剪切速率对重塑粉土抗剪强度特性的影响

吴瑞潜 张少龙 李少和 汤有志

(1.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000;2.浙江工业职业技术学院，浙江 绍兴 312000)

0 引言

土的抗剪强度变化会影响基坑和土坡的安全性，研究其抗剪强度特性受某些因素的变化规律是非常有必要的.现在，许多学者深入研究了剪切速率对土的抗剪强度的影响，获得一些为工程设计提供借鉴的理论成果.杨小平等[1]开展了不同剪切速率对含水率不同黄土的固结不排水三轴试验，由试验结果可知，随着剪切速率的变大，抗剪强度和黏聚力是先增大后减小，内摩擦角减小，剪切速率的影响程度在含水率低的时候非常明显.史卜涛等[2]做了不同剪切速率对2种不同干密度重塑饱和黏土直剪试验，由结果可知，随着剪切速率的变大，较小干密度的重塑饱和黏土抗剪强度和内摩擦角减小更加明显.李威等[3]开展了重塑饱和黄土在不同剪切速率下的固结不排水三轴试验，从试验结果可知，变小剪切速率让抗剪强度、总的内摩擦角以及有效内摩擦角在相同条件下是先变小后变大的，总的黏聚力和有效黏聚力是先变大后变小的.谢辉辉等[4]进行了千枚碎屑岩滑带土环剪试验，由结果可知，增大剪切速率会使峰值强度和内摩擦角都变大，黏聚力变小，残余强度基本不受影响，获得峰值对应的c、φ与剪切速率的对数表达式.杨智强等[5]开展了不同剪切速率对南阳重塑膨胀土的三轴固结不排水试验，得到黏聚力和抗剪强度随应变速率的减小是变小的，内摩擦角是变大的，影响程度在低围压下非常明显.王永洪等[6]进行了黏性土-混凝土界面在不同剪切速率下的直剪试验，发现随剪切速率增大，抗剪强度和内摩擦角均减小，黏聚力开始稍有增加，但整体是呈减小的趋势.柴维等[7]做了不同剪切速率对钙质砂抗剪强度试验，可得出随剪切速率的增加，抗剪强度和内摩擦角是先减小后增大，低法向应力下出现剪胀.洪勇等[8]对砂-黄土开展了环剪试验，得到剪切速率的变小使得其黏聚力和内摩擦角在环剪仪上部排水情况下是变大的，剪切速率的变小使得黏聚力在不排水条件下变大，内摩擦角是变小的.通过以上学者的研究结果可以看出，不同种类土的抗剪强度特性受到不同剪切速率影响发生改变.

粉土抗剪强度特性受剪切速率影响试验研究非常少，粉土的性质和黏性土、砂土不同，其工程性质较复杂[9-10].本文以浙江上虞地区基坑里重塑粉土为研究对象，在不同剪切速率下进行固结快剪试验，获得其抗剪强度指标受不同剪切速率的影响规律，为工程设计提供借鉴.

1 试样制备和试验方案

1.1 试验土样制备

试验所用土样来自浙江上虞的粉土，颜色是灰色，质松软，粉土的基本物理指标和颗粒级配曲线分别如表1和图1，从表1和图1可知土样塑性指数是6.2，大于0.075 mm，颗粒含量占全重10.9%且黏粒含量占7%，将土样命名为砂质粉土.根据《土工试验方法标准》(GB/T50123-2019)[11]，将取来的土样放入烘箱内在105 ℃下烘8 h以上，取出烘干的土样让其冷却，然后用榔头捶碎过2 mm孔径的筛子，配制土样的含水率为23%，将配制好的土样用密封袋装好放入保湿缸里闷料24 h，用制样器制作41个干密度是1.62 g/cm3环刀土样，环刀的直径是6.18 cm，高度是2 cm.将装入环刀土样的饱和器放入无水抽气缸里抽气1 h，然后放水静置10 h以上达到饱和，取出1个土样测出此时的含水率.

