武明娟,屈川翔，熊志為，郭志華，曾江波

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.香港科技大學(xué)土木與環(huán)境工程系，香港 999077；3.中南安全環(huán)境技術(shù)研究院股份有限公司，湖北 武漢 430071；4.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210024；5.深圳市勘察測(cè)繪院(集團(tuán))有限公司，廣東 深圳 518028)

2015年深圳紅坳渣土受納場(chǎng)發(fā)生重大滑坡事故，造成73人死亡、17人重傷、4人下落不明，33棟建筑物被毀，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)8.81億元[1]。經(jīng)研究表明，該渣土受納場(chǎng)滑坡是由于前期降雨引起坡體內(nèi)含水率急劇升高，導(dǎo)致坡體排水系統(tǒng)失效而使土體強(qiáng)度急劇降低所致。而深圳地區(qū)余泥渣土受納場(chǎng)數(shù)量多、分布廣、容積大，所以研究該地區(qū)余泥渣土體的剪切強(qiáng)度對(duì)于此類邊坡的防治有重大意義。

余泥渣土體較一般土有明顯的不均勻性，土體成分復(fù)雜多樣，偶見磚渣，主要來源于構(gòu)筑物修建、地下工程項(xiàng)目施工和舊城區(qū)改造等城市化建設(shè)，土體顆粒的粒徑差異較大。余泥渣土受納場(chǎng)(見圖1)堆積斜坡的自然沉積固結(jié)時(shí)間短，土體的密實(shí)程度不均勻，因階段性堆填施工而存在明顯的分層現(xiàn)象。深圳地區(qū)雨季集中，降雨量豐富，余泥渣土受納場(chǎng)邊坡受到降雨的影響，其含水率迅速升高，土體抗剪強(qiáng)度降低，則會(huì)更容易引起整個(gè)邊坡的失穩(wěn)，進(jìn)而引發(fā)滑坡災(zāi)害。

圖1 余泥渣土受納場(chǎng)Fig.1 Residual soil receiving field

歷年來對(duì)于土體強(qiáng)度的研究很多，如Lambe[2]研究認(rèn)為土體壓實(shí)性能和干密度相同時(shí)，最優(yōu)含水率下較干側(cè)土比濕側(cè)土的強(qiáng)度和滲透性都高；Micheal[3]則研究認(rèn)為非飽和狀態(tài)黏土中，含水率低于最優(yōu)含水率時(shí)，其黏聚力隨含水率的降低而減??；Braja[4]研究認(rèn)為壓實(shí)膨脹土中，含水率在塑限以下，黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨含水率的增高而降低，而含水率大于塑限，其內(nèi)摩擦角則趨于恒定值；李振等[5]通過對(duì)干密度和細(xì)粒含量對(duì)砂卵石及碎石抗剪強(qiáng)度的影響的研究結(jié)果表明其內(nèi)摩擦角與細(xì)粒含量有關(guān)，抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨干密度的增大而增大，并趨于定值；武科等[6]則通過對(duì)不同級(jí)配填土壓實(shí)性能和滲透性的研究，認(rèn)為填土滲透性隨壓實(shí)度的增大而呈現(xiàn)非線性減小的變化特征；王林浩等[7]、黃琨等[8]、王來貴等[9]對(duì)土體含水率和壓實(shí)度展開了研究，認(rèn)為土體抗剪強(qiáng)度的變化是含水率和壓實(shí)度共同影響引起的，并得出了相應(yīng)的變化規(guī)律。

深圳地區(qū)余泥渣土體具有壓實(shí)度不均、粒徑差異大等特點(diǎn)，且由于深圳地區(qū)雨季又相對(duì)集中，余泥渣土受納場(chǎng)邊坡失穩(wěn)的概率會(huì)更高，故針對(duì)深圳地區(qū)余泥渣土體的特性，揭示其剪切強(qiáng)度隨影響因素的變化規(guī)律極為重要。因此，本文采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，借助室內(nèi)土工試驗(yàn)來分析多因素下余泥渣土體剪切強(qiáng)度的變化特征，進(jìn)一步分析余泥渣土壓實(shí)度與土體剪切強(qiáng)度、飽和滲透系數(shù)的關(guān)系，為該地區(qū)余泥渣土受納場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與防治工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 正交試驗(yàn)原理

