基于应力修正法的黏土抗剪试验因素研究

杨皓然，易佳向

(1.重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074；2.重庆科技学院建筑工程学院，重庆 401331)

黏土作为常见的一类工程软土，广泛分布于重庆、四川、湖南等地区。在边坡工程、基坑工程以及水利工程的施工建设中，都难免会涉及到黏土土层。由于黏土层中富含蒙脱石和亲水性极强的伊利石、水云母和高岭石等矿物，浸水易膨胀、失水易收缩，吸水后强度快速衰减而成为易滑地层[1]。同时伴随着地质体强烈构造作用及人类因素影响，工程中的黏土层或多或少都夹杂一定数量的砾石而形成一种复合土石体，其颗粒粒径相差悬殊、级配分布广、不均匀系数大[2]。砾石粗颗粒与土中孔隙嵌合构成骨架效应，易使其抗剪强度受到影响。于此大多数赋存黏土层的边坡体，由于受到连续降雨入渗及内部砾石含量的影响，如未及时进行加固处理，就很容易发生滑动坍塌。

黏土体的抗剪强度由黏聚强度及摩擦强度构成，其黏聚力c与内摩擦角φ代表着土体抗剪强度的主要力学指标。从以往研究[3-7]不难发现，不同含水率及砾石掺量对黏土的内摩擦角及黏聚力都存在一定影响。因此为了预防此类黏土层体发生滑塌等工程地质灾害，探究其抗剪强度参数随含水率及掺砾率的演化规律就很有必要。目前国内实验室中主要采用直接剪切试验、三轴压缩试验与环剪试验等方法测定土体抗剪强度指标[8]。其中三轴压缩试验虽能明确土体应力状态且具有较高的精度，但操作复杂，试验周期长，且受边界条件影响大。而直剪试验由于设备简单，操作方便，经济易行，被广泛应用于各工程领域。然而胡黎明等[9]发现在剪切位移逐渐增大的直剪试验过程中，剪切面上的有效面积减小会导致试样所受正应力呈现增大趋势，从而使试验结果产生一定的误差。因此余凯等[10]总结了前人研究成果，将直剪试验数据的修正方法分为单点和多点应力面积修正法。张亮亮等[11]通过分析直剪试验中剪切面积减小对结果数据的影响，发现抗剪强度参数的误差随剪切位移的增大而提高。程磊等[12]基于单点应力面积法研究了麦秆土抗剪强度指标随麦秆含量的变化规律。

因此，为了提高直剪试验数据的准确性与可靠性，引入单点面积应力修正法[10]，选取重庆地区具有代表性的黏土，探讨其在不同含水率及掺砾率下抗剪强度及参数的变化规律。

1 试验准备

试验用土取自重庆交通大学南约29 km的某建筑工地，是重庆地区典型的黏土，其基本物理性质及颗粒级配见表1。试验所用仪器为DZ-4型应变控制式直剪仪，见图1。选取快剪方式，调整剪切速率为1.2 mm/min，分别对击实后内径为61.8 mm、高度为20 mm的圆柱试样施加100、200、300、400 kPa的法向正应力。之后观察仪器转轴，转轴每转动一周，读取量力环内测力计数一次，直至试样破坏或剪切位移达到6 mm为止，试样剪坏后见图2。

表1 黏土的基本物理性质

a)试验装置

b)剪切过程

图1DZ-4型应变控制式直剪仪

图2 试样剪坏后

2 试验方案

保持黏土干密度不变，参照GB/T 50123—1999《土工试验方法标准》[13]利用DZ-4型应变式直剪仪分别在法向正应力为100、200、300、400 kPa下对含水率为10%、12%、14%、16%、18%的黏土试样进行直接快剪试验，并采用单点面积应力修正法[10]对试验结果数据进行修正，得出修正后土样的c、φ值。同时保持一定含水率，分别掺入5%、10%、20%、30%、50%粒径大小在1～2 mm的砾石，观察修正后的c、φ值随掺砾量的变化特征，以此探讨含水率及砾石掺率对重庆地区典型黏土抗剪强度及参数的影响规律。试验方案见表2。

表2 试验方案

3 试验结果分析

3.1 不同含水率及掺砾量下黏土的抗剪强度

根据土力学中经典的Mohr-Coulomb强度准则，在一定应力范围内可用式(1)建构出正应力与剪应力的关系曲线，从此式中可见土体强度由c和tanφ两部分组成。

τf=c+σ·tanφ

(1)

式中τf——土体的抗剪强度，kPa；σ——剪切面上的法向正应力，kPa；c——土体的黏聚力，kPa；φ——土体的内摩擦角，(°)。

黏土试样分别在含水率为10%、12%、14%、16%、18%情况下的直剪试验结果见表3、4。

表3 不同含水率抗剪强度值

表4 不同含水率抗剪强度指标

保持含水率12%不变，取粒径大小为1～2 mm的砾石，对含砾率为5%、10%、20%、30%、50%的黏土试样进行直接快剪试验，试验数据见表5、6。

表5 不同掺砾率抗剪强度值

表6 不同掺砾率抗剪强度指标

3.2 基于单点面积应力修正后的抗剪强度

余凯等[10]通过总结何满潮等[14-17]对直剪试验的相关修正方法，进一步分析了试样在受剪过程中有效剪切面积与正应力的关系，并于此提出了单点面积应力修正法，运用式(2)、(3)分别对剪应力及正应力进行修正，有效减少了直剪试验所得土体抗剪强度参数的误差性。

