海口红黏土大型单剪试验研究

冯钰洁，汪峻峰，李光范，刘孟勇，江瑞峰，刘佳鑫，姚思路，王 赢，杨郁豪

(海南大学土木建筑工程学院，海口 570228)

随着中国基础设施建设如火如荼地开展，滑坡、路基滑塌等的发生更是屡见不鲜，这些地质灾害的发生也给当地的发展建设造成一定程度的影响。在热带地区，如海南，红黏土是分布最为广泛的土壤之一。由于红黏土具有特殊的物理力学性质，如高含水率、高塑性和明显的胀缩性[1]，因潮湿多雨的地区特色，在多日连续降雨后造成红黏土边坡含水率增大、强度显著下降，极易发生浅层的边坡滑塌，给当地居民的生产生活造成一定的危害[2-3]。因此，在海南地区开展基础建设前很有必要进行边坡、路基的稳定性评价。

土的抗剪强度指标——抗剪强度、黏聚力及内摩擦角是稳定性评价的重要基本力学参数[4]。含水率的变化对红黏土的抗剪强度指标与剪切破坏区域有显著的影响。目前，许多学者就含水率对土体的影响利用不同仪器进行了大量试验研究[5-13]。杨庆等[5]对大连红黏土及南京膨胀土控制其干密度、改变含水率进行直剪试验发现，红黏土与膨胀土的内摩擦角和黏聚力与含水率的联系，分别可以近似用对数和二次函数来表示；黄琨等[6]对欠固结的第三系粉砂土的原状和重塑土样进行直剪试验发现，随含水率的增加，土的抗剪强度降低，对土的黏聚力的影响较大；赵蕊等[7]对贵阳地区以击实法制备的重塑红黏土样进行不固结不排水的三轴试验(UU)发现，含水率与其抗剪强度及其抗剪强度指标负相关，含水率与抗剪强度为二次函数关系，与黏聚力及内摩擦角为阶梯负相关关系。

虽然直剪试验具有简单实用、试样小、固结快、试验历时短的优点[14]，但不足之处在于被人为固定的剪切面并不一定是试样的最软弱面，且剪切面的应力状态复杂、应力应变分布不均等。而三轴试验虽能反映试样受力破坏的全过程、试样内应力应变较均匀、破坏面非人为固定且能较好的控制排水条件，但试样在三轴试验中为轴对称受力状态，此时土的力学性质不具有广泛代表性[14]。单剪仪继承了直剪仪简单易行的优点又克服了人为固定剪切面的缺点且单剪试验中土样的剪切破坏是各向异性的，能更好地模拟实际工程中土的受剪破坏而受到学者们的青睐[15]。目前对于单剪试验的应用主要集中在不同结构体接触面的相互作用机制上，而对于土体自身的纯单剪破坏的研究较少[16-17]。吴明等[16]归纳对比了单、直剪试验的优缺点并进行了不固结不排水下的单、直剪试验，得到了单剪试验中压实土的黏聚力比直剪中低20.3%、内摩擦角低5°的结论；Atijit等[17]研制了一种大型单剪仪用于测试利用水泥桩进行软基加固后的地基整体抗剪强度，发现钢管混凝土的破坏主要由倾斜与弯曲造成，且提出了一种修正的加权平均抗剪强度方程。但Atijit研制的大型单剪仪高度仅有16.5 cm，不利于本课题后续试验中对植被护坡中根系纵向受力情况的研究。

针对上述问题，为探究植被护坡中土体和根系的受力情况和根系的阻滑效应，现自行设计加工适用于根土复合体的大型单剪仪[18]对海南地区不同含水率的红黏土进行室内重塑土样的大型单剪试验，探讨在不同含水率条件下热带地区红黏土抗剪强度、黏聚力、内摩擦角的变化特征与剪切破坏区域的变化。并利用室内小型直剪仪同步进行快剪试验以验证单剪试验可靠性。

1 试验

1.1 试验土样

试验土样取自海口市美兰区某边坡填土，取土深度为2～3 m，土样呈砖红色，土质均匀，有少量杂质。试验用红黏土的基本物理参数指标如表1 所示。

表1 红黏土的基本物理参数指标

1.2 试验仪器

单剪试验采用自行设计的适用于根土复合体的大型单剪仪，仪器设计图如图1所示，试验系统如图2所示。试验系统主要由四个子系统组成，分别为垂直加载系统、水平剪力加载系统、受剪主体、位移测量系统。此自制大型单剪仪尺寸为40 cm×40 cm×52 cm，设计大尺寸模型试验的主要目的在于利用大型仪器能更好地模拟浅层滑坡在不同含水率条件下的剪切破坏带变化并减小尺寸效应带来的误差。