正交試驗(yàn)以概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用標(biāo)準(zhǔn)化正交試驗(yàn)表安排試驗(yàn)方案，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算與分析，最終迅速找到優(yōu)化方案，是一種高效處理多因素優(yōu)化問題的科學(xué)方法。該方法由統(tǒng)計(jì)學(xué)家田口玄一在1951年提出，在實(shí)踐中逐漸被認(rèn)可，已廣泛拓展到各種領(lǐng)域，并取得了可靠的試驗(yàn)結(jié)果[10-14]。

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是挑選出具有代表性的試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，通過代表性試驗(yàn)結(jié)果了解全面試驗(yàn)的情況。代表性的試驗(yàn)點(diǎn)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化正交試驗(yàn)表來設(shè)計(jì)，該表使正交試驗(yàn)具備了分散性和整齊可比性，不僅能夠確定出各因素的主次效應(yīng)順序，而且可以應(yīng)用方差分析對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出各因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響程度，從而找出優(yōu)化條件或者最優(yōu)組合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)的目的。

2 正交試驗(yàn)過程與結(jié)果

2. 1 參數(shù)選取

本次試驗(yàn)土樣取自深圳市育新小學(xué)附近的余泥渣土受納場(chǎng)，所取土樣的成分以人工填土為主、花崗巖和殘積土為輔。由于受室內(nèi)試驗(yàn)條件限制，本文以顆粒較小的余泥渣土體為研究對(duì)象，將其烘干、篩分，并確定試驗(yàn)土樣顆粒級(jí)配分布曲線(見圖2)。從土的顆粒級(jí)配指標(biāo)來看，該試驗(yàn)土樣屬于級(jí)配良好土。為了統(tǒng)一土的顆粒級(jí)配指標(biāo)不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc，本次試驗(yàn)采用平均粒徑d50與原樣土樣一致，通過改變其顆粒級(jí)配曲線的陡緩程度來進(jìn)行分析。鑒于細(xì)粒土含量對(duì)于土的工程地質(zhì)性質(zhì)影響顯著，故將大于平均粒徑d50的土顆粒含量基本保持一致，而對(duì)于小于平均粒徑d50的土顆粒含量改變較大。試驗(yàn)采用的5種土樣的顆粒級(jí)配分布曲線見圖2。

圖2 試驗(yàn)土樣顆粒級(jí)配分布曲線圖Fig.2 Particle size distribution curves of the test soil samples

暴露于自然界中的斜坡，受到降雨、蒸發(fā)等自然因素的影響，土體的含水率變化較大。結(jié)合一般砂土的工程地質(zhì)性質(zhì)和前人的研究成果，為了揭示不同含水率下余泥渣土體剪切強(qiáng)度的變化規(guī)律，本試驗(yàn)將土體含水率的變化范圍設(shè)定為10%～18%，梯度為2%，見表1。

表1 試驗(yàn)因素水平表

土體的密實(shí)程度用壓實(shí)度k表示，其計(jì)算公式如下：

k=ρd/ρd(max)

(1)

式中：ρd為土樣干密度(g/cm3)；ρd(max)為土樣最大干密度(g/cm3)，由土樣標(biāo)準(zhǔn)輕型擊實(shí)試驗(yàn)確定。

根據(jù)相關(guān)的渣土邊坡規(guī)范和相關(guān)文獻(xiàn)[9]，將土體的壓實(shí)度范圍控制在0.80～1.00之間，梯度為0.05。

2. 2 正交試驗(yàn)方案

2.2.1 正交試驗(yàn)表的確定

試驗(yàn)因素為顆粒級(jí)配(A)、含水率(B)和壓實(shí)度(C)3個(gè)，即m=3，各因素水平均為5，即n=5。該正交試驗(yàn)為三因素五水平的同水平試驗(yàn)，自由度總和為3×(5-1)=12，采用L25(56)的正交試驗(yàn)表進(jìn)行試驗(yàn)，并選擇三列(2、4、5)為因素參數(shù)列，剩下三列(3、6、7)作為誤差列進(jìn)行誤差分析，見表2。

