閆芙蓉，胡雪源，崔 芳

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 焦作 454000)

非飽和黃土抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究

閆芙蓉，胡雪源，崔 芳

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 焦作 454000)

為了研究黃土滑坡的發(fā)生機(jī)理及剪切破壞特征，用探井法在延安滑坡體取樣，進(jìn)行了室內(nèi)控制吸力的固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，本次試驗(yàn)共做了10組(Q3、古土壤各5組)。試驗(yàn)結(jié)果表明：兩種黃土存在不同剪切破壞面，古土壤顆粒中由于黏粒含量比較高，所以沒(méi)有明顯的剪切面；而Q3黃土由于其大孔隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)疏松，沒(méi)有黏滯性，所以剪切面上有擦痕，存在明顯的剪切面；抗剪強(qiáng)度參數(shù)會(huì)隨著實(shí)驗(yàn)過(guò)程中基質(zhì)吸力的改變而改變，黏聚力隨著基質(zhì)吸力的增加而增加，二者為線性關(guān)系；而內(nèi)摩擦角的變化很小，幾乎不隨吸力的改變而改變；隨著含水率的增加，吸力和黏聚力均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，吸力的減小降低了土顆粒之間的有效應(yīng)力，從而使土的抗剪強(qiáng)度降低。

非飽和土；黃土；基質(zhì)吸力；抗剪強(qiáng)度

土的兩個(gè)重要的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(黏聚力和內(nèi)摩擦角)，作為最重要的基本力學(xué)參數(shù),無(wú)論進(jìn)行土坡穩(wěn)定性分析、還是地基承載力評(píng)價(jià)都得到最廣泛的應(yīng)用。黃土是典型的非飽和土，早期研究土體力學(xué)是以飽和土的強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)(顆粒和水兩相介質(zhì))，而非飽和土進(jìn)入了氣體介質(zhì)，這就導(dǎo)致非飽和土的力學(xué)性狀遠(yuǎn)比飽和土復(fù)雜。至今有很多研究人員對(duì)非飽和土進(jìn)行研究，試圖提出非飽和土的抗剪強(qiáng)度公式，但由于非飽和土的復(fù)雜性，其計(jì)算公式差強(qiáng)人意。關(guān)于非飽和土抗剪強(qiáng)度理論的研究，其中最具代表性的，主要可以分為兩種Bishop和Fredlund的抗剪強(qiáng)度公式[1-2]。

1960年，Bishop等提出了非飽和土抗剪強(qiáng)度表達(dá)式：

τf=c′+[(σ-ua)+χ(ua-uw)]tanφ′

(1)

式中：c′為飽和土的有效黏聚力；ua為破壞時(shí)在破壞面上的孔隙氣壓力；uw為破壞時(shí)在破壞面上的孔隙水壓力；σ為破壞時(shí)在破壞面上的法向總應(yīng)力；φ′為與凈法向應(yīng)力(σ-ua)有關(guān)的內(nèi)摩擦角；χ是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與土的類型有關(guān)，其值確定較為困難，需要考慮非飽和土的影響、應(yīng)力路徑以及土體的飽和度。因而使該公式的推廣受到限制。

目前被廣泛接受的，應(yīng)用最多的是Fredlund的理論，認(rèn)為非飽和土的抗剪強(qiáng)度可以用擴(kuò)展的Mohr圓表示，其表達(dá)式為：

τ=c′+(σf-ua)ftanφ′+(ua-uw)ftanφb

(2)

式中：c′和φ′代表土體的有效黏聚力和有效內(nèi)摩擦角，可以由飽和土的三軸試驗(yàn)中得出，其值并不受非飽和土中吸力的影響；(σf-ua)f為土體破壞時(shí)，其破壞面上的法向應(yīng)力值；φb為隨基質(zhì)吸力變化的內(nèi)摩擦角，即為因基質(zhì)吸力增加而引起抗剪強(qiáng)度增加的曲線的傾角；(ua-uw)f為破壞時(shí)在破壞面上的基質(zhì)吸力；第三項(xiàng)為吸力對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。

為了研究黃土滑坡的發(fā)生機(jī)理及剪切破壞特征，用探井法在延安某一滑坡體中取樣，進(jìn)行了室內(nèi)控制吸力的固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，本次試驗(yàn)共做了10組(Q3黃土、古土壤各5組)。通過(guò)力學(xué)參數(shù)的變化來(lái)研究非飽和黃土的強(qiáng)度特性。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

