摘要：使用WF 循環(huán)單剪試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)不同法向應(yīng)力、不同含水率的非飽和砂土在單向剪切作用下的力學(xué)特性進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究.砂土含水率為5.4%～25.4%，法向應(yīng)力為25～300 kPa，主要考察含水率、法向應(yīng)力對(duì)非飽和砂土力學(xué)特性的影響規(guī)律.試驗(yàn)結(jié)果表明：存在一個(gè)臨界含水率，當(dāng)非飽和砂土含水率大于該臨界含水率時(shí)，其剪切應(yīng)力剪切位移關(guān)系將由雙曲線函數(shù)變?yōu)殡p折線函數(shù).當(dāng)非飽和砂土含水率小于臨界含水率時(shí)，非飽和砂土的抗剪強(qiáng)度隨含水率增大變化幅度較小.當(dāng)含水率高于該點(diǎn)后，抗剪強(qiáng)度隨含水率增大急劇降低.含水率對(duì)土的黏聚力、內(nèi)摩擦角、剪脹性等力學(xué)特性具有重要影響.

關(guān)鍵詞：抗剪強(qiáng)度；含水率；非飽和土；力學(xué)特性；試驗(yàn)研究

傳統(tǒng)土力學(xué)所描述的對(duì)象主要是飽和重塑土，對(duì)于非飽和土的強(qiáng)度很難解釋和預(yù)測(cè).實(shí)際工程中，場(chǎng)地土多為非飽和土，受到降雨、蒸發(fā)和排水等因素影響，其含水率會(huì)經(jīng)常變化且幅度很大.而大量工程實(shí)踐及試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著含水率的變化，同一種土的抗剪強(qiáng)度、本構(gòu)關(guān)系、黏聚力、內(nèi)摩擦角等力學(xué)特性都會(huì)發(fā)生變化.許多學(xué)者針對(duì)含水率變化對(duì)土的力學(xué)特性影響問題做了大量的研究[1-6].

繆林昌等[1-3]研究了膨脹土的抗剪強(qiáng)度和含水率的關(guān)系，其直剪實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：土體的抗剪強(qiáng)度隨含水率的增加而下降，含水率的增加對(duì)黏聚力的影響比對(duì)內(nèi)摩擦角的影響要大.

凌華等[4]在改進(jìn)的普通三軸儀上進(jìn)行非飽和土的強(qiáng)度試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析含水量對(duì)非飽和土強(qiáng)度的影響，建立了非飽和土的實(shí)用強(qiáng)度公式.試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著含水量的增大，強(qiáng)度明顯減小，含水量對(duì)強(qiáng)度的影響較大；且在一定含水量范圍內(nèi)，強(qiáng)度指標(biāo)隨含水量的增大線性減小，并在此基礎(chǔ)上建立了引入含水量的非飽和土實(shí)用總應(yīng)力強(qiáng)度公式.

林鴻州等[6]以粉質(zhì)黏土為研究對(duì)象，制備不同含水率的土試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：土在含水率較低時(shí)其黏聚力隨含水率的增加而減小，內(nèi)摩擦角隨黏聚力的增加而降低.

但是由于含水率對(duì)土力學(xué)特性影響問題的復(fù)雜性，針對(duì)含水率對(duì)土力學(xué)特性影響問題的研究并不系統(tǒng)也遠(yuǎn)不夠深入，如含水率變化對(duì)土的本構(gòu)模型、強(qiáng)度模型及相關(guān)參數(shù)、剪脹性等影響規(guī)律的核心問題還有待深入.基于以上現(xiàn)狀，本文利用WF循環(huán)單剪儀對(duì)重塑砂土在不同含水率及不同壓力下進(jìn)行剪切試驗(yàn)，以期研究含水率對(duì)非飽和砂土力學(xué)特性的影響，得出含水率對(duì)非飽和砂土力學(xué)指標(biāo)影響的關(guān)系式，并在此基礎(chǔ)上建立引入含水量的非飽和砂土實(shí)用總抗剪強(qiáng)度公式，為進(jìn)一步研究提供試驗(yàn)基礎(chǔ).