表2 正交試驗(yàn)表

2.2.2 試驗(yàn)步驟

本次正交試驗(yàn)具體步驟如下：

(1) 烘干土樣，進(jìn)行篩分后繪制原始土樣的顆粒級(jí)配分布曲線，并確定土樣顆粒級(jí)配、含水率和壓實(shí)度的變化范圍。

(2) 選擇標(biāo)準(zhǔn)正交試驗(yàn)表，確定因素所在列和誤差分析列。

(3) 對(duì)于5種顆粒級(jí)配的土樣進(jìn)行配比，利用搓條法得出土樣的塑限，并通過土樣標(biāo)準(zhǔn)輕型擊實(shí)試驗(yàn)，確定5種顆粒級(jí)配的重塑土樣的最大干密度和最優(yōu)含水率。

(4) 采用擊樣法制備重塑土樣25種，每種土樣制備4個(gè)，共計(jì)100個(gè)重塑土樣。

(5) 采用常規(guī)直剪儀進(jìn)行不排水不固結(jié)剪切試驗(yàn)，分別得出25種重塑土樣在豎向荷載分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa下的剪切位移量，并得出其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ。

(6) 運(yùn)用SPSS數(shù)值分析軟件進(jìn)行正交試驗(yàn)分析，分別對(duì)土樣黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ進(jìn)行顯著性分析，得出3個(gè)因素對(duì)于土體抗剪強(qiáng)度各指標(biāo)的一般性影響規(guī)律。

2. 3 試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 塑限試驗(yàn)

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)的土樣粒徑要求，對(duì)小于5 mm土顆粒的比例重新配比，即為等效原土的土樣。保持平均粒徑d50不變，通過控制土樣顆粒級(jí)配曲線的陡緩來研究顆粒級(jí)配對(duì)土樣抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響。上陡下陡第一種簡記為“陡一”，上陡下陡第二種簡記為“陡二”，上陡下緩第一種簡記為“緩一”，上陡下緩第二種簡記為“緩二”，等效原土比例的簡記為“原土”，5條顆粒級(jí)配曲線的陡緩程度見圖2。取不同顆粒級(jí)配下的干土樣適量，通過搓條法進(jìn)行塑限試驗(yàn)，測(cè)得其塑限數(shù)值，其結(jié)果見圖3。

圖3 試驗(yàn)土樣的塑限、最優(yōu)含水率和最大干密度分布圖Fig.3 Plastic limit,optimal moisture content and maximum dry density distribution of the test soil samples

2.3.2 擊實(shí)試驗(yàn)

根據(jù)土樣塑限數(shù)值，分別制備不同顆粒級(jí)配下的5種含水率土樣，其中土樣含水率中值等于塑限，兩個(gè)較大值高于塑限，兩個(gè)較小值低于塑限，每兩個(gè)值的梯度為2%。為了減小試驗(yàn)誤差，采用噴壺噴灑土樣，并采用保鮮膜防止水分蒸發(fā)，通過靜置24 h使土樣和水分充分混合。

試驗(yàn)土樣分3層擊實(shí)，每層25擊，擊實(shí)后，擦拭干凈擊實(shí)筒外壁，稱重?fù)魧?shí)筒與試樣總質(zhì)量，計(jì)算試樣濕密度，并取2個(gè)試樣點(diǎn)進(jìn)行試樣含水率的測(cè)定，根據(jù)試樣含水率和濕密度的數(shù)值，計(jì)算該含水率下的干密度。

本文采用馮忠居等[14]提出的插值函數(shù)計(jì)算法來求得土體的最優(yōu)含水率w和最大干密度ρd。假設(shè)土體ρd與ω的關(guān)系曲線為拋物線型(見圖4)，其關(guān)系式滿足下式：