研究非飽和黃土強(qiáng)度特性，可以進(jìn)行室內(nèi)三軸試驗(yàn)，也可以進(jìn)行室內(nèi)非飽和土直接剪切試驗(yàn)，由于非飽和土的滲透系數(shù)小，在三軸試驗(yàn)中達(dá)到破壞所需的時(shí)間可能特別長(zhǎng)，而直剪試驗(yàn)因?yàn)樵嚇拥呐潘窂蕉?，而且?jiǎn)單、實(shí)用、省時(shí)，所以特別適用于非飽和土[3-4]。鑒于此，在室內(nèi)進(jìn)行了非飽和土的直接剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)所用儀器設(shè)備為江蘇溧陽(yáng)市永昌工程試驗(yàn)儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的4FDJ-20型四聯(lián)非飽和土直剪儀，法向壓力為0～2 MPa，水平剪力為0～6 kN，剪切速率范圍在0.0024 mm/min～1.2000 mm/min之間。

為了在試驗(yàn)中有效的量測(cè)和控制吸力，在直剪試驗(yàn)儀的剪切盒底部配備高進(jìn)氣值陶土板，控制進(jìn)氣壓值為500 kPa。采用內(nèi)徑4 mm的尼龍管作為排水量測(cè)裝置。在儀器上設(shè)置一個(gè)拉桿，然后將尼龍管和最小刻度為1 mm的鋼尺一起附在拉桿上，通過(guò)鋼尺刻度來(lái)觀察水位的變化。當(dāng)排水管中當(dāng)水位對(duì)應(yīng)鋼尺刻度發(fā)生1 mm的變化時(shí)，其對(duì)應(yīng)于水體積變化是0.012 cm3。

整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中由微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(見(jiàn)圖1)，其采集試樣數(shù)據(jù)的結(jié)果有土體的豎向位移和土體的水平位移，以及在試樣上加載的豎向、水平應(yīng)力。

圖1 4FDJ-20型四聯(lián)非飽和土直剪儀及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)用土取自延安方塔水庫(kù)周邊一滑坡體，探井取樣，土樣制備規(guī)格尺寸為?61.8×20 mm，面積A=30 cm2。本次試驗(yàn)共做了10組(Q3、古土壤各5組)共40個(gè)試樣的控制吸力的固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)中吸力分別控制為5個(gè)不同的定值(0 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa)，而后逐級(jí)加大軸向應(yīng)力(50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa)，具體方案見(jiàn)表1。試驗(yàn)過(guò)程包括固結(jié)和剪切兩個(gè)階段，土樣裝入剪切盒后，先加基質(zhì)吸力，這時(shí)候土樣固結(jié)排水，待土樣的排水及體積變化都達(dá)到穩(wěn)定之后，然后施加軸向應(yīng)力使土樣繼續(xù)固結(jié)，土樣變形穩(wěn)定以后再加橫向剪切速率進(jìn)行剪切。土樣變形穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)是：每2 h變形量不超過(guò)0.01 mm。

表1 試驗(yàn)研究方案

1.3 剪切速率的選擇

非飽和土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)一般說(shuō)來(lái)應(yīng)該是以相對(duì)較慢的速率進(jìn)行的，以保證孔隙水壓力的均勻消散，參照以往經(jīng)驗(yàn)，剪切速率選擇為0.0035 mm/min(一般為0.003 mm/min～0.004 mm/min之間)，直到出現(xiàn)剪應(yīng)力峰值或剪切位移達(dá)10 mm時(shí)試驗(yàn)就可以停止。

2 試驗(yàn)結(jié)果整理

2.1 天然狀態(tài)下的剪切破壞形式

圖2為馬蘭黃土和古土壤剪切破壞后的圖，從圖2中可以看出，古土壤顆粒中由于黏粒含量比較高，存在顯著的黏滯性，所以出現(xiàn)土顆粒呈現(xiàn)為被“拖拽”似的排列，沒(méi)有明顯的剪切面，而Q3黃土由于其大孔隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)疏松，沒(méi)有黏滯性，所以剪切面上有擦痕，存在明顯的剪切面。

圖2天然狀態(tài)下黃土的破壞形式

2.2 強(qiáng)度參數(shù)的確定

(1) 有效黏聚力c′和有效內(nèi)摩擦角φ′的確定。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理出不同吸力條件下的剪應(yīng)力-豎向應(yīng)力關(guān)系曲線，近似線性關(guān)系，則直線在y軸上的截距為有效黏聚力c′，直線的傾角為有效內(nèi)摩擦角φ′(見(jiàn)圖3)。

