含水率对非饱和土抗剪强度试验研究

闫 奇，李义衡，许誉浩

(1.黑龙江科技大学 建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨150022；2.黄河勘测设计院研究院有限公司 岩土工程事业部工程公司，河南 洛阳 471000)

滑坡是常见且频发的工程问题之一。18世纪，莫尔(Mohr)在库伦(Coulomb)建立土强度理论的基础上建立了土的莫尔-库伦强度理论，自此奠定了土质边坡稳定分析的基础。近年来，许多工程实例表明，非饱和土抗剪强度的变化是产生滑坡的主要原因，大雨、冰雪融化影响下的滑坡灾害更是频频发生。对此，国内外针对滑坡体含水量的变化导致滑坡体抗剪强度及其参数指标下降问题进行大量的试验研究及理论分析。在试验研究方面，黄琨[1]等对欠固结第三系粉砂土进行不同含水率状态下的直剪试验，研究不同含水率对内摩擦角、黏聚力等抗剪强度指标的影响；Soonkie Nam[2]等采用多级直剪试验法测定非饱和土的抗剪强度变化规律；穆锐[3]、张培培[4]等分别对红黏土进行不均匀含水率、不同含水率条件下抗剪强度指标试验研究，并提出含水率20%是红黏土抗剪强度减小快慢的分界点；何江[5]通过控制非饱和膨胀土基质吸力三轴剪切试验，验证拟合关系表达式合理性及适用性。理论研究方面：方薇[6]针对广泛使用Fredlund 非饱和土抗剪强度包络面，考虑抗剪强度与净法向应力、基质吸力非线性关系，提出非饱和土非线性强度包络壳模型；刘昭希[7]采用室内土工试验与理论分析方法，拟合出抗剪强度参数随含水率变化曲线表达式，得出荆江河岸黏土黏聚力在临界含水率存在峰值。

综合分析前人对不同含水率下非饱和土抗剪性质试验及成果，以哈尔滨某边坡黏土为主要研究对象，利用室内土工试验对取样黏土进行基本物理力学性质测试。在此基础上依据土工试验方法标准[8]制备不同含水率的环刀试样，分别对不同含水率试样进行直剪试验、滤纸法测定土水特征曲线试验，计算出不同含水率下黏土抗剪强度参数指标，绘制不同含水率下抗剪强度随基质吸力变化关系曲线，定量分析非饱和黏土抗剪强度随含水率变化曲线。

1 黏土基本物理力学性质

试验土样取自哈尔滨地区某黏土边坡，对所取黏土试样进行一系列土力学试验。试验结果如表1所示。

表1 土样基本物理力学参数表

对所取天然土样进行烘干处理，用橡皮锤锤击大颗粒土块，然后过规格为2 mm筛，2 mm筛下土样占总土样90%以上。对筛下的细颗粒部分进行细筛分析，采用孔径2.0、1.0、0.5、0.25、0.1 mm标准筛对烘干土样进行筛分试验。

黏土试样粒径范围占总质量百分比如表2所示，粒径级配累积曲线如图1所示。计算得其不均匀系数Cu=14.8和曲率系数Cc=0.828，属不连续级配，缺失0.1～0.25 mm中间粒径。

表2 不同粒径范围质量百分比

图1 黏土的粒径级配曲线

2 非饱和土抗剪强度理论

2.1莫尔-库伦强度理论

莫尔-库伦破坏准则认为破裂面上土的抗剪强度与正应力为单值函数：

τf=F(σ)

(1)

当正应力未达到破坏值时，则表现为线性函数关系，表达式为：

τf=c+σtanφ

(2)

