張培培，羅保才，劉娉慧，王明龍，王 闖

(1.華北水利水電大學地球科學與工程學院，河南鄭州450046；2.河南省水利勘測有限公司，河南鄭州450003；3.深圳市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心，廣東深圳518034)

0 引 言

紅粘土是由碳酸鹽類巖石經(jīng)物理、化學的風化作用形成的棕紅、褐紅及褐黃色的特殊的粘性土，具有特殊的物理性質(zhì)和力學特性，如高含水率、高塑性、高強度、低密度、低壓縮性、裂隙發(fā)育以及擁有明顯的脹縮性(遇水膨脹量小，失水后強烈收縮)等。紅粘土的結(jié)構(gòu)性由于其含水率、顆粒組成、孔隙、排列方式以及顆粒間接觸和聯(lián)結(jié)方式的不同，導致其力學性質(zhì)差別較大[1]。而抗剪強度是用來表征土體力學性質(zhì)的一個重要指標，也是各種工程應用的重要參數(shù)。在實際工程中，由于受降雨、蒸發(fā)、灌溉等因素的影響，土體的含水率變化較大，嚴重影響其抗剪強度，故對特定區(qū)域土體而言，其強度變化主要受含水率的影響[2]。

目前，國內(nèi)外很多學者針對含水率對土體抗剪強度的影響進行了大量的試驗研究，邊加敏等[3]對粉質(zhì)粘土進行不同含水率下的直接剪切試驗發(fā)現(xiàn)，非飽和土含水率與粘聚力的關(guān)系近似呈二次曲線，與內(nèi)摩擦角近似呈線性關(guān)系；陳小龍等[4]對三峽庫區(qū)的滑坡黃土進行不同含水率條件下的滑帶土直剪試驗發(fā)現(xiàn)，滑帶土粘聚力及內(nèi)摩擦角均隨含水率的增大近似呈線性減小的趨勢；王闖等[5]對三峽庫區(qū)粉土進行不同含水率下的直剪試驗發(fā)現(xiàn)，土體塑限為其抗剪強度減小快慢的分界點；苗世超等[6]以新型高分子材料SH固化劑固化黃土為研究對象，剖析了不同含水率和干密度條件下固化黃土的抗剪強度特性；王亮等[7]采用十字板剪切儀研究重塑淤泥在不同含水率下的不排水強度性質(zhì)；李雪江等[8]以真三軸試驗為基礎，研究并分析了不同含水率對加筋土強度的影響；劉順青等[9]通過直剪試驗，研究了含水率對高液限土和紅粘土抗剪強度的影響，并對比分析了高液限土和紅粘土的水敏感性；畢慶濤等[10]由室內(nèi)直剪試驗發(fā)現(xiàn)含水率與紅粘土粘聚力存在階梯狀相關(guān)關(guān)系，并依據(jù)最小二乘法原理將其擬合為函數(shù)的多項式表達式；傅鑫暉等[11]采用直剪試驗儀對重塑紅粘土進行抗剪強度試驗發(fā)現(xiàn)，紅粘土的強度、粘聚力隨著含水率的變化出現(xiàn)了“雙峰”現(xiàn)象，且內(nèi)摩擦角基本保持不變；趙蕊等[12]對貴陽地區(qū)的紅粘土進行不同含水率下的三軸試驗發(fā)現(xiàn)，隨著含水率的減小，紅粘土由鼓脹破壞逐步過渡為剪切破壞，粘聚力和內(nèi)摩擦角隨含水率的增大呈現(xiàn)出階梯式減小；楊慶等[13]通過直剪試驗對紅粘土進行探索發(fā)現(xiàn)，紅粘土內(nèi)摩擦角和粘聚力與含水率之間的聯(lián)系，分別可以近似用對數(shù)和二次拋物線來表示；李濤等[14]對廣州紅粘土進行室內(nèi)剪切試驗發(fā)現(xiàn)，該類紅粘土的粘聚力隨含水率的增加與Gauss函數(shù)變化規(guī)律吻合，內(nèi)摩擦角隨含水率的增加與Sigmoidal函數(shù)相符，且當水質(zhì)量分數(shù)為0時，其達到最大值。

表1 紅粘土物理力學參數(shù)

本文在綜合分析前人關(guān)于含水率與土體抗剪強度關(guān)系的試驗研究的基礎上，以云南省臨滄市耿馬灌區(qū)某邊坡紅粘土為研究對象，采用室內(nèi)非飽和直剪儀，對不同含水率的紅粘土進行抗剪強度試驗，研究不同含水率的土體強度的變化規(guī)律，以期為該地區(qū)的工程設計和邊坡治理提供一定的參考依據(jù)。