1非飽和砂土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)在湖南大學(xué) WF 循環(huán)單剪試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行.該循環(huán)單剪系統(tǒng)可以進(jìn)行單向剪切和循環(huán)剪切，可實(shí)現(xiàn)位移控制或力控制，豎向可實(shí)現(xiàn)壓力恒定或位移恒定，試樣直徑 70 mm，高度可在 0～30 mm 變化，邊界條件為層疊的薄銅環(huán)（單個(gè)厚度1 mm）.該儀器對(duì)試驗(yàn)位移的控制精度可達(dá)0.001 mm，對(duì)力的控制精度可達(dá)1 N.王海東等[7]、周芬等[8]用該儀器設(shè)備進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，取得了很多的科研成果，試驗(yàn)裝置如圖 1 所示.

預(yù)先制備好不同含水率的重塑土樣，用塑料袋密封在密閉保濕容器中靜置1 d后取用.試驗(yàn)裝樣密實(shí)度通過保證試樣干密度與原狀土的干密度相同來控制，即稱取根據(jù)試樣的尺寸大?。ㄖ睆?0 mm，高20 mm）和目標(biāo)含水率下的天然密度計(jì)算所需的土樣質(zhì)量，分層擊實(shí)成型.

試驗(yàn)剪切過程中采用保持豎向壓力不變的控制模式，單向剪切速率為 1 mm/min，剪切最大位移為10 mm.試驗(yàn)中考慮法向應(yīng)力以及土樣含水率等因素的變化，其中法向壓力分別為 25，50，100，200，300 kPa 5個(gè)等級(jí)，含水率為5.4%～25.4%，含水率每級(jí)增加1%，共21種含水率.試驗(yàn)共105個(gè)工況.

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1含水率對(duì)非飽和砂土本構(gòu)關(guān)系的影響

本試驗(yàn)通過對(duì)21種不同含水率的非飽和砂土分別在法向應(yīng)力為25，50，100，200，300 kPa下進(jìn)行單向剪切試驗(yàn)，得到了不同含水率及不同壓力下非飽和砂土的應(yīng)力應(yīng)變曲線關(guān)系及抗剪強(qiáng)度值，通過數(shù)值擬合得到黏聚力及內(nèi)摩擦角.試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著相對(duì)切向位移增大， 非飽和砂土的剪切應(yīng)力峰值逐漸增大并趨于穩(wěn)定，剪切應(yīng)力相對(duì)位移關(guān)系曲線沒有表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變軟化.

圖 3 給出了非飽和砂土在不同含水率w下剪切應(yīng)力剪切位移（τu）的關(guān)系曲線.從圖中可以看出，隨著含水率的增加，剪切應(yīng)力峰值逐漸減小，并且τu曲線模型也發(fā)生明顯的變化.如圖3（c）所示，在100 kPa的法向應(yīng)力下，當(dāng)w<20.4%時(shí)，非飽和砂土的τu曲線模型近似為雙曲線模型，當(dāng)w>20.4%時(shí)，τu曲線模型近似為雙折線模型.如圖3（d）所示，在200 kPa的法向應(yīng)力下，當(dāng)w<18.4%時(shí)，非飽和砂土的τu曲線模型近似為雙曲線模型，當(dāng)w>18.4%時(shí)，τu曲線模型近似為雙折線模型.把τu曲線模型發(fā)生變化的含水率稱之為臨界含水率，記為wcr；以上試驗(yàn)現(xiàn)象表明，存在一個(gè)臨界含水率wcr，當(dāng)非飽和砂土的含水率w低于臨界含水率wcr時(shí)，τu關(guān)系曲線近似為雙曲線模型，當(dāng)含水率w高于臨界點(diǎn)含水率wcr時(shí)，τu關(guān)系曲線近似為雙折線模型，且不同正應(yīng)力σ下臨界點(diǎn)含水率wcr不同.由本文試驗(yàn)可知，正應(yīng)力σ越大，臨界點(diǎn)含水率wcr越小.不同法向應(yīng)力下對(duì)應(yīng)的臨界點(diǎn)含水率見表 2.