L2(w)=C0ρd0+C1ρd1+C2ρd2

(2)

式中：ρd0、ρd1、ρd2分別為土體濕密度計(jì)算結(jié)果中較大者；C0=(w-w1)(w-w2)/(w0-w1)(ω0-ω2),C1=(w-w0)(w-w2)/(w1-w0)(w1-w2),C2=(w-w0)(w-w1)/(w2-w0)(w2-w1);w0、w1、w2分別為土體濕密度對(duì)應(yīng)的含水率。

通過對(duì)L2(w)求導(dǎo)，一階導(dǎo)數(shù)的零點(diǎn)即為土樣的最優(yōu)含水率，其對(duì)應(yīng)的函數(shù)值即為土樣的最大干密度ρd(max)，其結(jié)果見圖3。

圖4 試驗(yàn)土樣擊實(shí)試驗(yàn)的擬合曲線圖Fig.4 Fitting curves of density distribution in the compaction test of the test soil samples

2.3.3 直剪試驗(yàn)

采用擊樣法制備重塑土樣，同一種參數(shù)的環(huán)刀樣制作4個(gè)重塑土樣，開展4種不同豎向荷載δ下的直剪試驗(yàn)，得出試驗(yàn)土樣的剪切強(qiáng)度τ以及黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ[15]，其結(jié)果見圖5。

2.3.4 正交試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)土樣的正交試驗(yàn)結(jié)果，見表3。

圖5 試驗(yàn)土樣正交試驗(yàn)的剪切曲線Fig.5 Orthogonal test shear curves of the test soil samples

表3 試驗(yàn)土樣的正交試驗(yàn)結(jié)果

3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)土樣黏聚力c的正交試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1.1 極差分析

極差分析是因素中最好水平與最差水平的指標(biāo)之差，是度量數(shù)據(jù)波動(dòng)大小的一個(gè)重要指標(biāo)[16]。極差越大，表明該因素的水平改變對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的影響越大，即極差最大的因素即為最主要的影響因素；反之，則可認(rèn)為在本次試驗(yàn)中，該因素的水平改變對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的影響較小。

對(duì)試驗(yàn)土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c的正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了極差分析，其結(jié)果見表4。其中，Kij表示因素i第j水平的試驗(yàn)指標(biāo)值;Yijk表示在因素i第j水平下的第k個(gè)試驗(yàn)結(jié)果，則有:

(3)

kij=Kij/n

(4)

其中,n=5；i=A、B、C；j=1,2,…,n；k=1,2,…,n。

評(píng)價(jià)因素顯著性的參數(shù)為極差Ri,其計(jì)算公式為

Ri=max{Ki1,Ki2,…,Kin}-min{Ki1,Ki2,…,Kin}

(5)

由表4可知，極差最大的因素為含水率，故含水率為影響土樣黏聚力c的主要影響因素，次要影響因素依次為壓實(shí)度和顆粒級(jí)配。

表4 試驗(yàn)土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c的極差分析結(jié)果

為了能夠形象直觀地比較這三個(gè)因素對(duì)于試驗(yàn)土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c的影響，繪制出了試驗(yàn)土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力與各影響因素每個(gè)水平均值的關(guān)系曲線，見圖6。

圖6 試驗(yàn)土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c與各影響因素的 關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between shear strength parameter cohesion c of the test soil samples and the influencing factors

由圖6可見，當(dāng)顆粒級(jí)配為“緩二”、含水率為10%、壓實(shí)度為95%時(shí)，試驗(yàn)土樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c達(dá)到最大值。

3.1.2 方差分析

方差分析與極差分析相比，能夠正確地分析出引起試驗(yàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)的原因是試驗(yàn)條件改變或者試驗(yàn)誤差。對(duì)試驗(yàn)土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c的正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了方差分析，其結(jié)果見表5。

