒占10%，由三角坐标分类知堤身填土属于重粉质砂壤土。

表1 原状土样的物理性质指标

1.2 试验设备及方案选取

本次试验采用KTG全自动三轴压缩仪进行固结不排水剪(CU)试验。由击实试验测得砂壤土的最优含水率ωop=16.5%，试验中采用固结快剪法，剪切速率为0.3%/min ,剪切历时约为66 min，设置三级围压：轴向应变达到10%时，一级围压取50 kPa；轴向应变达到6%时，二级围压取200、300 kPa；轴向应变达到4%时，三级围压取400、800 kPa。试验过程中确保最后一级围压作用下的剪切累计应变量不超过20%。

2 试验结果与分析

2.1 含水率对抗剪强度变化的影响

选取室内土工试验的60组三轴试验成果，统计分析得到山东黄河堤防鄄城县局右岸堤段原状砂壤土含水率的变化对黏聚力、内摩擦角的影响规律，见图1、2。

图1 含水率对黏聚力的影响

图2 含水率对内摩擦角的影响

由图1可知，含水率和黏聚力呈三次函数关系，见式(1)，且表现出很好的相关性。当含水率在16.5%附近时，黏聚力达到最大值，含水率大于最优含水率16.5%后，黏聚力开始有下降的趋势。这是因为随着含水率增加到一定值后，土中自由水逐渐增多使得弯液面逐渐消失，毛细水压力减少，此时自由水的大量存在也削弱了土颗粒之间的相互吸引力，表现为基质吸力的降低，最终导致黏聚力的减小。

C=0.0096ω3-0.7593ω2+17.591ω-88.58

(1)

由图2可知，含水率和内摩擦角同样也呈三次函数关系，见式(2)，且表现出较好的相关性，相关系数R2=0.801 5。随含水率的增大内摩擦角减小，含水率和内摩擦角表现出非线性关系，当含水率较大时内摩擦角值明显减小。其原因是土颗粒周围的结合水存在。含水率增大，弱结合水水膜增厚，结合水的抗剪阻力减小，颗粒之间相互移动需要克服的粒间阻力必然也会减小，内摩擦角减小，含水率继续增大，离土颗粒较远的水越来越接近液态水直到变成自由水，润滑作用增强，土颗粒可以自由移动，因此，土体的内摩擦角会随含水率的增大逐渐减小。

φ=-0.0014ω3+0.1098ω2-3.285ω+54.08

(2)

图3为最优含水率16.5%下不同围压的(σ1-σ3)～ε1关系曲线。由图3可知，(σ1-σ3)～ε1关系曲线呈现应变硬化趋势，且应变硬化程度随围压的增加而越明显，同时围压越大，变形模量越大，试样在破坏时相应的塑性变形也会越大；试样在剪切过程中主应力差(σ1-σ3)随围压σ3的增加而明显增大，这说明最优含水率状态下围压的增加可以增强土体抵抗剪切破坏的能力。

图3 最优含水率下不同围压的(σ1-σ3)～ε1关系曲线

2.2 抗剪强度随干密度的变化

同样选取室内土工试验的60组三轴试验结果来统计分析砂壤土干密度的变化对黏聚力、内摩擦角的影响规律，见图4、5。

由图4可知，干密度的增大使得土样孔隙比减小，有利于土颗粒之间黏结力、分子力和吸引力的增加，同时土颗粒的排布越密，土颗粒之间的咬合力和摩擦力越大，即土样干密度越大，黏聚力越大。

由图5可知，砂壤土的内摩擦角随着干密度的增大而增大，但增大的速度要远比黏聚力相对干密度增大的速度小。其原因是当试样干密度较小时，土颗粒之间的孔隙比较大，土体内部孔隙的增多为土颗粒提供了大量的移动空间，使土颗粒在移动时所受到的摩擦阻力较小，即内摩擦角增大幅度较小，当试样干密度增大时，土颗粒间的孔隙比减小，土体变密，摩擦强度增大，内摩擦角增加；同时砂壤土的土颗粒属于细粒，呈圆球形状，摩擦强度本身并不大，因此干密度的增大对试样内摩擦角影响也相对较小。

图4 干密度对黏聚力的影响

图5 干密度对内摩擦角的影响

图6为最大干密度1.70 g/cm-3下不同围压的(σ1-σ3)～ε1关系曲线。由该曲线可知，三级周围压力作用下均呈现应变硬化趋势：其中，第一级围压、第三级围压试样破坏形式为强硬化型，第二级围压试样破坏形式为弱硬化型；随围压的增大土体承受剪切破坏的能力有所提高，同时随着剪切位移的增加，3种围压下试样的剪应力差值明显增大，而且高围压对试样剪应力的影响较大。

图6 最大干密度下不同围压的(σ1-σ3)～ε1关系曲线

3 结论

以山东黄河堤防鄄城县右岸272—278堤段的原状砂壤土样为研究对象，通过对其进行室内三轴试验，研究含水率和干密度对砂壤土抗剪强度指标的影响。

a) 最优含水率作用下围压的增加可明显提高土体的抗剪强度。

b) 最大干密度作用下，试样在剪切过程中的主应力差(σ1-σ3)随围压σ3的增加而明显增大，表明围压的增加可以增强土体抵抗剪切破坏的能力。

c) 砂壤土的抗剪强度指标——黏聚力、内摩擦角分别与含水率呈三次函数关系，都表现出随着含水率的增大先增后减的变化趋势，其中，最优含水率附近黏聚力达到最大值，含水率对内摩擦角的影响相对于黏聚力较小。

d) 砂壤土的干密度与抗剪强度指标间呈线性函数关系，干密度越大，黏聚力和内摩擦角越大；同样地，干密度对内摩擦角的影响要小于对黏聚力的影响。