2.2含水率對(duì)非飽和砂土抗剪強(qiáng)度的影響

圖 4給出了4條典型含水率時(shí)的非飽和砂土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)曲線，可見各含水率下的抗剪強(qiáng)度值與法向應(yīng)力均表現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，可用摩爾庫倫強(qiáng)度關(guān)系式進(jìn)行描述：

非飽和砂土的黏聚力隨含水率變化的機(jī)理可分析如下：砂土的黏聚力主要來自土中水的毛細(xì)作用，即氣水界面的收縮膜上的表面張力的反作用力作用在土粒上，對(duì)土粒產(chǎn)生壓應(yīng)力，從而造成土的凝聚力.當(dāng)土中的含水率在一定范圍內(nèi)逐漸增加時(shí)，氣水界面的收縮膜也相應(yīng)增加，使得作用在土體內(nèi)的總壓應(yīng)力逐漸增加，黏聚力也逐漸增加，表現(xiàn)為黏聚力隨含水率增加而增加；當(dāng)含水率繼續(xù)增加時(shí)，土中原與大氣連通的氣體被水所包圍，形成氣封閉體系，這部分的氣水界面的收縮膜的表面張力不再直接作用于土體上，因此，產(chǎn)生凝聚力的外力減小，且隨著含水率的進(jìn)一步增大，土粒完全被水所包圍，起到潤(rùn)滑的作用，從而導(dǎo)致了黏聚力隨著含水率的增加而降低[4].

由此可見， 含水率對(duì)非飽和砂土黏聚力有很大的影響，是控制其抗剪強(qiáng)度的重要狀態(tài)參數(shù).

2.2.2含水率對(duì)非飽和砂土內(nèi)摩擦角的影響

圖 8 給出了非飽和砂土內(nèi)摩擦角φ與含水率w變化的關(guān)系曲線.從圖中可以看出，隨著含水率增加，砂土的內(nèi)摩擦角逐漸減小，近似為線性關(guān)系；含水率變化對(duì)非飽和砂土內(nèi)摩擦角的影響具有階段性.當(dāng)5.4 %

2.3含水率對(duì)非飽和砂土剪脹性的影響

剪脹性是指土體在剪切時(shí)產(chǎn)生體積膨脹或收縮的特性，主要是由于土顆粒在剪應(yīng)力作用下重新排列而引起的體積變化.

本文主要討論法向應(yīng)力σ及含水率w對(duì)非飽和砂土剪脹性的影響規(guī)律.圖9（a）給出了含水率為10.4%的非飽和砂土在不同法向應(yīng)力σ條件下單向剪切試驗(yàn)的相對(duì)法向應(yīng)變?chǔ)排c剪切應(yīng)力τ的關(guān)系曲線，圖9（b）給出了不同含水率的非飽和砂土在法向應(yīng)力σ=100 kPa條件下的τε關(guān)系曲線，以此作為示例來說明法向應(yīng)力和含水率對(duì)砂土力剪脹性的影響.相對(duì)法向應(yīng)變以壓縮為正，膨脹為負(fù).