表5 試驗(yàn)土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c的方差分析結(jié)果

由表5可知，有MSA?MSe(誤差列均差)、MSC?MSe，所以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了校正，將因素A和因素C的偏差平方和并入誤差平方和，該兩個(gè)因素的自由度也歸于誤差平方和的自由度；FB=8.3>F0.05(4,20)=2.87，故在顯著性水平為0.05時(shí)，因素B即含水率對(duì)于試驗(yàn)土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c的影響顯著性高。

3.2 試驗(yàn)土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角φ的正交試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 極差分析

對(duì)試驗(yàn)土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角的正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了極差分析，其結(jié)果見表6，并繪制試驗(yàn)土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角φ與各影響因素每個(gè)水平均值的關(guān)系曲線，見圖7。

表6 試驗(yàn)土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角φ的極差分析結(jié)果

由表6和圖7可見，RA>RC>RB，因素A顆粒級(jí)配的數(shù)據(jù)點(diǎn)散布較大，即可認(rèn)為顆粒級(jí)配是影響試驗(yàn)土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角φ的主要因素；因素c壓實(shí)度的數(shù)據(jù)點(diǎn)散布相對(duì)較小，其影響力則也相對(duì)較小；在3個(gè)因素中，因素B含水率的數(shù)據(jù)點(diǎn)散布最小，即認(rèn)為該因素對(duì)于試驗(yàn)土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角φ的影響最小。綜上所述，對(duì)試驗(yàn)土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角φ的影響程度從強(qiáng)到弱依次為A>C>B。

圖7 試驗(yàn)土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角φ與各影響因素 的關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between shear strength parameter internal friction angle φ of the test soil samples and the influencing factors

由圖7還可以看出，當(dāng)含水率為16%、顆粒級(jí)配為“緩一”、壓實(shí)度為95%時(shí)，試驗(yàn)土樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角取得最大值。

3.2.2 方差分析

對(duì)試驗(yàn)土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角φ正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了方差分析，其結(jié)果見表7。

表7 試驗(yàn)土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角φ的方差分析結(jié)果

由表7可知，有MSB?MSe，所以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了校正，將因素B的偏差平方和并入誤差平方和，該因素的自由度也歸于誤差平方和的自由度；FA>F0.05(4,16)=3.01，故在顯著性水平為0.05時(shí)，因素A即顆粒級(jí)配對(duì)于試驗(yàn)土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角φ的影響顯著性高，而因素C即壓實(shí)度的影響并不顯著。

3.3 試驗(yàn)土樣剪切強(qiáng)度τ的正交試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 極差分析

除了對(duì)試驗(yàn)土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ進(jìn)行極差分析和方差分析以外，試驗(yàn)土樣剪切強(qiáng)度τ本身也是反映巖土體性質(zhì)的重要參數(shù)，故本文同樣采用了極差分析和方差分析兩種方法，對(duì)于不同豎向荷載δ下重塑土樣的剪切強(qiáng)度值逐一進(jìn)行分析，其極差分析結(jié)果見表8。不同豎向荷載下重塑土樣剪切強(qiáng)度τ與各影響因素的關(guān)系曲線，見圖8。

表8 不同豎向荷載下重塑土樣剪切強(qiáng)度τ的極差分析結(jié)果

由表8可知，當(dāng)豎向荷載為100 kPa時(shí)，因素B的極差數(shù)值最大，即對(duì)豎向荷載為100 kPa下試驗(yàn)土樣剪切強(qiáng)度影響最大的因素為含水率，其次為顆粒級(jí)配，影響最小的因素為壓實(shí)度；當(dāng)豎向荷載為200 kPa時(shí)，同樣是因素B的極差數(shù)值最大，即對(duì)豎向荷載為200 kPa下試驗(yàn)土樣剪切強(qiáng)度影響最大的因素仍為含水率，其次為壓實(shí)度，影響最小的因素為顆粒級(jí)配;當(dāng)豎向荷載為300 kPa時(shí)，與100 kPa的情況類似，影響因素由大到小的順序?yàn)楹?顆粒級(jí)配>壓實(shí)度；當(dāng)豎向荷載為400 kPa時(shí)，極差最大即影響因素顯著性最高的是顆粒級(jí)配，其次依次為含水率和壓實(shí)度。

