不同干密度和不同含水率条件下三门峡黄土残余剪试验研究

摘 要：【目的】探究初始干密度、含水率和竖向应力对三门峡黄土抗剪强度和残余强度的影响。【方法】运用全自动直剪/残余剪系统对三门峡黄土进行了一系列残余剪切试验。【结果】试验结果表明：抗剪强度应力-应变曲线在高含水率条件下呈应变硬化现象，在低含水率条件下呈应变软化现象，但残余强度应力-应变曲线都呈应变硬化现象。主要原因是在进行残余剪切过程中剪切位移过小，试样在剪切过程中并没有达到稳定的残余状态。试验中还发现在竖向应力较大和含水率较高时，会出现残余强度大于抗剪强度的情况，这可能是第一次剪切时土体中的水分没有完全排除，在进行第二次和第三次剪切过程中，水分完全排除，导致土体更加密实，强度增加。抗剪强度与残余强度的黏聚力随着含水率的增大呈下降的趋势，但内摩擦角下降趋势不是很大，有的反而会上升。此外，还建立了三门峡黄土残余强度与含水率之间的线性关系，并给出了相应的参考方程。【结论】研究结论对三门峡地区边坡稳定分析和滑坡防治具有重要意义。

关键词：黄土；残余剪切试验；抗剪强度；残余强度

中图分类号：P642.3" " "文献标志码：A" " "文章编号：1003-5168（2024）11-0097-09

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.11.019

Residual Shear Test of Loess in Sanmenxia with Different Dry Density and Water Content

GUO Fengtao

（No.4 Engineering Corporation Limited of CR20G， Qingdao 266000，China）

Abstract： [Purposes] The effects of initial dry density， water content and vertical stress on shear strength and residual strength were studied. [Methods] A series of residual shear tests were carried out on Sanmenxia loess by automatic direct shear / residual shear system.[Findings] The test results showed that the shear strength stress-strain curves showed strain hardening under high water content conditions and strain softening under low water content conditions， but the residual strength stress-strain curves all showed strain hardening， mainly because the shear displacement was too small during the residual shear process， so that the loess specimens did not reach a stable residual state during the shear process; it was also found that the residual strength of the loess specimens would be reduced when the vertical stress was higher and this may be related to the fact that the water in the soil was not completely eliminated in the first shear， and in the second and third shear， the water was completely eliminated， resulting in a denser soil and increased strength; the cohesion of shear strength and residual strength showed a decreasing trend with the increase of water content， but the decreasing trend of internal friction angle was not very large， and some of them would rise， instead in addition， the linear relationship between the residual strength and water content of Sanmenxia loess is established in this paper， and the corresponding reference equation is given. [Conclusions] The research results of this paper are of great significance to the analysis of slope stability and landslide control in Sanmenxia area.

Keywords： loess; residual shear test; shear strength; residual strength

0 引言

近年来，“五横四纵”的交通通道已在西北地区开通，其中包括310国道、三门峡公路等。以上项目路基主要以黄土为主，穿越非饱和土层。三门峡黄土，地下水位较深，遇水后强度发生改变，导致其抗剪强度下降，边坡稳定性降低。当边坡变成滑坡的时候，不适宜用抗剪强度进行边坡稳定性和抗滑计算，因为此时边坡的稳定结构已被破坏，其抗剪强度与边坡相比有所降低，用残余强度来评估滑坡稳定性是较为合理的［1-3］。残余强度是土体在剪损后，在剪切面上残留的剪应力值，而对其进行分析的主要目的是寻求在受到损伤后，土体强度衰减的规律［4］。Skempton［5］在进行残余强度试验中得出，一旦滑坡发生，无论什么类型的土，其强度均受残余强度的控制。