图1 大型单剪仪设计图

图2 大型单剪仪实物

试验土样装填在如图所示的13个4 cm高的叠盒内，单剪仪最底部叠盒下焊接4个有水平轨道的滑轮，用以提供水平向运动轨道并减少摩擦。叠盒用软胶棒串联为一个整体，起到协同整体运动的作用，叠盒与土样共同组成受剪主体，13个叠盒形成了12个可能滑动面，能直观地展示土体的剪切破坏带。垂直压力作用在试样顶部，利用千斤顶经加压盖板对土样提供法向压力；水平剪切力作用在试样的底部，利用千斤顶对受剪主体提供水平剪切力，最顶部叠盒通过螺杆与反力架相连并固定，与法向压力一同作用形成上部固定端。此时受剪主体上端固定，下端由水平推力的作用下沿轨道运动，此时土体受到单剪作用。测量系统分为两个部分：应力测量装置和位移测量装置，应力测量装置由一个TS3860电阻应变仪和两个BLR-1型压力传感器组成，分别监测法向压力和水平剪切力；位移测量装置为一个YHD-100型位移计和一个TS3860电阻应变仪组成，用于在试验过程中监测水平位移，位移计放置在最底部叠盒处，用于测量受剪主体的总体剪切位移。在恒定的法向荷载作用下，试样在水平方向受到剪切力，从而使土样产生单剪破坏。

直剪实验采用ZJ型应变控制式直剪仪进行快剪试验，剪切速率设置为12 rad/min，抗剪强度的取值依据为：若剪切位移在6 mm的范围内出现峰值强度，则该级法向压力下的抗剪强度即为该峰值强度；否则，选取4 mm剪切位移时所对应的剪应力作为该级法向压力下的抗剪强度[19]。

1.3 试验方案

试验用红黏土经过晾晒后用气锤击碎成细小颗粒并均匀洒水，在实验室内进行人工配置含水率，室外原位实测红黏土含水率为15.8%，将单、直剪试验中的土体含水率设置为12%、16%、20%三个梯度，后将配置好的重塑土样用塑料膜密封并静置2 d。

直剪与大型单剪试验采用控制所有试验土样的干密度不变，改变其含水率的方法进行土样配置，各含水率下的红黏土密度如表2所示。

表2 各含水率下的红黏土密度

单剪仪剪切盒体积为83 200 cm3(40 cm×40 cm×4 cm)×13层，则含水率为12%、16%、20%时，共需土样分别为119.64、123.88、128.21 kg，每层分别为9.20、9.53、9.86 kg。由于在剪切过程中所测得的水平剪切力是土样与叠盒的整体受剪力，在后续的试验结果分析中需去除叠盒间的摩擦力Ff。因此课题组在正式试验前进行了单剪仪空载试验，试验测得叠盒的摩擦系数μ随法向荷载变化而变化，不同法向压力下的摩擦系数μ与对应的摩擦力Ff如表3所示。

此次试验研究主体为浅层滑坡中土体的抗剪强度，为保证土体在室内试验与实际工程中法向压力基本保持一致，则试验中单剪试验设置的三级法向压力σ1、σ2、σ3分别为31.25、37.5、43.75 kPa。

表3 单剪仪的摩擦系数与摩擦力值

单剪试验采用自制的大型单剪仪，将称量好的土样分4次分别装入单剪仪中，分层压实，层间用刮土刀刨毛，全部土样装填完成后令其自重固结12 h后进行试验，完成装填的实验装置如图2所示。

试验的垂直加载系统为千斤顶加载，对土样缓慢均匀的进行法向压力的加载，待法向压力稳定后开始剪切试验。水平剪切系统为千斤顶加载并用传感器配合应变仪进行数据测量，水平剪力作用位置在最底部叠盒处，最底部叠盒另一侧利用位移计测量剪切位移，最顶部叠盒通过两根螺杆与反力架连接并固定，形成固定端。整个单剪试验过程在 5～8 min内完成，剪切速率为10 mm/min，直至其应力值出现峰值或剪切位移达到80 mm，视为土体已经产生破坏，取其峰值强度或30 mm处剪切力为抗剪力。剪切破坏后的实验装置如图3所示，受剪主体出现多处剪切破坏面。