如圖9（a）所示，τε關(guān)系曲線隨著法向應(yīng)力大小不同而呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì).法向應(yīng)力較小時(shí)（25 kPa，50 kPa），相對(duì)法向應(yīng)變隨剪切應(yīng)力的增加呈現(xiàn)出先增大后減小，且以減小為主的趨勢(shì)，這意味著剪切引起的結(jié)構(gòu)面附近土的體變以剪脹為主. 這主要是因?yàn)樯巴令w粒的咬合作用，使得土體在剪切時(shí)顆粒間產(chǎn)生相互干擾，隨著剪切應(yīng)力的加大，土顆粒相互翻越或抬起，從而使土中產(chǎn)生正的剪脹性[9].當(dāng)法向應(yīng)力較大時(shí)（200 kPa，300 kPa），相對(duì)法向應(yīng)變隨剪切應(yīng)力的增加而單調(diào)增大，說明剪切引起的結(jié)構(gòu)面附近土的體變表現(xiàn)為剪縮.這主要是因?yàn)閷?duì)土體進(jìn)行加剪切后，土體中的有些顆粒的接觸點(diǎn)上的剪應(yīng)力增大，有些顆粒的接觸點(diǎn)上剪應(yīng)力減小，由于土的膨脹模量與壓縮模量不同，使得土的膨脹量小于壓縮量而發(fā)生體積壓縮[9]，此外，剪切過程中砂顆粒破碎、平均孔隙率減少及大孔隙消失等原因都會(huì)導(dǎo)致土體發(fā)生剪縮[10]

由圖10（a）可知，當(dāng)法向應(yīng)力較小時(shí)（25 kPa，50 kPa），相對(duì)法向位移隨相對(duì)切向位移的增加呈現(xiàn)出先增大后減小，且以減小為主的趨勢(shì)，這意味著剪切引起的結(jié)構(gòu)面附近土的體變以剪脹為主；當(dāng)法向應(yīng)力較大時(shí)（200 kPa，300 kPa），相對(duì)法向位移隨相對(duì)切向位移的增加而單調(diào)增大，說明剪切引起的結(jié)構(gòu)面附近土的體變表現(xiàn)為剪縮.由圖10（b）可知，當(dāng)含水率w=6.4%時(shí)，相對(duì)法向位移隨相對(duì)切向位移的增加呈現(xiàn)出先增大后減小，且以減小為主的趨勢(shì).當(dāng)含水率w=10.4%時(shí)，相對(duì)法向位移隨相對(duì)切向位移的增加呈現(xiàn)出先增大后趨于穩(wěn)定且略有減少.當(dāng)含水率w>15.4%時(shí)，相對(duì)法向位移隨相對(duì)切向位移的增加呈現(xiàn)出一直增大，沒有出現(xiàn)減少的趨勢(shì)，且隨著含水率的增加，相對(duì)法向位移與相對(duì)切向位移關(guān)系曲線的斜率不斷增大.

3結(jié)論

1）隨著含水率增加，非飽和砂土的抗剪強(qiáng)度總體呈減小趨勢(shì)，且變化具有明顯的階段性，存在一個(gè)臨界含水率，當(dāng)含水率小于臨界含水率時(shí)，非飽和砂土的抗剪強(qiáng)度隨含水率增大而減小的速率較??；當(dāng)含水率高于該點(diǎn)后，抗剪強(qiáng)度隨含水率增大急劇降低.

2）含水率與非飽和砂土的應(yīng)力應(yīng)變曲線模型有著明顯的相關(guān)關(guān)系.存在一個(gè)臨界點(diǎn)，當(dāng)含水率小于臨界點(diǎn)時(shí)，土的應(yīng)力應(yīng)變曲線模型近似為雙曲線，當(dāng)含水率高于該臨界點(diǎn)時(shí)，土的應(yīng)力應(yīng)變曲線模型近似于雙折線.且該臨界含水率與抗剪強(qiáng)度變化臨界含水率相同.

3）隨著含水率的增加，非飽和砂土黏聚力的大小呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，具有明顯的峰值和階段性.

4）隨著含水率增加，非飽和砂土的內(nèi)摩擦角呈減小趨勢(shì)，具有明顯的階段性.

5）含水率對(duì)非飽和砂土的剪脹性有明顯影響，在相同的法向應(yīng)力下，隨著含水率的增加，非飽和砂土的剪脹現(xiàn)象逐漸消失，剪縮現(xiàn)象增強(qiáng).

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