李孝雄，楊煜杰，趙 卿，崔家偉

(滁州學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，安徽 滁州 239000)

土的力學(xué)性能最直接的表現(xiàn)就是體現(xiàn)在工程性質(zhì)上﹒當(dāng)含水量發(fā)生變動時，相對的土體的抗剪強(qiáng)度也會有著相應(yīng)的增加或減少[1]，特別是對于含有大量黏性成分的巖土材料，它的這一特性尤為明顯﹒在雨水充足的地區(qū)和季節(jié)進(jìn)行土方開挖與路基填筑，土體含水率的變化會有很大可能引起填筑路堤邊坡以及挖方時發(fā)生滑塌[2]﹒所以，只有充分了解土體能承受多大的豎向壓力和其他方向的剪切力，才能確保土體不會受到各種各樣的破壞[3]﹒由于土體的多樣性，即便數(shù)十年來在土力學(xué)這門學(xué)科中許多學(xué)者早已對土體抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了海量的研究，但這個問題時至今日仍有些許不足，依然存在值得研究的地方[4]﹒

目前，對含水率變動導(dǎo)致土的各項力學(xué)參數(shù)的影響的研究主要放在對土體的強(qiáng)度和彈性模量的變化上[5]﹒大多數(shù)研究者都認(rèn)為，土的各項力學(xué)參數(shù)會隨著水量的增加而趨于下降，但是也會有極少參數(shù)會在含水量增加的情況下而增大[6]﹒對于水量增加而導(dǎo)致的各項參數(shù)變化的規(guī)律沒有共識，既沒有一個統(tǒng)一的公式來描述變化的狀態(tài)，也沒有能夠用一個圖表來表現(xiàn)出變化的狀況﹒相當(dāng)一部分人覺得，土體的含水率與各項參數(shù)之間的關(guān)系，并不是簡單的線性增加或減小，在含水量增加的過程中，而是處于一種變動的狀態(tài)，且在不同土顆粒配比的情況下其變化也是不一樣的，不能使用一種固定不變的思維去看待土體與含水量之間的關(guān)系[7-9]﹒還有很多人認(rèn)為黏聚力和內(nèi)摩擦角都會在含水率增加的過程中變小，而也有一些人認(rèn)為黏聚力存在一個分界含水率，在這個含水率的兩側(cè)土的黏聚力變動會處于一種相反的 情況，摩擦角也同樣有像黏聚力一樣的分界含水率，但是在這個含水率的左邊，在含水量增加的過程中其摩擦角是處于下降狀態(tài)的，而在右邊卻無法得出一個統(tǒng)一的規(guī)律[10]﹒

綜上所述，研究土的物理參數(shù)，則避不開要去研究其力學(xué)參數(shù)，二者之間是分不開的﹒由于外部環(huán)境的改變會導(dǎo)致土的力學(xué)參數(shù)發(fā)生變動，而天然土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化也會導(dǎo)致土的力學(xué)參數(shù)發(fā)生變動，因此，土的物理性能也會隨著上述因素的變化而變化﹒那么研究土體的核心就是去研究其本身的含水率與強(qiáng)度之間的關(guān)系﹒本文通過人工配置不同土體(黏土、粉土和砂土)，深入研究其物理力學(xué)參數(shù)與含水率變化規(guī)律，旨在為該方面的研究提供一定的參考﹒

1 試驗方案及材料制備

從野外采集一定量的土體，將土體放入烘箱中將水分烘干；在不破壞土顆粒結(jié)構(gòu)的情況下利用橡膠錘將土體敲碎；根據(jù)規(guī)范要求選取不同孔徑的篩網(wǎng)，并通過振動搖篩機(jī)篩出不同粒徑的土體；按照規(guī)范要求配置一定量的砂土、黏土和粉土，即分別按照13%，17%，21%和25%的含水率加入適當(dāng)?shù)乃瞥纱笮∫恢?，密度均勻的土樣，這些土體抗剪強(qiáng)度試驗時不同土體含水率見表1；放入直剪儀剪切，記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)﹒