图3 单剪破坏后的土样

快剪试验采用ZJ型应变控制式直剪仪，采用标准环刀制取土样，按照《土工试验方法标准》(GBT 50123—1999)[19]进行试验操作，三级法向压力与单剪试验同步设置，分别为31.25、37.5、43.75 kPa。

2 结果与讨论

2.1 红黏土单、直剪抗剪强度对比分析

如表4所示为红黏土单、直剪试验在不同法向压力下的抗剪强度值。由表4可知，单剪条件下的抗剪强度均小于该法向压力下的直剪强度，以含水率为16%的红黏土为例，其在法向压力为σ1时的单剪抗剪强度比直剪低2.5 kPa，即4.71%；在法向压力为σ2时的单剪抗剪强度比直剪低3.11 kPa，即5.55%；在法向压力为σ3时的单剪抗剪强度比直剪低4.1 kPa，即6.96%。

同时，由表4可知，随含水率的升高，红黏土的抗剪强度降低，不同含水率条件下的红黏土单、直剪试验结果如图4所示。

表4 红黏土单剪、直剪抗剪强度

图4 不同法向压力下红黏土的应力-应变曲线

从图4可知，红黏土的应力值随着应变的增长而呈上升趋势，应力-应变关系为应变硬化型。单剪试验中红黏土的应力-应变关系曲线为折线型，曲线有明显的转折点；直剪试验中红黏土的应力-应变关系曲线为双曲线型，曲线拐点不明显。以法向压力为37.5 kPa为例，红黏土在直剪条件下，16%含水率时的抗剪强度比12%含水率时低14.99 kPa，即为后者的26.74%；20%含水率时的抗剪强度比16%含水率时低20.63 kPa，即50.23%；20%含水率时的抗剪强度比12%含水率时低35.62 kPa，即63.54%。红黏土在单剪条件下，16%含水率时的抗剪强度比12%含水率时低12.99 kPa，即24.53%；20%含水率时的抗剪强度比12%含水率时低33.58 kPa，即63.42%；20%含水率时的抗剪强度比16%含水率时低19.99 kPa，即50.79%。红黏土抗剪强度随含水率增加而降低的特性主要与红黏土中土颗粒间水的状态有关，当含水率为12%时，土中水多为强结合水，弱结合水含量较少，此时土的稠度接近塑性界限，其受力时可以产生变形但表面会形成干裂纹；当含水率为16%时，土中水的弱结合水比例增大，此时土的稠度在塑性界限与液性界限之间，其受力时产生变形且表面较为光滑；当含水率上升到20%时，土中水的弱结合水比例进一步增大，受力时产生形变但外力取消后不能保持该形变。

2.2 红黏土单、直剪抗剪强度指标对比分析

目前，对于土体特性的单剪试验研究还较少，通过对红黏土单、直剪抗剪强度及其抗剪强度指标进行比较，得到单、直剪试验间的区别与联系。从图3可以看出红黏土在单、直剪试验中所得到的应力-应变关系曲线均为应变硬化型，但两者间还是存在着明显的区别。利用摩尔-库伦强度理论拟合了各含水率的红黏土单、直剪抗剪强度，得到其抗剪强度指标如表5所示。由表5知，红黏土的单剪内摩擦角比直剪低，差值为后者的25%左右；单剪黏聚力比直剪高，差距并不显著，最大的差值在前者的6%以下。其抗剪强度指标的差值如表6所示。

表5 红黏土单、直剪条件下的抗剪强度指标

表6 红黏土单剪、直剪抗剪强度指标差值

分析认为，红黏土单、直剪抗剪强度指标的差异性与红黏土在单、直剪试验中的破坏位置集中区域有关。在红黏土的直剪试验中，由于人为固定了试验的剪切面，使得红黏土在相同位置产生破坏，因此直剪试验中所测得的抗剪强度并不一定是红黏土真正的抗剪强度。在大型单剪试验中，不存在人为的剪切面，试样在一次单剪试验中可能会出现3～5个剪切破坏面，称之为剪切破坏带。单剪试验中出现的剪切破坏带较之直剪试验中的剪切破坏面更能反映红黏土的破坏情况，和实际的抗剪强度指标也更为接近。