获取残余强度的方法较多，主要包括室内试验方法、原位试验法、反演分析法等。室内试验方法是获取残余强度重要的方法，主要仪器包括环剪仪、三轴压缩仪、全自动直剪/残剪仪，其中全自动直剪/残剪仪在我国普遍使用。该方法也是工程中最常用的方法之一［6］。如闫芙蓉等［7］在对延安典型黄土滑坡带的土样进行不同压力下反复剪切试验，分析了天然和饱和状态下的黄土在不同压力下的剪切位移和强度特性，以确定其峰值和残余强度。李文等［8］为探求黄土滑坡的复活机理，进行了不同体积含水率下的反复剪切试验，从而获得滑带土残余剪切强度指标与体积含水率、黏粒含量之间的关系。张晓丽［9］通过直剪仪对膨胀土进行反复剪切4次，提出膨胀土残余强度和土颗粒含量相关，非饱和状态的残余强度值高于饱和状态的残余强度值。左巍然等［10］利用直剪仪对膨胀土进行反复直接剪切试验，发现膨胀土的残余强度、结构和应力历史没有直接联系。Akis等［11］对高塑性黏土残余强度进行反复直接剪切试验，探究剪切速率对黏土残余强度的影响。赵亚品等［12］为探究新黄土和黏性土残余强度值的影响，利用直/残剪仪对进行室内残余剪切试验，得出扰动带土固结稳定后初始剪切峰值强度后的强度衰减稳定值，可以代替多次剪切的残余稳定的强度值。

在结合众多学者对残余强度研究基础上，本研究以三门峡黄土为研究对象，采用全自动直剪和残余剪切试验系统，对不同干密度和不同含水率条件下重塑的黄土试样，在竖向应力为50、100、200 kPa 的条件下进行了一系列残余剪切试验，探究不同干密度和不同含水率条件下黄土试样抗剪强度和残余强度如何变化。试验成果对三门峡黄土地区地质灾害防治具有重要的指导意义。

1 试验土样

本试验用的黄土是三门峡灵宝市国道G310公路改扩建中的高填方土，其基本物理性质指标见表1。主要部分是黄土、粉土、粉质黏土，局部为粉细沙。黄土状土体具有湿陷性，土体质地均匀，因人为干扰，上层土层多为疏松，承载力较差。表明其是一种具有优良级配的粉土。

三门峡黄土粒度累积曲线如图1所示。由曲线变化趋势可以看出，试验黄土的粒度分布在0.005～0.075 mm，占比为77.2%，以粉粒为主。

2 试验介绍

2.1 试样制备

为探究重塑黄土在不同干密度和不同含水率条件下抗剪强度与残余强度的影响，制备含水率为 20%，初始干密度分别为 1.4、1.5、1.6 g/cm3的重塑试样。制备非饱和重塑试样为45个，饱和重塑试样9个，所用环刀直径为63.5 mm，高度为25.4 mm。本次残余剪试验使用美国 Geocomp公司生产的 RSI ShearTrac-Ⅱ型全自动直剪和残余剪试验系统，如图2所示。

2.2 试验方案

将配置好的土样按照干化路径干化到目标含水率，干化路径见表2。

根据我国《土工试验方法标准》（GB/T 50123—1999）［13］，一般对于黏性土需剪切3～4次，总剪切位移达30～40 mm；而粉质黏土需剪切5～6次，总剪切位移达到40～50 mm。Skempton［5］认为当剪切位移达到25～50 mm时，土体可以达到残余强度；张晓丽［9］对膨胀土进行剪切试验时，以0.02 mm/min进行正向剪切，当剪切位移达到6 mm后，以0.4 mm/min速率推回原位，共剪切4个来回，总剪切位移为48 mm。左巍然等［10］用直径6.18 cm试样，以0.02 mm/min速率进行正向剪切，然后以0.1 mm/min速率推回原位，反复剪切3次，每次剪切位移为7 mm，总剪切位移为42 mm。蒋晓庆［14］等用直径为6.18 cm，以0.02 mm/min的剪切速度进行剪切，最大剪切位移达到8～10 mm，反推速率为0.4 mm/min，反复剪切4次总位移为32～40 mm。通过以上分析，本次试验方案设计如下。

第一部分进行非饱和重塑试样残余剪切，第二部分是进行饱和重塑试样剪切。试验采用全自动直剪和残余剪切试验系统（如图2所示），土样直径为63.5 mm，高度为25.4 mm，在竖向应力为50 、100 及200 kPa的作用下，以0.8" mm/min的剪切速率进行剪切，在剪切位移至8 mm时，以0.8 mm/min的速度将其推回到原来的位置，如此反复3次，最后的剪切位移为48 mm。

