崩岗侵蚀区非饱和花岗岩残积土强度特性试验研究

罗小艳，扶名福

(1.江西科技师范大学建筑工程学院，江西南昌330013；2.南昌大学建筑工程学院，江西南昌330031)

0 引 言

崩岗是华南地区土壤侵蚀严重的类型，导致严重的水土流失。赣南山区是崩岗侵蚀的重灾区，该区域分布大量的花岗岩残积土，细粒含量较多，结构疏松，裂隙发育。花岗岩残积土存在大量的原生裂隙，在外界条件影响下容易引起次生裂隙发育，物理力学性质受水的影响显著，遇水后力学强度急剧降低，易发生软化崩解[1-2]。陈晓安[3- 4]、张晓明[5]、林敬兰[6]、林金石[7]等对崩岗区土体的物理性质、抗剪强度等进行了研究，并取得了一定的成果。大量研究表明，基质吸力对各类土的强度等特性具有较大的影响[8-10]。当前，关于花岗岩残积土的非饱和土特性，主要开展了一些物理特性和剪切特性[11]、崩解[12]、结构性[13]、土水特征曲线[14]等研究，较少开展其非饱和土强度特性的试验工作。众所周知，土中含水率受当地气候影响，降雨入渗使土体含水率增加，导致土中的基质吸力降低[15]，从而影响到土体的强度特性。崩岗侵蚀区的侵蚀防治、降雨条件下的边坡稳定性分析等问题都涉及到非饱和土强度特性。因此，有必要深入开展非饱和花岗岩残积土试验研究。

本文以崩岗侵蚀区的花岗岩残积土为研究对象，采用非饱和三轴试验，对不同干密度、不同净围压和不同基质吸力下的偏应力-轴向应变关系和强度特性进行分析，探讨各因素对其力学性质的影响，以期加强对花岗岩残积土强度特性的认识，为崩岗侵蚀区治理提供参考。

1 试验土样与方法

试验用土取自江西省赣州市于都县金桥村附近的崩岗侵蚀区，在浅层地表以下0.5 m取土，土样基本物理性质指标见表1。采取X-射线衍射仪获得其矿物成分：石英(SiO2)含量为62.1%、高岭石(Al2Si2O5(OH)4)为26.1%、三水铝石(Al(OH)3)为9.6%。

表1 土样基本物理性质指标

为探讨干密度、净围压和基质吸力对花岗岩残积土变形和强度特性的影响，采GDS仪器设备有限公司生产的非饱和土三轴仪，进行控制基质吸力的非饱和土固结排水剪切试验，基质吸力平衡判别标准为连续24 h内反压体积的变化量小于50 mm3，试验控制剪切速率为0.015 mm/min。

将土样晾干碾碎，过2.0 mm筛以去除大颗粒。试样采用重塑土样，初始含水率为20%。采用三开模进行分层打样，共分5层击实，各层之间刮毛，使土层良好衔接，按设定的干密度制样。三轴试样的尺寸为：直径39.1 mm，高度80 mm。对试样进行抽气真空饱和，即试样初始状态均为饱和样。为研究基质吸力和干密度对应力-应变关系和强度的影响，本次试验设计制备3个干密度状态，共6组：第1组土样干密度为1.50 g/cm3，基质吸力为50 kPa；4组土样干密度为1.60 g/cm3，试验控制的基质吸力分别为0(饱和样)、50、100、200 kPa(土样编号分别为第2、3、4、5组)，用于对比分析基质吸力对非饱和土强度特性的影响；第6组土样干密度为1.65 g/cm3，基质吸力为100 kPa。

控制基质吸力非饱和土固结排水剪切试验分基质吸力平衡、等吸力固结和剪切破坏3个阶段。赣南山区为亚热带季风性湿润气候区，土壤基质吸力多为50～200 kPa，故在基质吸力平衡阶段，对饱和样脱湿，基质吸力分别取50、100、200 kPa等3个等级，为更好地分析基质吸力对强度特性的影响，还进行饱和土样(基质吸力为0)的三轴试验。等吸力固结阶段是在吸力保持不变的条件下进行固结，在试验中分别取净围压50、100、200 kPa；在剪切破坏阶段，最大轴向应变控制在15%。

2 结果分析

2.1 应力-应变关系

基质吸力对非饱和土强度特性有重要影响[16]，直接影响非饱和土的强度特性。图1给出了干密度为1.60 g/cm3的试样在同一基质吸力ψ下，不同净围压的偏应力(σ1-σ3)与轴向应变εa关系。图中，ua为孔隙气压力。从图1可知，在剪切的初始阶段，偏应力随着轴向应变的增大而迅速增大，发展到一定程度时，其偏应力趋于稳定；花岗岩残积土的应力-应变曲线呈硬化型特性，为双曲线型，只有在低围压(50 kPa)、高基质吸力(200 kPa)下呈现出应变软化特性；土颗粒之间的连结强度在低围压时较低，颗粒较为松散，容易发生移动；土颗粒之间的连结强度在高围压时较高，相对较为密实，颗粒不易发生移动。因此，基质吸力相同时，随着净围压的增大，相同应变对应的偏应力也越大，土样的强度也越大，且增大明显。