圖8 不同豎向荷載下重塑土樣剪切強(qiáng)度τ與各影響 因素的關(guān)系曲線Fig.8 Relationship between shear strength of the remoulded soil samples and various factors under different vertical loads

由圖8可見，不同豎向荷載下重塑土樣剪切強(qiáng)度與顆粒級(jí)配的變化曲線總體表現(xiàn)為隨著顆粒級(jí)配的增加，其剪切強(qiáng)度在不同的豎向荷載下均呈現(xiàn)出不斷增加的變化趨勢(shì)，說明顆粒級(jí)配曲線的陡緩程度對(duì)于土體剪切強(qiáng)度有一定的影響[見圖8(a)]；不同豎向荷載下重塑土樣剪切強(qiáng)度與含水率的變化曲線表現(xiàn)為隨著含水率的增加，其剪切強(qiáng)度在不同的豎向荷載下均呈現(xiàn)出不斷減小的變化趨勢(shì)，即含水率的增加會(huì)造成土體剪切強(qiáng)度的衰減[見圖8(b)];不同豎向荷載下重塑土樣剪切強(qiáng)度與壓實(shí)度的變化曲線所呈現(xiàn)的變化規(guī)律并不一致，從壓實(shí)度由0.80到0.90的變化來看，土體剪切強(qiáng)度均呈現(xiàn)先減小再增加的變化趨勢(shì)，當(dāng)壓實(shí)度的變化范圍為0.90～1.00之間時(shí)，在不同的豎向荷載下土體剪切強(qiáng)度的變化規(guī)律并不一致，但是總體而言均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)[見圖8(c)]。

3.3.2 方差分析

對(duì)不同豎向荷載下重塑土樣剪切強(qiáng)度τ的正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了方差分析，其結(jié)果見表9。

表9 不同豎向荷載下重塑土樣剪切強(qiáng)度的方差分析結(jié)果

由表9可知，當(dāng)δ=100 kPa時(shí)，存在MSC?MSe，將因素C的偏差平方和并入誤差平方和，該因素的自由度也歸于誤差平方和的自由度，重新計(jì)算F值;當(dāng)δ=100 kPa時(shí)，F(xiàn)B?F0.05(4,16)=3.01，F(xiàn)A>F0.05(4，16)，故在顯著性水平為0.05時(shí)，因素B即含水率對(duì)于重塑土樣剪切強(qiáng)度的影響顯著性較高，而因素A即顆粒級(jí)配則相對(duì)顯著；當(dāng)δ=200 kPa時(shí)，F(xiàn)B?F0.05(4,12)=3.26，F(xiàn)C?F0.05(4，12)，故在顯著性水平為0.05時(shí)，因素B即含水率和因素C即壓實(shí)度對(duì)于土體剪切強(qiáng)度的影響顯著性均較高；當(dāng)δ=300 kPa時(shí)，F(xiàn)AF0.05(4,12)=3.26，F(xiàn)B>F0.05(4，12)，F(xiàn)C>F0.05(4,12)，故在顯著性水平為0.05時(shí)，3個(gè)影響因素即顆粒級(jí)配、含水率和壓實(shí)度對(duì)于土體剪切強(qiáng)度的影響顯著性均較高。

4 討 論

從正交試驗(yàn)的結(jié)果來看，對(duì)試驗(yàn)土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力影響最大的因素是含水率，對(duì)試驗(yàn)土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角影響最大的因素是顆粒級(jí)配，而對(duì)于試驗(yàn)土樣剪切強(qiáng)度的影響因素比較復(fù)雜，但從整體來講，影響最為顯著的因素同樣是含水率。由此可見，含水率對(duì)于深圳地區(qū)余泥渣土體抗剪強(qiáng)度特性的影響非常顯著，相比而言，壓實(shí)度對(duì)余泥渣土體抗剪強(qiáng)度特性的影響稍弱于含水率。

