含水率对土体力学参数的影响

李孝雄，杨煜杰，赵 卿，崔家伟

(滁州学院 土木与建筑工程学院，安徽 滁州 239000)

土的力学性能最直接的表现就是体现在工程性质上﹒当含水量发生变动时，相对的土体的抗剪强度也会有着相应的增加或减少[1]，特别是对于含有大量黏性成分的岩土材料，它的这一特性尤为明显﹒在雨水充足的地区和季节进行土方开挖与路基填筑，土体含水率的变化会有很大可能引起填筑路堤边坡以及挖方时发生滑塌[2]﹒所以，只有充分了解土体能承受多大的竖向压力和其他方向的剪切力，才能确保土体不会受到各种各样的破坏[3]﹒由于土体的多样性，即便数十年来在土力学这门学科中许多学者早已对土体抗剪强度进行了海量的研究，但这个问题时至今日仍有些许不足，依然存在值得研究的地方[4]﹒

目前，对含水率变动导致土的各项力学参数的影响的研究主要放在对土体的强度和弹性模量的变化上[5]﹒大多数研究者都认为，土的各项力学参数会随着水量的增加而趋于下降，但是也会有极少参数会在含水量增加的情况下而增大[6]﹒对于水量增加而导致的各项参数变化的规律没有共识，既没有一个统一的公式来描述变化的状态，也没有能够用一个图表来表现出变化的状况﹒相当一部分人觉得，土体的含水率与各项参数之间的关系，并不是简单的线性增加或减小，在含水量增加的过程中，而是处于一种变动的状态，且在不同土颗粒配比的情况下其变化也是不一样的，不能使用一种固定不变的思维去看待土体与含水量之间的关系[7-9]﹒还有很多人认为黏聚力和内摩擦角都会在含水率增加的过程中变小，而也有一些人认为黏聚力存在一个分界含水率，在这个含水率的两侧土的黏聚力变动会处于一种相反的 情况，摩擦角也同样有像黏聚力一样的分界含水率，但是在这个含水率的左边，在含水量增加的过程中其摩擦角是处于下降状态的，而在右边却无法得出一个统一的规律[10]﹒

综上所述，研究土的物理参数，则避不开要去研究其力学参数，二者之间是分不开的﹒由于外部环境的改变会导致土的力学参数发生变动，而天然土内部的结构变化也会导致土的力学参数发生变动，因此，土的物理性能也会随着上述因素的变化而变化﹒那么研究土体的核心就是去研究其本身的含水率与强度之间的关系﹒本文通过人工配置不同土体(黏土、粉土和砂土)，深入研究其物理力学参数与含水率变化规律，旨在为该方面的研究提供一定的参考﹒

1 试验方案及材料制备

从野外采集一定量的土体，将土体放入烘箱中将水分烘干；在不破坏土颗粒结构的情况下利用橡胶锤将土体敲碎；根据规范要求选取不同孔径的筛网，并通过振动摇筛机筛出不同粒径的土体；按照规范要求配置一定量的砂土、黏土和粉土，即分别按照13%，17%，21%和25%的含水率加入适当的水，制成大小一致，密度均匀的土样，这些土体抗剪强度试验时不同土体含水率见表1；放入直剪仪剪切，记录相应的数据﹒

通过把含水率不同的4 种土体放在100，200，300 和400 kPa 的竖向压力作用下进行直接剪切实验，得到了不同含水率下土体的抗剪强度﹒

2 结果与讨论

2.1 含水率变化对黏土物理力学参数的影响

由图1 可知，黏土的抗剪强度在竖向压力增加过程中不断增加，2 个参数之间呈正比关系；同时在含水率增加的情况下抗剪强度不断变小，2个参数呈反比关系﹒黏土抗剪强度由400 kPa 垂直压力下13.7%含水率所对应的1.33 MPa 降至25.8%含水率所对应的0.791 MPa﹒黏土抗剪强 度在13.7%～17.7%之间的下降幅度很小，而到了21.4%时其下降幅度迅速增加，则可以得出黏土存在一个界限含水率：17.7%～21.4%﹒在界限含水率以下时，含水量在不断增加的状态下，抗剪强度在不断地下降，但是下降幅度并不大；而在界限含水率以上时，下降速度大大增加﹒

图1 不同含水率下黏土抗剪强度与垂直压力对比

图2 不同含水率下黏土土体力学参数

由图2 可知，随着黏土含水率的增加，粘聚 力开始迅速下降﹒试验土样在13.5%含水率条件下测得的粘聚力为0.93 kPa，而在25.8%的含水率条件下测得的粘聚力则降到了0.38 kPa，下降幅度达到了58.8%﹒黏土在含水率处于15%～20%之间时，粘聚力下降很快，而在含水率处于20%～25%时，粘聚力仍在下降，但是下降的速度明显放缓，则可得出黏土在20%含水率以上时粘聚力下降速度很快，而在20%以下时，下降速度变缓﹒摩擦角处于缓慢下降状态，由7.5°降至6.5°，变化幅度不大，也没有变化转折点﹒由此可知，黏土含水率的变动对于其摩擦角的变动有一定的影响，但不大，可以忽略不计﹒