1 試驗設計

1.1 紅粘土基本物理指標

試驗所用紅粘土取自云南省臨滄市耿馬灌區(qū)某邊坡，取土深度約1.5～2.0 m，土樣呈棕紅色或褐黃色，土質(zhì)均勻，有少量植物根莖。通過液塑限試驗，該土為高液限粘土。物理力學指標見表1。

紅粘土試樣的顆粒粒徑組成見表2。顆粒級配見圖1。從顆粒分析試驗結(jié)果可知，試樣粉粒含量(0.075～0.05 mm)最高，占61.6%；粘粒含量(<0.005 mm)占31.4%；不均勻系數(shù)Cu=20.69>5，曲率系數(shù)Cc=1.21，試樣級配良好。

表2 顆粒粒徑組成 %

圖1 顆粒級配

1.2 試驗方法

制備試樣時，控制紅粘土的干密度為1.38 g/cm3，按含水率w為8%、12%、14%、20%、24%、28%、32%和36%制備試樣，每個含水率分別制備3個土樣。將制備好的土樣分別在不同垂直壓力(100、200、300 kPa)下施加水平剪應力，獲得土樣破壞時的剪切應力，進而求得該土樣的抗剪強度。

1.3 試驗儀器

試驗采用FDJ-ZO型非飽和土直剪儀，剪切速率設置為0.8 mm/min?？辜魪姸鹊娜≈狄罁?jù)為：若剪切位移在6 mm的范圍內(nèi)呈現(xiàn)出峰值強度，則該級垂直壓力下的抗剪強度即為該峰值強度；否則，選取4 mm剪切位移時所對應的剪應力作為該級垂直壓力下的抗剪強度。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 應力與位移關(guān)系曲線

試樣的剪應力—剪切位移曲線見圖2。從圖2可知，土體的含水率w對剪應力-剪切位移關(guān)系曲線影響較大。w<20%時，剪應力-剪切位移關(guān)系曲線在不同豎向壓力下呈現(xiàn)出剪切軟化型，在剪應力增長至峰值后，隨著剪切位移的繼續(xù)增大，剪應力迅速減小，最后逐漸趨于穩(wěn)定；w>20%時，土樣的剪應力-剪切位移關(guān)系曲線則呈現(xiàn)出剪切硬化的特性，初始剪切時剪應力增長迅速，待剪切達到一定水平后，其剪切強度逐步趨于穩(wěn)定，即剪切強度基本上處于一恒值。

圖2 不同含水率下剪應力—剪切位移關(guān)系

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可以用基質(zhì)吸力來闡述。含水率較低時，土體中由于基質(zhì)吸力的存在，土體穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)力增大，在抵抗外力作用時體現(xiàn)出土體強度的增加，當外力作用使土體發(fā)生破壞時，這種結(jié)構(gòu)力產(chǎn)生一定程度的損失，強度顯著下降，即呈現(xiàn)出軟化現(xiàn)象。隨著含水率的增加，土體中基質(zhì)吸力逐步降低，而結(jié)構(gòu)力也相應減小，土體在外力作用下發(fā)生破壞時，與高基質(zhì)吸力的情況相比，相應的強度下降呈現(xiàn)并不明顯，因此在剪切過程中可能看不到顯著的軟化。

此外，從圖2還可以看出，含水率較低時，不同豎向壓力下的剪應力—剪切位移關(guān)系曲線表現(xiàn)出不同的變化趨勢。以w=12%時的位移關(guān)系曲線為例，豎向壓力為100 kPa時，剪應力-剪切位移曲線呈現(xiàn)出剪切軟化現(xiàn)象，隨著豎向壓力的增長，其軟化現(xiàn)象逐步減?。回Q向壓力達到300 kPa時，剪應力-剪切位移曲線的剪切軟化現(xiàn)象基本消失。

2.2 粘聚力

一般認為，土的粘聚力主要來源于土粒之間的相互吸引、顆粒間的膠結(jié)及水膜連結(jié)等，而顆粒間水膜連結(jié)對土的粘聚力具有重要的作用，故粘聚力隨著含水率的不同而變化較大[13]，紅粘土的粘聚力與含水率的關(guān)系見圖3。從圖3可知，隨著含水率的增加，粘聚力相應地減小，且呈非線性變化。尤其在w=8%～20%這一區(qū)段時，含水率對粘聚力的削減作用是異常顯著的；而當w=24%后，粘聚力相對較為穩(wěn)定，變化不顯著。產(chǎn)生這類現(xiàn)象的原因是：在含水率較低時，水在土體中是以結(jié)合水為主要形式存在的，具有一定的抗剪性，同時也存在毛細水基質(zhì)吸力的影響，致使土樣的粘聚力較大；隨著含水率的增加，結(jié)合水膜厚度在土顆粒表面相應增厚，水的粘滯性削弱，自由水比例逐漸增高，且土中的基質(zhì)吸力隨含水率的增大而逐步減小，致使粘聚力減小。