表1 粉土基本物理指标

图1 试样颗粒级配曲线

1.2 试验方案

饱和后的重塑粉土样分5组，每组8个，为了减少试验结果的误差，平行固结快剪试验做2次，最终结果取2次试验结果的平均值.根据《土工试验方法标准》(GB/T50123-2019)[11]，将每组4个土样放入固结仪中分别施加50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa的垂直压力，固结24 h后取出，然后将5组固结后的土样放入全自动直剪仪(图2)并施加与固结相同的垂直压力，设置的剪切速率分别是0.2 mm/min、0.4 mm/min、0.8 mm/min、1.6 mm/min和2.4 mm/min.其中，1.6 mm/min、2.4 mm/min的2种剪切速率均大于试验规程中采用的剪切速率0.8 mm/min，可视为高剪切速率，0.2 mm/min、0.4 mm/min的2种剪切速率均小于试验规程中采用的剪切速率0.8 mm/min，可视为低剪切速率.对于土坝工程来说，若堆填施工速度快，土体被剪切的速率快，试验中设置的高剪切速率对应此种工程状态，若堆填施工速度慢，土体被剪切的速率慢，试验中设置的低剪切速率对应这种工程状态. 试验结束时的剪切位移是0.6 cm，剪切完的土样如图3.剪切试验完成后，立马取出土样称重，再将土样放入烘箱内烘干后称重，计算出土样剪切之后的含水率，土样饱和以后的含水率为剪切之前的含水率.根据公式(1)得到土样在不同垂直压力和不同剪切速率下含水率减小的比例，为后面分析剪切速率对抗剪强度影响提供一定的理论依据[12].

含水率减小的比例=

(1)

图2 全自动直剪仪

图3 剪切后的土样

2 剪切速率对抗剪强度特性的影响

2.1 剪切位移-剪应力关系曲线

5种剪切速率下剪切位移-剪应力关系曲线如下图4(a)～4(e)所示.

根据图4可知， 减小竖向应力能让重塑粉土的峰值更加明显， 垂直压力分别是50 kPa、100 kPa，重塑饱和粉土剪切的峰值较明显，峰值对应的剪切位移分别为1 mm ～2 mm、 1.6 mm～2.5 mm，具有应变软化特征.在试验初始阶段，剪应力随着剪切位移增加增长速率较快.因为重塑粉土以粉粒为主，可形成以粉粒为主的蜂窝结构，土孔隙较大，抵抗变形能力较差[13].试验开始时变形很快，剪应力就增加很快.随着剪切时间增加，较大颗粒被压碎后填充孔隙使孔隙变小，剪应力增加缓慢.各剪切速率，增大竖向应力使得最大剪应力对应的剪切位移变大.因为克服越来越大的剪应力，剪切位移越大使得剪应力发挥更充分，土样抗剪强度达到极限值.

(a)剪切速率0.2 mm/min

2.2 不同剪切速率下抗剪强度指标

根据公式(1)计算出土样在剪切后含水率减小比例，将垂直压力与不同剪切速率下含水率减小的比例关系用曲线图绘出，如图5所示.

图5 不同剪切速率下垂直压力与含水率减小比例的关系

按照《土工试验方法标准》[11]，若图4曲线有明显峰值，抗剪强度数值使用峰值；若没有明显峰值，则抗剪强度值取剪切位移4 mm对应的剪应力值.根据摩尔-库仑公式，见公式(2)，纵坐标是剪应力，横坐标是垂直压力，绘制出重塑粉土在不同剪切速率下垂直压力和剪应力的关系图，见图6.

图6 不同剪切速率下抗剪强度与垂直压力关系

(2)

式中c为黏聚力，σ为垂直压力，φ为内摩擦角，τf为抗剪强度.

由图6可以知道，垂直压力相同，变大剪切速率会让重塑饱和粉土的抗剪强度变小.当垂直压力为50 kPa，剪切速率从0.2 mm/min依次增加到0.4 mm/min、0.8 mm/min、1.6 mm/min和2.4 mm/min，其抗剪强度依次减小了9.6 kPa、5.3 kPa、4.1 kPa、2.4 kPa.当垂直压力为300 kPa，其抗剪强度依次减小了21.8 kPa、14 kPa、9.7 kPa、5.7 kPa.可知，在较小垂直压力作用下，增大剪切速率，重塑饱和粉土抗剪强度减小的幅度不大，当垂直压力增大时，增大剪切速率，其抗剪强度减小的幅度更明显.相同垂直压力下，当剪切速率增大到不高于0.8 mm/min时，抗剪强度减小得更明显.根据以上规律，当重塑饱和粉土被用于土坝工程，若堆填施工速度快，土体受到的剪切速率快，采用《土工试验方法标准》(GB/T50123-2019)[11]规定的剪切速率0.8 mm/min，获得的抗剪强度偏大，引起工程安全隐患，从工程安全考虑，应当采用2.4 mm/min的剪切速率.可见，试验规程所规定的剪切速率不能满足所有工程状态，确定剪切速率值需要考虑工程状态.