3 试验结果与分析

3.1 黄土抗剪强度应力-应变曲线分析

根据试验结果，第一次剪切过程中如果有峰值强度，即为抗剪强度；如果没有峰值强度，则按《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2019）［15］规定的剪切位移为4 mm时对应的剪应力作为抗剪强度。抗剪强度应力-应变曲线如图3至图5所示。从图中可以看出，在相同竖向应力条件下，不同初始干密度非饱和或饱和重塑试样，其抗剪强度随含水率的减小而增加。当竖向应力增加时，不同干密度应力-应变曲线具有相似性，在剪切位移变形量小时，剪应力呈现直线上升趋势，而当剪切位移继续增加时，出现峰值强度，即为抗剪强度。

由图3可知，在试样含水率低于12%时，各竖向应力都出现了应变软化现象；当含水率等于12%、竖向应力小时，试样出现了应变软化现象，而竖向应力较大时，出现了应变硬化现象；大于12%和饱和试样均呈现应变硬化现象。

如图4和5所示，当含水率小于16%时，随着剪切位移增加，剪应力达到峰值应力后又逐渐下降，直至达到稳定状态，此时应变软化现象比较明显；但当含水率等于16%时，竖向应力小的呈现微弱的应变软化现象，逐渐向应变硬化现象过渡；当含水率大于16%和饱和试样，均出现应变硬化现象。

由此可以得出，当黄土试样初始干密度越大，孔隙比越低时，黄土试样就越紧密，颗粒之间更加密实，积聚体间孔隙体积缩小或者消失，这时孔隙占主要作用，抗剪强度随之增大。因此，高含水率时，剪切过程中试样中的水分被慢慢地排除，使试样更加密实，硬化现象比较明显；低含水率时，剪切过程中试样结构被破坏，软化现象比较明显。

3.2 黄土残余强度应力-应变曲线分析

张晓丽［9］在研究膨胀土残余强度试验中，把第1次剪切峰值强度作为抗剪强度，最后1次剪切稳定的强度作为残余强度，如果试验中没有出现稳定的剪应力，把4 mm剪切位移对应的剪应力作为残余强度。因此，本次试验第3次剪切如果没有出现稳定的剪应力，就把第3次剪切位移4mm对应的剪切力作为残余强度，残余强度应力-应变曲线如图6至图8所示。

由图6中可知，随着剪切位移的增加，应力-应变曲线都呈现应变硬化现象。当含水率低于16%时，随着剪切位移的增加，剪应力达到稳定状态；当含水率高于16%时，随着剪切位移的增加，剪应力并没有达到稳定状态。主要原因是本次试验设定的剪切位移为8 mm，剪切速率为0.8 mm/min，由于剪切位移小，试样在剪切过程中并没有充分剪切，因此没有达到稳定状态。这与丁三宝［16］在对膨胀土残余强度的研究中，得出了高含水量的膨胀土为获得稳定残余强度所需的剪切变形量比较大的现象一致。

因此，在竖向压力恒定的情况下，随着含水率的降低，其残余强度均增大；当含水率一定时，残余强度随着竖向压力的增大而增大；且残余强度应力-应变曲线呈应变硬化现象［17］。

不同初始干密度试样在不同的竖向应力作用下，试样的抗剪强度和残余强度的变化情况见表3至表5。

由表3至表5可知，在竖向应力不变的条件下，残余强度往往小于抗剪强度。但是在表3中竖向应力200 kPa下含水率为16%和20%，其残余强度大于抗剪强度，这是因为含水率越高，竖向压力越大，由于残余剪剪切速率为0.8 mm/min，属于快剪，在第1次剪切过程中土壤中的水分没有完全排除，在进行第2次和第3次剪切过程中，水分完全排除，导致土体更加密实，强度增大，进而导致残余强度大于抗剪强度。表4和表5含水率为 20%残余强度大于抗剪强度的原因也是如此。