通過把含水率不同的4 種土體放在100，200，300 和400 kPa 的豎向壓力作用下進(jìn)行直接剪切實驗，得到了不同含水率下土體的抗剪強(qiáng)度﹒

2 結(jié)果與討論

2.1 含水率變化對黏土物理力學(xué)參數(shù)的影響

由圖1 可知，黏土的抗剪強(qiáng)度在豎向壓力增加過程中不斷增加，2 個參數(shù)之間呈正比關(guān)系；同時在含水率增加的情況下抗剪強(qiáng)度不斷變小，2個參數(shù)呈反比關(guān)系﹒黏土抗剪強(qiáng)度由400 kPa 垂直壓力下13.7%含水率所對應(yīng)的1.33 MPa 降至25.8%含水率所對應(yīng)的0.791 MPa﹒黏土抗剪強(qiáng) 度在13.7%～17.7%之間的下降幅度很小，而到了21.4%時其下降幅度迅速增加，則可以得出黏土存在一個界限含水率：17.7%～21.4%﹒在界限含水率以下時，含水量在不斷增加的狀態(tài)下，抗剪強(qiáng)度在不斷地下降，但是下降幅度并不大；而在界限含水率以上時，下降速度大大增加﹒

圖1 不同含水率下黏土抗剪強(qiáng)度與垂直壓力對比

圖2 不同含水率下黏土土體力學(xué)參數(shù)

由圖2 可知，隨著黏土含水率的增加，粘聚 力開始迅速下降﹒試驗土樣在13.5%含水率條件下測得的粘聚力為0.93 kPa，而在25.8%的含水率條件下測得的粘聚力則降到了0.38 kPa，下降幅度達(dá)到了58.8%﹒黏土在含水率處于15%～20%之間時，粘聚力下降很快，而在含水率處于20%～25%時，粘聚力仍在下降，但是下降的速度明顯放緩，則可得出黏土在20%含水率以上時粘聚力下降速度很快，而在20%以下時，下降速度變緩﹒摩擦角處于緩慢下降狀態(tài)，由7.5°降至6.5°，變化幅度不大，也沒有變化轉(zhuǎn)折點﹒由此可知，黏土含水率的變動對于其摩擦角的變動有一定的影響，但不大，可以忽略不計﹒

2.2 含水率變化對粉土物理力學(xué)參數(shù)的影響

由圖3 可以看出，粉土的豎向壓力增大后其抗剪強(qiáng)度也在變大，抗剪強(qiáng)度與垂直壓力呈正比關(guān)系；隨著水量的增大，抗剪強(qiáng)度卻在慢慢變小，粉土抗剪強(qiáng)度與含水率呈反比關(guān)系﹒粉土抗剪強(qiáng)度由400 kPa 垂直壓力下13.7%含水率所對應(yīng)的1.25 MPa 降至25.3%含水率所對應(yīng)的0.65 MPa﹒同時由圖3 可知，粉土抗剪強(qiáng)度在13.7%～17.1%，17.1%～21.9%，21.9%～25.3%之間變化的速度都很均勻，均處于23%左右的降幅，并沒有出現(xiàn)類似于黏土那樣的界限含水率現(xiàn)象﹒

圖3 不同含水率下粉土抗剪強(qiáng)度與垂直壓力對比

圖4 粉土不同含水率下土體力學(xué)參數(shù)

由圖4 可知，粉土的含水量在增加的過程中其黏聚力迅速下降﹒試驗土樣在13.7%含水率條件下測得的粘聚力為0.69 kPa，而在25.3%的含水率條件下測得的粘聚力則降到了0.23 kPa，下降幅度達(dá)到了65.8%﹒由此可知，含水率變化對于粉土的粘聚力的變動有很大影響，粉土在含水率處于15%～17%之間時，其粘聚力降低的速率很快；在含水率處于18%～21%時，其粘聚力下降趨勢均處于比較緩慢的狀態(tài)；當(dāng)含水率超過21%時，粘聚力下降速率又迅速增快﹒粉土的摩擦角在含水量增高的過程中在減小，由13.7%含水率的10°降至25.3%含水率的8°，但是減小的幅度并不大，且也沒有變化轉(zhuǎn)折點，變化速度很平緩﹒由此可知，粉土含水率的變動對于其摩擦角的變動有一定的影響，但不大，可忽略不計﹒