圖3關(guān)系曲線

(2)φb的確定。當(dāng)吸力不同時(shí)，得到的抗剪強(qiáng)度也是不同的，過(guò)(0，c′)和(usi，τi)連線傾角可得吸力為usi時(shí)的φb。對(duì)于同一種土樣，可以認(rèn)為有效黏聚力的差別不大，近似為一常數(shù)，即c′不變。在同一種吸力情況下，可以通過(guò)(0，c′)和(us，c)這兩個(gè)點(diǎn)的連線的傾角確定φb(見(jiàn)圖4)。

圖4c-us關(guān)系曲線

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以整理出五種吸力條件下的豎向應(yīng)力和剪應(yīng)力關(guān)系曲線(見(jiàn)圖5)，從圖5中可以看出，剪應(yīng)力會(huì)隨著豎向應(yīng)力的增大而增大，二者近似為線性關(guān)系。利用最小二乘法線性擬合，得到不同吸力條件下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)列表如表2所示。

圖5 不同吸力條件下的剪應(yīng)力-豎向應(yīng)力關(guān)系曲線

2.3 含水率對(duì)強(qiáng)度參數(shù)的影響

由圖6可以看出，隨著含水率的增加，結(jié)合水膜的黏滯阻力減小，使得顆粒間的摩擦力隨之降低，所以吸力和黏聚力均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，吸力的下降降低了土顆粒之間的有效應(yīng)力，從而使土的抗剪強(qiáng)度減小。內(nèi)摩擦角受含水率的影響變化不是很大，從而可以看出，水對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響主要是對(duì)黏聚力c值的影響。

圖6強(qiáng)度參數(shù)隨含水率的變化曲線

2.4 吸力對(duì)強(qiáng)度參數(shù)的影響

由飽和土抗剪強(qiáng)度公式τf=c′+(σ-uw)ftanφ′可以看出，飽和土的強(qiáng)度由有效黏聚力和顆粒間的摩擦力兩部分組成。而從非飽和土的抗剪強(qiáng)度公式τ=c′+(σf-ua)ftanφ′+(ua-uw)ftanφb可以看出，其強(qiáng)度參數(shù)主要包括基質(zhì)吸力、顆粒間摩擦力以及土體的效黏聚力。將兩個(gè)公式進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)吸力(ua-uw)為零時(shí)，兩個(gè)公式表達(dá)一致。所以非飽和土的強(qiáng)度特性研究則主要是側(cè)重于基質(zhì)吸力對(duì)強(qiáng)度的影響。

另外，非飽和土抗剪強(qiáng)度公式τ=c′+(σf-ua)ftanφ′+(ua-uw)ftanφb

進(jìn)一步可改寫(xiě)為：

τf=c+s′tgφ′

(3)

其中，c=c′+stgφb；s′=σ-ua；s=ua-uw

由上式可以看出，非飽和黃土的黏聚力c是由基質(zhì)吸力引起的抗剪強(qiáng)度stgφb和飽和狀態(tài)時(shí)的黏聚力c′兩部分組成。黏聚力c′是黃土處于飽和狀態(tài)時(shí)由顆粒間分子引力、黏土礦物顆粒的黏結(jié)力和水膜的物理化學(xué)作用所形成的。從吸力與黏聚力間的關(guān)系(見(jiàn)圖7)中可以得到本次試驗(yàn)所用土的c′為3.46 kPa，這與文獻(xiàn)[5-7]的研究結(jié)果比較吻合。φb說(shuō)明抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力的變化情況，從c=c′+stgφb可以得到其表達(dá)式為：

(4)

不同的s對(duì)應(yīng)不同的c，由式子可以看出，φb不是一個(gè)常量，所以φb隨s的改變而變化，這種結(jié)果與之前研究人員提出的試驗(yàn)結(jié)果是吻合的[8-10]。Schnellmann R等[11]試驗(yàn)證明土中吸力低于土的進(jìn)氣值時(shí)，φb=φ。當(dāng)基質(zhì)吸力超過(guò)某一吸力范圍時(shí)，φb就不再是線性的，是一個(gè)變量[12-14]。摩擦力s′tgφ′只隨接觸面的法向應(yīng)力而變化，隨吸力變化不大，是由土顆粒接觸面或顆粒與膠結(jié)物質(zhì)接觸面上的摩擦產(chǎn)生的。一般認(rèn)為，黃土的強(qiáng)度受兩種黏聚力所制約：(1) 原始黏結(jié)力，由顆粒間分子引力、黏土礦物顆粒的黏結(jié)和水膜的物理化學(xué)作用所形成的，原始黏結(jié)力不隨外力的變化而變化，而與土的密度和含水率有關(guān)；(2) 加固黏聚力，由碳酸鹽、石膏及其它包圍在顆粒外部的鹽類薄膜膠結(jié)而成的。