含水率一定的条件下，抗剪强度和残余强度随着竖向应力的增大而增大，这是由于随着竖向应力增加，土颗粒之间的摩擦力增大，土体强度增加，从而抗剪强度和残余强度就越大。

3.3" "残余强度参数分析

根据Mohr-Coulomb准则，试样强度参数见表6。随着土体的干密度增大，黏聚力呈现上升的趋势，这是由于干密度越大，土体更加密实，破坏土体所需的力比较大。黏聚力随着含水率的增大而下降，但内摩擦角下降的程度不是特别大，有的反而会上升。这与蒋晓庆［14］对膨胀土进行反复剪切试验得出残余强度参数的规律一样，即随着含水率的增大，残余内摩擦角反而会上升。由于黄土经过3次反复剪切并没有达到稳定的残余强度，含水率增大时，试样表面润滑作用越小，摩阻力越小，黏着力越小。

蒋晓庆［15］利用线性拟合、对数拟合、指数拟合，发现在竖向应力为100 kPa、200 kPa作用下，初始含水率与残余强度线性相关系数最高；300 kPa作用下对数和指数相关性都较高。因此笔者通过本次试验，利用线性拟合、对数拟合、指数拟合，对初始含水率和残余强度之间的关系进行比较，拟合结果见表7。由表7可知，3个函数的拟合度相差不大

但干密度为1.5 g/cm3和1.6 g/cm3线性拟合普遍高于对数拟合和指数拟合。本次试验含水率与残余强度采用线性拟合，拟合关系如图9所示，由图9可知，3者拟合实测点基本在直线的周围。因此三门峡黄土残余强度与含水率之间的关系方程可用公式（1）作为参考方程。

[τr=αω+b]" "（1）

式中：τr表示黄土的残余强度，kPa；ω表示黄土的含水率，%；α，b表示竖向应力为50、100、200 kPa作用下黄土相关参数。

4 结论

本研究以三门峡黄土为研究对象，利用全自动直剪/残余剪系统进行残余剪切试验，研究了不同初始干密度黄土试样在不同竖向应力下的抗剪强度与残余强度特征，主要结论如下。

①黄土试样初始干密度越大，孔隙比越低，黄土试样就越紧密，颗粒之间更加密实，积聚体间孔隙体积缩小或者消失，孔隙占主要作用，抗剪强度随之增大。抗剪强度随着初始干密度的增大而增大，当竖向应力一定时，抗剪强度随着含水率的降低而增大；不同初始干密度黄土试样应力-应变曲线具有相似性，当剪切位移较小时，剪切应力呈线性地增长；高含水率时，试验剪切过程中水分被慢慢地排除，使土样更加密实，硬化现象比较明显；低含水率时，试验剪切过程中土样结构被破坏，软化现象比较明显。

②一般情况下，残余强度往往小于抗剪强度。但试验中发现，在干密度为1.4 g/cm3、竖向应力 200 kPa下含水率为16%和20%时，其残余强度大于抗剪强度，这是因为含水率越高，竖向压力越大，由于残余剪切速率为 0.8mm/min属于快剪，在第1次剪切过程中土体中的水分没有完全排除，在进行第2次和第3次剪切过程中，水分完全排除，导致土壤更加密实，强度增大，进而使残余强度大于抗剪强度。

③随着含水率的增大，抗剪强度与残余强度的黏聚力呈下降的趋势，但内摩擦角下降趋势不是很大，有的反而会上升，主要原因是经过三次反复剪切黄土试样并没有达到稳定的残余强度，当含水率增大时，其试样表面的润滑作用越小，摩阻力越小，黏着力越小。初始干密度越大，则黏聚力就越大。

④对于残余强度应力-应变曲线，当含水率小于或者等于12%时，随着剪切位移的增加，剪应力达到稳定值；但随着含水率的升高，剪应力随着剪切位移的增大一直增大，没有达到稳定状态；且都呈现应变硬化现象。主要原因是剪切位移过小，使黄土试样在剪切过程中并没有达到稳定的残余状态。

⑤利用线性函数、对数函数、指数函数对含水率与残余强度进行拟合，3种函数拟合度相差不大，但在干密度为1.5 g/cm3和1.6 g/cm3线性拟合拟合度普遍高于对数拟合和指数拟合，因此，本次试验含水率与残余强度采用线性拟合。并提出参考方程，为三门峡黄土残余强度的计算提供理论依据。

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收稿日期：2024-01-09

作者简介：郭丰涛（1997—），男，本科生，助理工程师，研究方向：土木工程。