對(duì)余泥渣土受納場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性起決定性作用的是物源區(qū)域的余泥渣土，從工程實(shí)踐來看，人為干預(yù)邊坡土體含水率而防護(hù)邊坡的措施實(shí)施起來較困難，而控制余泥渣土的密實(shí)度即壓實(shí)度則是相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)的，而且其密實(shí)度控制會(huì)影響工程量的大小，更重要的是余泥渣土壓實(shí)度直接影響著邊坡的穩(wěn)定性，所以討論密實(shí)度對(duì)余泥渣土剪切強(qiáng)度的作用機(jī)制對(duì)工程實(shí)踐具有重要意義。

從余泥渣土受納場(chǎng)邊坡來看，壓實(shí)度是其區(qū)別于自然邊坡的顯著特征，在余泥渣土受納場(chǎng)的堆積過程中，每層土體堆積后即可采取碾壓、夯實(shí)等方法控制各個(gè)分層土體的密實(shí)度，且操作簡便。因此，研究其壓實(shí)度與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系對(duì)于余泥渣土受納場(chǎng)邊坡的防護(hù)具有十分重要的作用[17-18]。故本文在上述研究的基礎(chǔ)上，開展了壓實(shí)度與余泥渣土體強(qiáng)度特性和滲透特性的相關(guān)試驗(yàn)，重點(diǎn)研究壓實(shí)度k取值在0.90～1.00范圍時(shí)，余泥渣土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ和飽和滲透系數(shù)K(sat)的變化規(guī)律。

4. 1 剪切強(qiáng)度與試驗(yàn)土樣壓實(shí)度的關(guān)系分析

為了研究壓實(shí)度k對(duì)于余泥渣土體抗剪強(qiáng)度τ的影響，選取試驗(yàn)土樣的顆粒級(jí)配為緩一、含水率為14%，其壓實(shí)度分布在0.90～1.00之間，梯度為0.02，用擊樣法制備擾動(dòng)土的重塑試樣，共計(jì)6組，每組5個(gè)重塑試樣，然后依次完成不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)土樣的剪切試驗(yàn)結(jié)果見圖9。

圖9 不同壓實(shí)度下試驗(yàn)土樣的剪切曲線Fig.9 Shear curves under different compaction degrees

不同壓實(shí)度下試驗(yàn)土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化曲線，見圖10。

圖10 不同壓實(shí)度下試驗(yàn)土樣黏聚力c和內(nèi)摩擦角 φ的變化曲線Fig.10 Change curve of cohesion c and internal friction angle φ of the test soil samples under different compaction degrees

由圖10可見，試驗(yàn)土樣黏聚力c與壓實(shí)度k大致呈拋物線型的函數(shù)關(guān)系，其隨著壓實(shí)度的增加而不斷增大，當(dāng)壓實(shí)度接近最大值，即試樣的干密度接近最大干密度時(shí)，試驗(yàn)土樣黏聚力的增長速度變緩，逐漸趨于某一個(gè)定值；試驗(yàn)土樣內(nèi)摩擦角φ隨壓實(shí)度k的變化并不很大，浮動(dòng)范圍很小，大致呈拋物線的函數(shù)關(guān)系，而且在研究的壓實(shí)度范圍內(nèi)其存在最小值，即k=94%時(shí)，試驗(yàn)土樣的內(nèi)摩擦角φ最小，其值為12.05°。

由庫侖定律可知，在同一豎向荷載壓力下，土體剪切強(qiáng)度主要受黏聚力的影響較大，所以假設(shè)豎向荷載為單位1，擬合得到試驗(yàn)土樣剪切強(qiáng)度與壓實(shí)度的關(guān)系曲線，見圖11。

圖11 δ=1時(shí)試驗(yàn)土樣剪切強(qiáng)度τ與壓實(shí)度k的 擬合關(guān)系曲線Fig.11 Relationship between shear strength τ and compaction degree k of the test soil samples at δ=1

由圖11可見，試驗(yàn)土樣剪切強(qiáng)度與壓實(shí)度呈拋物線型的函數(shù)關(guān)系，隨著壓實(shí)度增加，土體剪切強(qiáng)度值逐漸增大至某一定值。