圖7吸力對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響分析曲線

由圖7可以看出，在不變的軸向應(yīng)力的作用下，并且在試驗(yàn)所設(shè)定的吸力大小中，黏聚力隨著基質(zhì)吸力的增加也有增加的趨勢(shì)，內(nèi)摩擦角則變化很小，幾乎不變；由圖7中吸力與黏聚力之間的關(guān)系曲線可以得到試驗(yàn)用黃土的吸力影響下的摩擦角φb為7.57°。吸力摩擦角是將基質(zhì)吸力轉(zhuǎn)換成系數(shù)來(lái)表達(dá)總吸力，表明抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力變化而變化的情況，是隨吸力變化的摩擦角。由此，試驗(yàn)結(jié)果在物理意義上得出，φb值有效的反映了在非飽和土中水和土兩相介質(zhì)之間的影響效應(yīng)[15]。

2.5 古土壤強(qiáng)度參數(shù)的確定

參照馬蘭黃土，得到古土壤豎向應(yīng)力和剪應(yīng)力關(guān)系曲線(見(jiàn)圖8)，同時(shí)得到不同吸力條件下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)見(jiàn)表3。

圖8古土壤豎向應(yīng)力與剪應(yīng)力關(guān)系曲線

由表3中的數(shù)據(jù)得到古土壤的吸力隨黏聚力和內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線見(jiàn)圖9，抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力的變化而增加，而內(nèi)摩擦角變化很小，幾乎不變。通過(guò)吸力和黏聚力之間的關(guān)系曲線得到古土壤的基質(zhì)吸力影響下的內(nèi)摩擦角φb為23.5°。

表3 古土壤抗剪強(qiáng)度參數(shù)

3 結(jié) 論

(1) 兩種黃土存在不同剪切破壞面，古土壤顆粒中由于黏粒含量比較高，所以出現(xiàn)土顆粒呈現(xiàn)為被“拖拽”似的排列，沒(méi)有明顯的剪切面，而Q3黃土由于面上其大孔隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)疏松，沒(méi)有黏滯性，所以剪切面上有擦痕，存在明顯的剪切面。

(2) 不同吸力條件下的剪應(yīng)力隨著豎向應(yīng)力的增大而增大，二者近似為線性關(guān)系。

(3) 在不變的軸向荷載作用下，且在試驗(yàn)所設(shè)置的吸力大小中，隨著基質(zhì)吸力的增加，土體黏聚力也隨之增加，而內(nèi)摩擦角只有很小的變化。

圖9吸力與抗剪強(qiáng)度參數(shù)的關(guān)系曲線

(4) 隨著含水率的增加，結(jié)合水膜的黏滯阻力減小，使得顆粒間的摩擦力隨之降低，所以吸力和黏聚力均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，吸力的減小降低了土顆粒之間的有效應(yīng)力，從而使土的抗剪強(qiáng)度減少。

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ExperimentalStudyonShearStrengthCharacteristicsofUnsaturatedLoess

YAN Furong, HU Xueyuan, CUI Fang

(SchoolofCivilEngineering,He'nanPolytechnicUniversity,Jiaozuo,He'nan454000,China)

In order to analyze the mechanism of loess landslide and the shear failure features, we took samples by the exploratory method in Yan’an landslides, and carried out the indoor control suction consolidated drained shear tests. This test made 10 groups (Q3and paleosol each 5 groups) with a total of 40 samples. The test results showed that the two types of loess have different shear failure surface, and ancient soil particles due to high clay content. There is no apparent shear plane, But Q3loess for large pore development, loose structure, and no viscosity, there are obvious shear planes. Under the influence of a constant vertical stress, and within the scope of the test done by suction, with increasing matric suction increases, internal friction angle was almost unchanged and C value increased significantly. As the water content increases, viscous resistance combined with a water film is reduced, so that the friction between the particles decreases, and so the suction and cohesion show a downward trend, reducing the attraction of the effect between soil particles stress, and the shear strength of the soil is reduced.

unsaturatedsoil;loess;matricsuction;shearstrength

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.017

2017-05-12

2017-06-15

河南理工大學(xué)博士基金項(xiàng)目(72515/313)；深部礦井建設(shè)重點(diǎn)學(xué)科開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(60705/001/013)

閆芙蓉(1975—)，女，陜西戶縣人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事土力學(xué)、基坑工程等方面的研究工作。

E-mail:yanfurong302@163.com

TU43

A

1672—1144(2017)05—0100—05