式中：τf为土的抗剪强度；c为黏聚力；σtanφ为摩擦强度;φ为内摩擦角。

2.2 扩展的莫尔-库伦准则

莫尔-库伦准则理论，由于其计算简单得到广泛的应用。大量试验结果表明，无论是黏性土还是非黏性土试样的破坏形式都比较接近这一强度理论，但仍存在一些差别。人们逐渐发现莫尔-库伦准则的局限性，通过对三轴、直剪等设备进行改进，研究土的抗剪强度与孔隙气压力、孔隙水压力关系变化关系。在原来基础上，总结提出扩展的莫尔-库伦准则。

τf=c′+ (σ-ua)ftanφ′+(ua-uw)ftanφb

(3)

式中：(σ-ua)f为破裂面净法向应力；(ua-uw)为基质吸力；c′，φ′分别为有效黏聚力、内摩擦角；φb为对应基质吸力的内摩擦角，反映抗剪强度增长率与基质吸力的关系。

3 试样制备方法

对重塑土样先制备一定含水率的环刀试样，在烘干或浸润过程中环刀试样整体含水率难以均匀下降或上升，可能导致环刀试样在“吸水”“失水”过程中出现不均匀含水率环刀试样,故采用“控制干密度法”制备试样。测得所取土天然含水率为13.7%，将天然土样放入恒温干燥箱进行烘干处理,将烘干土样过2 mm标准筛进行筛分试验并称量分组。称量出5组烘干土样，用烧杯量取所需水量，分别配置含水率为13%、16%、19%、22%、25%的土样。每组试样制备5个，用玻璃棒将烘干土样与水充分接触。最后将制备好的土样置于准备好的恒温保湿瓶中静置7 d，尽可能让烘干土样与水浸润，以达到含水量均匀分布。为了确保每组所取土样的含水率相同，本文通过控制湿土样干密度法，利用公式(4)计算所需湿土样，将称量出的湿土样通过“压样法”制备环刀土样，对环刀试样表面处理，并将制备环刀试样上下表面盖上玻璃片在恒温保湿瓶中静置一昼夜。

m0=(1+0.01ω0)ρdV

(4)

式中ρd为试样干密度；V为试样体积(环刀体积)；ω0为制样要求含水率；m0为制样所需湿土质量。

4 结果分析

利用Origin制图软件对5组不同含水率峰值采样点进行线性拟合，拟合度相关系数分别为0.985、0.995 4、0.977 7、0.993 1、0.986 2，均接近于1，说明采样点线性相关。根据摩尔-库伦强度理论，拟合直线在剪应力坐标轴截距为黏聚力c，直线斜率为内摩擦角φ的正切值，结果见图2。最后将直剪完成后的土样对备用试样做含水率的测定，结果分别为12.87%、16.10%、18.94%、20.73%、24.8%，同时说明5组试样含水率符合设定含水率的要求。

4.1 不同含水率对黏聚力的影响

黏土属于工程细粒土类,依据抗剪强度的库仑定律，与无黏性土相比最大的区别在于是否存在黏聚力。黏土土粒间黏聚力包括静电引力、范德华力、颗粒间胶结力等，这些力在宏观研究方面统称为黏聚力。含水率对黏聚力的影响见图3。

由图3可知：土样在天然含水率(13.7%)状态附近时，随着含水率的增加波动幅度较小；含水率上升至19%左右时，黏聚力值在30 kPa左右平缓波动；当含水率继续上升，试样的状态发生明显的变化，此时黏土试样在可塑状态附近，在含水率上升至22%时，黏聚力下降幅度50%；当含水率上升至28%左右时，制备试样快接近软塑状态，已经无法承受300 kPa的法向压力，不能进行常规直剪试验。