2.2 含水率变化对粉土物理力学参数的影响

由图3 可以看出，粉土的竖向压力增大后其抗剪强度也在变大，抗剪强度与垂直压力呈正比关系；随着水量的增大，抗剪强度却在慢慢变小，粉土抗剪强度与含水率呈反比关系﹒粉土抗剪强度由400 kPa 垂直压力下13.7%含水率所对应的1.25 MPa 降至25.3%含水率所对应的0.65 MPa﹒同时由图3 可知，粉土抗剪强度在13.7%～17.1%，17.1%～21.9%，21.9%～25.3%之间变化的速度都很均匀，均处于23%左右的降幅，并没有出现类似于黏土那样的界限含水率现象﹒

图3 不同含水率下粉土抗剪强度与垂直压力对比

图4 粉土不同含水率下土体力学参数

由图4 可知，粉土的含水量在增加的过程中其黏聚力迅速下降﹒试验土样在13.7%含水率条件下测得的粘聚力为0.69 kPa，而在25.3%的含水率条件下测得的粘聚力则降到了0.23 kPa，下降幅度达到了65.8%﹒由此可知，含水率变化对于粉土的粘聚力的变动有很大影响，粉土在含水率处于15%～17%之间时，其粘聚力降低的速率很快；在含水率处于18%～21%时，其粘聚力下降趋势均处于比较缓慢的状态；当含水率超过21%时，粘聚力下降速率又迅速增快﹒粉土的摩擦角在含水量增高的过程中在减小，由13.7%含水率的10°降至25.3%含水率的8°，但是减小的幅度并不大，且也没有变化转折点，变化速度很平缓﹒由此可知，粉土含水率的变动对于其摩擦角的变动有一定的影响，但不大，可忽略不计﹒

2.3 含水率变化对砂土物理力学参数的影响

由图5 可以看出，随着竖向压力的加大，砂土的抗剪强度也在变大，抗剪强度与垂直压力呈正比关系；当含水量变大时其抗剪强度却在不断地变小，二者呈反比关系﹒砂土抗剪强度由400 kPa 垂直压力下13.3%含水率所对应的1.20 MPa降至25.1%含水率所对应的0.54 MPa﹒粉土抗剪强度在13.3%～17.6%，17.6%～21.4%，21.4%～25.1%之间变化的速度都很均匀，并没有出现类似于黏土那样的界限含水率现象﹒

图5 砂土不同含水率下抗剪强度与垂直压力对比

图6 砂土不同含水率下的摩擦角

由图6 可知，砂土的摩擦角在其含水量增加的过程中是处于减小状态的，由13.3%含水率的12°降至25.1%含水率的9.5°，减小的幅度不大，且没有变化转折点，变化速度平缓﹒可知，砂土含水率的变动对于其摩擦角的变动有一定的影响，但不大，可忽略不计﹒

2.4 含水率变化对土体物理力学参数的影响

由上述结果可知，含水率的变化对不同土体(砂土、粉土和黏土)内摩擦角影响较小，可忽略不计，但对粘聚力影响较大﹒土体粘聚力随含水率的变化幅度如图7 所示﹒

从图7 可看出，黏土在含水率为15%～18%时，其粘聚力处于平稳的下降趋势，下降的幅度并不大；当含水率由18%增长到19%时，其粘聚力迅速下降；当含水率为20%～21%时，其粘聚力保持了大致相同的下降速率；当含水率超出21%时粘聚力下降速率快速放缓，含水率为22%～25%时，粘聚力仍在下降，但下降速度明显放缓﹒粉土含水率为15%～17%时，其粘聚力下降速度很快；当含水率达到18%时，其粘聚力下降速率明显放缓；在含水率为18%～21%时，下降趋势均处于较慢的状态；当含水率超过21%时，粘聚力下降速率又迅速增快，随着含水率的增加，下降速度也在不断增加﹒综上所述，含水率的增加对粉土粘聚力的影响要大于对黏土粘聚力的影响﹒

图7 土体力学参数随含水率变化

3 结论

1)含水率对于不同土颗粒配比的物理性能均有很大的影响，其中对于粘聚力的影响最大﹒含水率在增加的状态下粘聚力会随之迅速变小，不同土体的下降幅度处于不同的水平，黏土在20%含水率以上时粘聚力下降速度很快，而在20%以下时，下降速度变缓；粉土含水率超过21%时，其粘聚力下降趋势迅速变快，并且随着含水率的增长而增长﹒

2)含水率对于摩擦角的影响非常小﹒含水率的增加对于无论哪种土颗粒配比的土样均没有太大幅度的下降，因而在现实应用中可以忽略含水率对摩擦角的影响﹒在3 种土样中，含水率增加摩擦角下降最多的是砂性土样，粘性土与粉性土的下降幅度类似﹒

3)不同土颗粒配比的土样在含水量增加的过程中其抗剪强度会变小，但是除了黏土含水率在17.7%～21.4%时下降速度明显加快外，砂土与粉土均处于匀速下降的状态﹒