圖3 粘聚力與含水率的關(guān)系

針對粘聚力與含水率之間的變化關(guān)系進行回歸分析，可以近似用冪函數(shù)形式來表示

c=9.396w-0.794

(1)

式中，c為紅粘土的粘聚力。

2.3 內(nèi)摩擦角

圖4 內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系

紅粘土含水率與內(nèi)摩擦角關(guān)系見圖4。從圖4可以看出，內(nèi)摩擦角整體上隨含水率的增加而變小，作用較為明顯，且呈現(xiàn)出非線性的變化規(guī)律，與含水率對粘聚力的影響相似。當w=8%～24%時，內(nèi)摩擦角降低非常顯著，原因是隨著土樣中水分的增多，粘附在土顆粒表面的水膜增厚，促使顆粒間的摩擦系數(shù)減小，導致內(nèi)摩擦角隨含水率的增加而降低；在w=24%后，內(nèi)摩擦角降低較小，這是因為含水率較高的土樣在剪切過程中易被壓縮導致干密度變大及土樣中的水被壓出，進而引起內(nèi)摩擦角減小較少。從基質(zhì)吸力的角度分析發(fā)現(xiàn)，由于土體飽和度逐步增加，原有的負孔隙水壓力相應減小，表面張力也漸漸消失，在表面張力的作用下，土體顆粒與顆粒間的擠密作用也隨之逐步消失，致使內(nèi)摩擦角下降[9]。

針對內(nèi)摩擦角與含水率之間的關(guān)系進行回歸分析，可以近似用二次拋物線形式來表示

φ=-44.68w2-37.493w+28.162

(2)

式中，φ為紅粘土的內(nèi)摩擦角。這與張?zhí)礓h等[15]對桂林壓實紅粘土內(nèi)摩擦角隨含水率變化的研究結(jié)論相同。土的內(nèi)摩擦角與土的顆粒結(jié)構(gòu)、大小、形狀及密實度有關(guān)。此外，紅粘土由于游離氧化鐵的膠結(jié)作用而形成一定的團粒結(jié)構(gòu)，團粒間的結(jié)合狀態(tài)也與內(nèi)摩擦角有一定的關(guān)系[16]。

2.4 抗剪強度

紅粘土在不同豎向壓力作用下的抗剪強度隨含水率的變化見圖5。從圖5可知，在相同豎向壓力作用下，紅粘土的抗剪強度隨含水率的增加呈非線性減小。當w=8%～20%時，紅粘土的抗剪強度減小不明顯；而在w=20%后，抗剪強度顯著降低。這種試驗結(jié)果可用基質(zhì)吸力來解釋，基質(zhì)吸力受含水率的影響，當土體處于非飽和狀態(tài)時，由于吸力的存在，使土體穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)力增強，而結(jié)構(gòu)在抵抗外力作用時，表現(xiàn)為土體強度的增加，但隨著飽和度的增加，基質(zhì)吸力逐漸消失，結(jié)構(gòu)力相應減少，外力作用下強度下降，這是紅粘土抗剪強度隨著含水率的增加而降低的主要原因之一[16]。

圖5 不同豎向壓力下抗剪強度隨含水率的變化

2.5 強度指標

不同含水率下紅粘土的強度指標見表3。從表3可知，相同含水率狀態(tài)下，豎向壓力從100 kPa增加至300 kPa時，土樣的抗剪強度可提升1.5～2倍。其主要作用機理是由于高豎向壓力剪切過程中，在豎向應力與剪應力共同作用下，土中孔隙水滲透至上剪切盒土樣表面，使上、下剪切盒接觸面的非飽和紅粘土含水率降低，剪切面土體顆粒之間的咬合越來越密實，土中孔隙水壓力下降，土顆粒之間有效應力增加，抗剪強度隨之提高[17]。

表3 不同含水率下紅粘土的強度指標

3 結(jié) 語

本文對云南耿馬灌區(qū)不同含水率下的紅粘土進行直剪試驗研究，得出如下結(jié)論：

(1)含水率對紅粘土的剪應力-剪切位移曲線的影響表現(xiàn)為：當w<20%時，紅粘土的剪應力-剪切位移關(guān)系曲線表現(xiàn)為剪切軟化型；隨著含水率的增加，當w>20%后，其剪應力-剪切位移關(guān)系曲線則趨向于剪切硬化型。

(2)紅粘土的抗剪強度隨含水率的增大表現(xiàn)為非線性變化，w=8%～20%時，抗剪強度降低不明顯，而當w=20%～36%時，抗剪強度降低顯著，w=20%表現(xiàn)為抗剪強度減小快慢的分界點。

(3)紅粘土的粘聚力和內(nèi)摩擦角隨含水率的增加均表現(xiàn)為非線性減小，且粘聚力隨著含水率的增加呈二次多項式形式變化，而內(nèi)摩擦角則隨含水率的增加呈冪函數(shù)形式減小。