4.2 不同含水率对内摩擦角的影响

内摩擦角则广泛存在于黏性土及无黏性土，主要包括土颗粒间的表面摩擦力以及颗粒间紧密排列的咬合力。含水率对内摩擦角的影响见图4。

图3 黏聚力与含水率关系曲线 图4 内摩擦角与含水率关系曲线

由图4可知：黏土试样受剪时，试样土中间受剪面的上下颗粒间存在宏观方面的摩擦力，其三相特征在含水率增加时，孔隙逐渐被水填充，随着含水率的增加内摩擦角呈逐渐下降趋势。含水率13%时，内摩擦角最大约为18.3°。随着含水率的不断增加，内摩擦角变化与黏聚力表现不同，主要呈对数线关系下降，无峰值点出现。含水率从13%下降至20%时，内摩擦角下降较快，当试样土到达可塑状态附近时，含水率增量相同，内摩擦角的下降幅度降低，符合陈高峰[9]等广义内摩擦角随含水率的变化情况。

4.3 土水特征曲线测定

为了探究不同含水率下基质吸力对非饱和黏土抗剪强度的影响。采用国产“双圈”定量No.203慢速滤纸对非饱和黏土试样进行土水特征曲线测定，参考学者白福清[10]测得的No.203率定曲线，计算并绘制不同含水率下基质吸力关系曲线，如图5所示。

4.4 不同含水率对基质吸力的影响

随着人们对非饱和土强度的深入研究，利用现代科技手段对直剪、三轴等设备进行改善，通过控制非饱和土孔隙气压力和孔隙水压力，对抗剪强度变化和基质吸力状态变量做进一步研究。

由图5可知：含水率上升时，黏土基质吸力主要呈现下降趋势。为了进一步分析变化趋势进行Origin数据非线性拟合，拟合关系曲线表达式为：

lgh=1.80+0.051ω0-0.00346ω02

(5)

式中：h为基质吸力。

由式(5)可知：含水率较低时，基质吸力取决于拟合公式常数项；含水率较高时，基质吸力则取决于二次项部分；试验土样含水率测得范围内，基质吸力整体呈凹线下降趋势。

4.5 基质吸力对非饱和土抗剪强度参数的影响

为了进一步研究含水率上升过程中，非饱和土抗剪强度参数与基质吸力的关系。绘制不同含水率下黏聚力、内摩擦角与基质吸力变化曲线，如图6所示。

图5 黏土总吸力、基质吸力与含水率关系曲线 图6 黏聚力、内摩擦角及基质吸力与含水率关系曲线

由图6可知：含水率上升时，基质吸力对黏土抗剪强度参数的影响程度主要分为两部分：当含水率为13%～19%时，含水率增加，基质吸力和内摩擦角下降程度相近，黏聚力变化较为平缓，此时抗剪强度下降主要因内摩擦角下降；当含水率大于19%时，基质吸力、黏聚力、内摩擦三者下降趋势相近，此时抗剪强度下降与基质吸力下降程度一致。

5 结论

通过对不同含水率下非饱和土抗剪强度影响试验研究，得出以下结论：

(1)含水率上升时，非饱和黏土黏聚力和内摩擦角变化并非单一曲线关系，黏聚力比内摩擦角受含水率影响更严重，当含水率在19%～22%间上升时，内摩擦角下降约25%，而黏聚力下降幅度则为2倍；从施加50 kPa法向应力来看，含水率大于19%时，黏土抗剪强度参数及抗剪强度包络线低于稳定状态。

(2)含水率对非饱和土的抗剪强度影响主要体现在黏聚力指标参数方面，当黏土含水率在13%～19%附近时，黏聚力较稳定；含水率通过基质吸力对抗剪强度的影响主要体现在内摩擦角方面，对非饱和黏土抗剪强度影响较小；含水率为19%～25%时，黏土试样接近可塑状态，此时含水率通过基质吸力对非饱和黏土抗剪强度下降影响较大，三者同步快速下降。

(3)非饱和黏土含水率上升时，基质吸力变化可作为重要参考因素，含水率为19%～25%时，基质吸力是含水率对黏土抗剪强度变化的重要影响因素。受试验制样过程中压实度、试验设备等限制因素影响，并未对不同含水率下净法向应力及孔隙气压力进行测定，所测得的含水率通过基质吸力影响抗剪强度的关系曲线有待进一步试验验证。