图1 不同基质吸力下土样偏应力-轴向应变关系

图2为2种干密度和基质吸力组合在不同净围压下的偏应力(σ1-σ3)与轴向应变εa关系。对比相同基质吸力、不同干密度的应力-应变关系发现，干密度较小时(1.50 g/cm3)的应力-应变关系也呈硬化型，而在干密度较大时(1.65 g/cm3)出现应变软化。净围压相同时，干密度为1.50 g/cm3试样在基质吸力为50 kPa时偏应力比干密度为1.65 g/cm3的饱和样(基质吸力为0)的偏应力要大，这说明基质吸力使土样中含水率减少，提高了土样的强度。增大土样中基质吸力有利于提高土体的强度，体现了基质吸力对非饱和土强度的贡献度。基质吸力相同时，对比不同干密度的应力-应变关系发现，干密度越大，强度也相应越大。

图2 不同干密度下土样偏应力-轴向应变关系

图3是干密度为1.60 g/cm3的试样，在不同基质吸力下的偏应力(σ1-σ3)与轴向应变εa关系。从图3可知，在低围压(50 kPa)时，随着基质吸力的增大，试样破坏特性有从硬化型向软化型过渡的趋势，因此基质吸力对土样的破坏形式有较大的影响。净围压相同时，土样产生相同应变对应的偏应力随着基质吸力的增大而增大，且其强度明显提高，反映出非饱和土的应力-应变关系受基质吸力影响较大。

2.2 抗剪强度特性

通过控制基质吸力三轴剪切试验可知，基质吸力对非饱和花岗岩残积土的强度特性有显著影响。Fredlund强度公式是非饱和土抗剪强度理论的经典公式，以Mohr-Coulomb准则为基础，引入了土壤学中基质吸力的概念，其双应力变量非饱和土抗剪强度τ表达式为[17]

τ=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(1)

式中，(σ-ua)为净竖向应力；(ua-uw)为基质吸力；uw为孔隙水压力；c′为有效粘聚力；φ′为有效内摩擦角；φb为与基质吸力相关的摩擦角，反映抗剪强度随基质吸力而增加的速率。

图3 不同净围压下土样偏应力-轴向应变关系

土体的应力-应变关系呈硬化型时，采用轴向应变为15%时对应的最大主应力差值作为强度取值标准；呈应变软化型时，出现主应力差峰值，则取峰值。各组试样整理结果见表2，从表2可知，干密度对非饱和土的强度指标影响较大，随着干密度的增大而强度增加；非饱和花岗岩残积土的粘聚力c′的增长与基质吸力的增长基本呈线性增长关系；而该类土的内摩擦角φ′随基质吸力的变化较小，基本可以视为常数。文献[18-19]在进行非饱和土强度试验时也获得了同样的结果。基质吸力的增加使非饱和土的抗剪强度增加，其对抗剪强度指标的影响主要是提高了土的粘聚力。

图4为粘聚力与基质吸力关系。 从图4可知，干密度为1.60 g/cm3时，非饱和土抗剪强度参数φb=36.1°，tanφb表示为抗剪强度随基质吸力的变化速率，φb越大，说明花岗岩残积土强度受基质吸力的影响很大。正是由于吸力的存在，使非饱和土体的结构力增强，强度增加。降雨入渗使土中含水量增加，导致基质吸力丧失，从而使抗剪强度快速降低，促进崩岗侵蚀的发育。这可用来解释花岗岩残积土在干燥时具有很高的强度，而在雨季，由于降雨入渗导致粘聚力快速下降，强度降低，从而加快了水土流失。

表2 试验方案与结果

图4 粘聚力与基质吸力关系

3 结 语

本文基于控制基质吸力的非饱和土三轴试验，对花岗岩残积土变形和强度特性进行了研究，得出了以下结论：

(1)基质吸力、净围压和干密度对非饱和花岗岩残积土的应力-应变关系有较大影响。崩岗侵蚀区非饱和花岗岩残积土的应力-应变关系呈应变硬化型，在基质吸力高、净围压低时会出现应变软化现象。

(2)土样的强度随净围压和基质吸力的增大而提高；干密度相同时，有效内摩擦角随基质吸力的变化影响较小，几乎可以视为常数，但对有效粘聚力影响大，且随基质吸力增大呈线性增长。

(3)崩岗侵蚀区的非饱和花岗岩残积土抗剪强度受基质吸力影响很大，干密度为1.60 g/cm3时，非饱和土抗剪强度参数φb=36.1°。降雨入渗使土中含水量增加，导致基质吸力丧失，使抗剪强度快速降低，促进崩岗侵蚀的发育，在雨季加快了水土流失。