(2)

式中τf′——修正后的剪应力，kPa；A0——试样的截面面积，mm2；A2——试样上下部土体接触面积，mm2；β=A0/A2——剪应力修正系数。

(3)

式中σ′——修正后的正应力，kPa；β0=l(1-β)/s——正应力修正系数；s——土体剪切位移，mm；l——上部剪切土体高度，mm；C——测力计系数，N/0.01mm；R——测力计量表读数，0.01 mm。

表7 正应力和剪应力修正系数

通过对内径61.8 mm，高度为20 mm的黏土试样进行应变控制式直剪试验，得到正应力和剪应力修正系数随剪切位移关系见表7。不同含水率下抗剪强度数据经单点面积应力法修正后见表8、9；不同掺砾率下抗剪强度数据修正后见表10、11。

表8 修正后不同含水率抗剪强度值

表9 修正后不同含水率抗剪强度指标

表10 修正后不同掺砾率抗剪强度值

表11 修正后不同掺砾率抗剪强度指标

3.3 修正后含水率对黏土抗剪强度的影响

用最小二乘法对修正后的试验结果数据进行拟合，不同含水率下试样抗剪强度关系见图3，黏聚力与内摩擦角随含水率变化关系见图4、5。

图3 不同含水率下抗剪强度拟合

图4 含水率与黏聚力关系曲线

图5 含水率与内摩擦角关系曲线

图3和表8表明，随着含水率不断升高，黏土的抗剪强度值呈现降低的发展趋势，因此高含水率对黏土的抗剪强度有不利影响。从图4、图5、表4、表9可知，经单点面积应力法修正后黏土黏聚力较修正前提高了8.29%，内摩擦角较修正前提高了15.97%，进一步说明了未经修正的直剪试验所得抗剪强度指标存在一定误差且小于实际值。同时含水率处于10%～12%这个阶段，试样的黏聚力呈现增大趋势。而含水率超过12%时，黏聚力则随含水率的增大而减小，且变化迅速。图5表明该黏土试样内摩擦角随着含水率的增大呈现下降的趋势，但变化相对平缓。总体而言，含水率对黏土抗剪强度的影响，主要在于对其黏聚力产生较大影响，而对其内摩擦角的影响却较小。原因在于随着含水率的增加，黏土内的孔隙被水填充，导致土粒之间的胶结作用减弱，从而降低了其抗剪强度。但水分含量在12%时，黏聚力取得较优值，该黏土土体的抗剪性能取得较好效果。

3.4 修正后掺砾率对黏土抗剪强度的影响

同样采用最小二乘法线性拟合出不同掺砾率下试样抗剪强度，见图6；黏聚力与内摩擦角随掺砾率变化关系见图7、8。

从图7、图8、表6、表11可以看出，不同的砾石掺率下，经单点面积应力法修正后黏土试样的黏聚力及内摩擦角均得到了提高，其黏聚力较修正前提高了11.66%，内摩擦角较修正前提高了13.73%。表10和图6反映出，当砾石掺率不超过10%时，黏土的抗剪强度随着砾石含量的增加而不断减小；当砾石掺率超过10%以后，随着砾石含量的增加，黏土的抗剪强度逐渐增大，并趋于稳定。因此当砾石掺率不超过30%时，砾石量对黏土抗剪强度有较大影响，而砾石掺率超过30%以后，砾石量对抗剪强度的影响将变弱。同时图7表明砾石含量对黏聚力影响显著，砾石掺率在20%～30%阶段下降明显，至30%后对试样黏聚力影响较弱。原因在于当砾石含量超过一定程度后，砾石之间开始形成骨架作用，骨架间的孔隙过大，细粒含量不足以填充骨架间的孔隙，以至于颗粒间的胶结能力明显减弱。图8中内摩擦角随砾石含量的增大，呈现缓慢增大的趋势，表明掺砾量对黏土体的内摩擦角影响较小。

图6 不同掺砾率下抗剪强度拟合

图7 掺砾率与黏聚力关系曲线

图8 掺砾率与内摩擦角关系曲线

4 结论

基于单点面积应力修正法，开展不同含水率及掺砾率对重庆地区典型黏土影响的直剪试验，主要结论如下。

a) 基于单点面积应力法修正后，黏土试样在不同含水率下的黏聚力较修正前提高了8.29%，内摩擦角较修正前提高了15.97%；而不同掺砾率下试样的黏聚力较修正前提高了11.66%，内摩擦角较修正前提高了13.73%。

b) 黏土的抗剪强度随着含水率的增大而呈现下降趋势。

c) 砾石掺率不超过10%时，随着砾石含量的增加，黏土的抗剪强度不断减小；砾石掺率超过10%以后，随着砾石含量的增加，黏土的抗剪强大逐渐增大，并趋于稳定；当砾石掺率超过30%后，砾石量对抗剪强度的影响将减弱。

d) 随着含水率的增大，黏土试样的黏聚力呈现先增大后减小的趋势，而内摩擦角呈现缓慢下降趋势。

e) 随着掺砾率的增大，黏土试样的黏聚力总体呈现先上升后下降的趋势。其中砾石掺率在20%～30%阶段时，试样的黏聚力急剧下降；掺率在30%后，黏聚力趋于稳定。内摩擦角随掺砾量的变化，呈现缓慢上升趋势。

f) 含水率和掺砾率对黏土的黏聚力影响较大，而对内摩擦角的影响较小。