2.3 含水率變化對砂土物理力學(xué)參數(shù)的影響

由圖5 可以看出，隨著豎向壓力的加大，砂土的抗剪強(qiáng)度也在變大，抗剪強(qiáng)度與垂直壓力呈正比關(guān)系；當(dāng)含水量變大時其抗剪強(qiáng)度卻在不斷地變小，二者呈反比關(guān)系﹒砂土抗剪強(qiáng)度由400 kPa 垂直壓力下13.3%含水率所對應(yīng)的1.20 MPa降至25.1%含水率所對應(yīng)的0.54 MPa﹒粉土抗剪強(qiáng)度在13.3%～17.6%，17.6%～21.4%，21.4%～25.1%之間變化的速度都很均勻，并沒有出現(xiàn)類似于黏土那樣的界限含水率現(xiàn)象﹒

圖5 砂土不同含水率下抗剪強(qiáng)度與垂直壓力對比

圖6 砂土不同含水率下的摩擦角

由圖6 可知，砂土的摩擦角在其含水量增加的過程中是處于減小狀態(tài)的，由13.3%含水率的12°降至25.1%含水率的9.5°，減小的幅度不大，且沒有變化轉(zhuǎn)折點，變化速度平緩﹒可知，砂土含水率的變動對于其摩擦角的變動有一定的影響，但不大，可忽略不計﹒

2.4 含水率變化對土體物理力學(xué)參數(shù)的影響

由上述結(jié)果可知，含水率的變化對不同土體(砂土、粉土和黏土)內(nèi)摩擦角影響較小，可忽略不計，但對粘聚力影響較大﹒土體粘聚力隨含水率的變化幅度如圖7 所示﹒

從圖7 可看出，黏土在含水率為15%～18%時，其粘聚力處于平穩(wěn)的下降趨勢，下降的幅度并不大；當(dāng)含水率由18%增長到19%時，其粘聚力迅速下降；當(dāng)含水率為20%～21%時，其粘聚力保持了大致相同的下降速率；當(dāng)含水率超出21%時粘聚力下降速率快速放緩，含水率為22%～25%時，粘聚力仍在下降，但下降速度明顯放緩﹒粉土含水率為15%～17%時，其粘聚力下降速度很快；當(dāng)含水率達(dá)到18%時，其粘聚力下降速率明顯放緩；在含水率為18%～21%時，下降趨勢均處于較慢的狀態(tài)；當(dāng)含水率超過21%時，粘聚力下降速率又迅速增快，隨著含水率的增加，下降速度也在不斷增加﹒綜上所述，含水率的增加對粉土粘聚力的影響要大于對黏土粘聚力的影響﹒

圖7 土體力學(xué)參數(shù)隨含水率變化

3 結(jié)論

1)含水率對于不同土顆粒配比的物理性能均有很大的影響，其中對于粘聚力的影響最大﹒含水率在增加的狀態(tài)下粘聚力會隨之迅速變小，不同土體的下降幅度處于不同的水平，黏土在20%含水率以上時粘聚力下降速度很快，而在20%以下時，下降速度變緩；粉土含水率超過21%時，其粘聚力下降趨勢迅速變快，并且隨著含水率的增長而增長﹒

2)含水率對于摩擦角的影響非常小﹒含水率的增加對于無論哪種土顆粒配比的土樣均沒有太大幅度的下降，因而在現(xiàn)實應(yīng)用中可以忽略含水率對摩擦角的影響﹒在3 種土樣中，含水率增加摩擦角下降最多的是砂性土樣，粘性土與粉性土的下降幅度類似﹒

3)不同土顆粒配比的土樣在含水量增加的過程中其抗剪強(qiáng)度會變小，但是除了黏土含水率在17.7%～21.4%時下降速度明顯加快外，砂土與粉土均處于勻速下降的狀態(tài)﹒