砂质粉土是以粉粒为主，黏粒含量极少，其力学性质由粉粒起控制作用，结构呈蜂窝结构，孔隙较大，渗透性较大，极易失水.砂质粉土颗粒间主要是物理连接，对含水率比较敏感，当含水率稍有减小时，抗剪强度会增加很多.从图5可知，重塑饱和粉土在全自动直剪仪剪切中含水率会减小，孔隙水压力减小，含水率减小的比例随着剪切速率的减小而增加.因垂直压力和剪切力作用出现失水固结，含水率减小得越多，固结更充分，抗剪强度越大，所以剪切速率0.2 mm/min对应的抗剪强度最大.当垂直压力为50 kPa，剪切速率从0.2 mm/min依次增加到0.4 mm/min、0.8 mm/min、1.6 mm/min和2.4 mm/min，其含水率减小比例依次减少了3.2%、2.2%、1.6%、0.9%.当垂直压力为300 kPa，其含水率减小比例依次减小了7.1%、5.4%、4.2%、3.3%.说明剪切速率增大到不高于0.8 mm/min时，含水率变化率随垂直压力增加而增大的幅度更明显，土样产生固结程度更大，体现在重塑粉土抗剪强度在垂直压力增大时随剪切速率增加而减小的幅度更明显.除此之外，剪切速率较大时，重塑砂质粉土中一些较大颗粒没有破碎，颗粒之间接触并不充分，使得颗粒摩擦比较弱，抗剪强度不能很好发挥，这些导致剪切速率低时抗剪强度更大.

根据图6，能够获得不同剪切速率的摩擦角和黏聚力，采用关系式(3)拟合，通过origin绘制剪切速率与内摩擦角、黏聚力的曲线图，如图7.发现剪切速率与黏聚力、内摩擦角的拟合度分别为0.957 9、0.973 3，拟合效果较好.

y=bln(x)+d

(3)

式中y代表内摩擦角、黏聚力；x为剪切速率；b、d都是拟合参数.

(a)剪切速率和内摩擦角变化关系

从图7(a)可知，随着剪切速率的增加，当剪切速率增大到不高于0.8 mm/min时，重塑粉土的内摩擦角减小较明显.从整条曲线来看，重塑粉土的内摩擦角随着剪切速率的增加呈减小趋势.因为重塑粉土在剪切时，一些较大颗粒从另一颗粒上滚过并发生滑动，当剪切速率较快时，颗粒来不及在其他颗粒上滚过和滑动，颗粒间有效接触点减少.同时，饱和重塑粉土颗粒间水具有润滑作用，土样在剪切过程中会失水使得摩擦增强，在低剪切速率下剪切所用时间较高剪切速率长，失水更多，水平固结更加充分，孔隙比减小更多，这样使得重塑粉土颗粒之间有效接触点增加，这些宏观表现是剪切速率减小时内摩擦角增加.

从图7(b)可以看出，随着剪切速率的变大，重塑粉土的黏聚力是减小的.剪切速率从0.2 mm/min增大到2.4 mm/min，黏聚力依次减小了7.13 kPa、3.66 kPa、2.91 kPa和1.75 kPa，得出剪切速率越低，随着剪切速率的增加，黏聚力减小得更明显.因为黏聚力主要由束缚结合水膜的分子引力、胶结物之间产生的胶结作用、毛细水的连接作用等一起产生.在剪切过程中，重塑粉土会失水，含水率减小，结合水在颗粒四周变少，束缚结合水膜的分子引力增加，黏聚力增加.随着剪切速率的减小，重塑粉土含水率减小越多，胶结作用越强，黏聚力越大.

图8是梯形的曲面形状，能直观看出剪切速率、黏聚力和内摩擦角之间的关系.增大剪切速率使得黏聚力、内摩擦角变小，内摩擦角较黏聚力减少的程度更小些，可知黏聚力受到剪切速率的影响更加明显，此规律可为上面提到的土坝工程设计提供借鉴，也可为桩基工程设计提供借鉴，因为桩的沉降快慢决定土体受到的剪切速率快慢.

图8 剪切速率、内摩擦角和黏聚力的三维图

3 结语

通过开展重塑饱和粉土的固结快剪试验，得到剪切速率对其抗剪强度特性的影响结论：

1)重塑饱和粉土样在垂直压力分别为50 kPa、100 kPa下剪切时出现了明显的峰值，抗剪强度值及其对应的剪切位移量会随着垂直压力的变大而变大.

2)随着剪切速率变大，重塑饱和粉土抗剪强度变小，减小的程度会随着竖向应力的变大而变大.相同垂直压力下，剪切速率增大到不高于0.8 mm/min，抗剪强度减小较明显.

3)增大剪切速率，重塑饱和粉土的c值、φ值都变小，但c值减小的更明显，对c值影响更大.剪切速率变大后的值不超过0.8 mm/min时，其c值、φ值都减小得更多.

4)由试验结论可知，随着剪切速率变大，重塑饱和粉土抗剪强度变小，考虑到工程的安全性，对其固结快剪试验应该采用较高剪切速率(采用2.4 mm/min较好).

因为试验土样具有区域性，试验数量有限，以上结论可能不适合所有地区的粉土，今后可取其他地区的粉土进行试验比较，为实际工程提供借鉴.