在土的直剪试验中，普遍认为应变硬化型土体产生4 mm位移时土体即已产生了剪切破坏；因此，类比到土的大型单剪试验中，考虑到大型单剪仪的尺寸效应和人为因素等的影响，课题组认为当应变硬化型土体产生了30 mm位移时土体即发生了剪切破坏，并将土体剪切过程中产生的大于5 mm的横向位移看作土体单剪试验中的一个剪切破坏面，并将剪切破坏面集中区域称为剪切破坏带。

图5 各含水率下红黏土的剪切破坏带

在红黏土不同含水率条件下的单剪试验中，得到了如图5中所示的红黏土剪切破坏带，不难看出12%含水率下红黏土剪切破坏带集中位于试样的中下部(从下至上1/4处)，16%含水率下红黏土剪切破坏带集中位于试样的中部(从下至上1/2处)，20%含水率下红黏土剪切破坏带集中位于试样的中上部(从下至上3/4处)。分析含水率变化对红黏土剪切破坏带的影响，对红黏土单剪破坏带集中区域起决定性作用的是土中水的含量，尤其在于土中弱结合水的占例。在实际的边坡滑塌灾害中，滑动面总是边坡的最软弱区域。室内小型直剪试验中得到的土体抗剪强度指标往往高于原位试验中所得，自行研制设计的大型单剪仪得到的红黏土抗剪强度及其抗剪强度指标均小于等于小型直剪仪所得，更接近于工程实际且能反映不同含水率下红黏土剪切带的变化。

2.3 含水率对红黏土单、直剪抗剪强度及抗剪强度指标的影响

研究证明，含水率对红黏土抗剪强度的影响还表现在其对红黏土抗剪强度指标的影响。为进一步对比红黏土在单、直剪试验中的异同点，对各含水率的红黏土单、直剪抗剪强度进行了线性拟合如图6所示。由图6、表5可以看出，随含水率升高，红黏土的抗剪强度指标降低，与含水率对其抗剪强度的影响规律相仿。为进一步得到含水率对红黏土抗剪强度指标的影响，对二者进行函数拟合，含水率与抗剪强度指标的关系如图7、图8所示。从图7、图8可以看出，含水率对红黏土的抗剪强度指标的影响都很大，对黏聚力的影响要略高于其对内摩擦角的影响。同时，红黏土在单剪试验中得到的强度指标均小于直剪试验，且相同含水率下的内摩擦角差距较大，黏聚力差距较小。

图6 红黏土各含水率的单剪、直剪抗剪强度-法向压力关系曲线

图7 红黏土内摩擦角-含水率关系曲线

图8 红黏土黏聚力-含水率关系曲线

含水率对内摩擦角的影响整体随含水率的升高而降低，整体呈现类线性的关系。其对黏聚力的影响整体呈二次函数关系，其影响主要在于红黏土中土颗粒间的水膜增厚，弱结合水的比例增加，因此土体的黏聚力减小，抗剪强度减小。

3 结论

采用课题组自行设计研制的大型单剪仪与应变式直剪仪对海口地区红黏土在三种含水率和较小法向压力下进行了剪切试验以模拟浅层滑坡，得到了如下的结论。

(1)红黏土的抗剪强度随含水率的增加而降低。其中，单剪抗剪强度较直剪低4%～6%，且二者应力-应变曲线均为应变硬化型，但单剪曲线线型趋近折线形，直剪线型趋近双曲线型。

(2)红黏土的内摩擦角在单剪中比直剪低25%左右，而单剪黏聚力比直剪高，差值在6%以下。且在单剪试验中红黏土的剪切破坏带随含水率变化而变化，也是造成红黏土单剪与直剪差异性的原因所在。

(3)红黏土的抗剪强度指标与含水率负相关，其中含水率对黏聚力的影响略大于其对内摩擦角的影响。含水率与抗剪强度指标的关系均能用二次函数进行拟合。

从以上可知，利用自行研制的单剪仪得到的红黏土抗剪强度及其抗剪强度指标较直剪而言均较低，抗剪强度降低4%～6%，内摩擦角降低25%左右，黏聚力相差不大，因此，自制的大型单剪仪较常规直剪仪而言更能代表实际中的红黏土的强度指标。而在后续的试验中将利用自行研制的单剪仪对海南地区乔木根系对红黏土边坡抗剪强度的提升进行研究。