該試驗(yàn)結(jié)果與王來貴等[9]的研究結(jié)果相互印證，巖土體抗剪強(qiáng)度隨著壓實(shí)度的增加而呈線性上升，巖土體黏聚力逐漸增大，內(nèi)摩擦角增加較小。同樣，李振等[5]在對(duì)河床卵石的試驗(yàn)過程中也得到類似的結(jié)論，即土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨著干密度的增加而增大，最終趨于某一定值。而在王林浩等[7]在黃土的試驗(yàn)研究中也得出類似的結(jié)論，壓實(shí)黃土狀粉土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ值均隨干密度的增加而增大。

4. 2 飽和滲透系數(shù)與壓實(shí)度的關(guān)系分析

為了研究壓實(shí)度對(duì)于余泥渣土滲透能力的影響，選取與研究強(qiáng)度特性相同的渣土重塑試樣，進(jìn)行了變水頭滲透試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見圖12和圖13。

圖12 試驗(yàn)土樣飽和滲透系數(shù)與壓實(shí)度的關(guān)系曲線Fig.12 Relationship betweensaturated permeability coefficient and compaction degrees of the test soil samples

圖13 試驗(yàn)土樣飽和滲透系數(shù)與孔隙比的關(guān)系曲線Fig.13 Relationship between saturated permeability coefficient and porosity of the test soil samples

由圖12可見，在研究的壓實(shí)度范圍內(nèi)，試驗(yàn)土樣的飽和滲透系數(shù)K(sat)與壓實(shí)度k呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)壓實(shí)度為0.90～0.94時(shí)，試驗(yàn)土樣的飽和滲透系數(shù)急劇減小，后半段逐步平緩，即壓實(shí)度增加到一定程度，試驗(yàn)土樣的飽和含水率則會(huì)維持在一定水平。根據(jù)土體物理參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系，得出一定壓實(shí)度下土體的孔隙比e，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，繪制試驗(yàn)土樣飽和滲透系數(shù)K(sat)與孔隙比e的關(guān)系曲線。

由圖13可見，試驗(yàn)土樣的飽和滲透系數(shù)與孔隙比呈正相關(guān)關(guān)系，大致呈指數(shù)關(guān)系增長，即巖土中空隙體積所占比例越大，土體越疏松，而土體的飽和滲透系數(shù)也越大。本次試驗(yàn)研究的孔隙比范圍之內(nèi)，隨著孔隙比的增加，試驗(yàn)土樣飽和滲透系數(shù)的數(shù)值也越來越大。

本試驗(yàn)的研究結(jié)果與邵健偉等[19]的試驗(yàn)結(jié)果一致，對(duì)于同一粒度成分的粗粒土而言，其滲透系數(shù)隨干容重的增加而減小，隨相對(duì)密實(shí)度的增加而減小。而武科等[6]對(duì)于填土滲透系數(shù)與壓實(shí)度的關(guān)系研究中，也同樣表明填土的滲透特性隨著壓實(shí)度的增加而呈現(xiàn)非線性減小的變化規(guī)律。

5 結(jié) 論

本文采用正交試驗(yàn)的方法，探究了深圳地區(qū)余泥渣土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c和φ隨著顆粒級(jí)配A、含水率B和壓實(shí)度C的變化規(guī)律，并針對(duì)余泥渣土體剪切強(qiáng)度τ、飽和滲透系數(shù)K(sat)與壓實(shí)度k的關(guān)系，展開了室內(nèi)土工試驗(yàn)，得到如下主要結(jié)論：

(1) 在研究的影響因素中，對(duì)深圳地區(qū)余泥渣土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c的影響程度從強(qiáng)到弱依次為B>C>A，而且在A=“緩二”、B=10%、C=95%時(shí)，土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c達(dá)到最大值。從試驗(yàn)結(jié)果來看，含水率的增加會(huì)促使土體黏聚力急劇下降，降低了土體的剪切強(qiáng)度。

(2) 在研究的影響因素中，對(duì)深圳地區(qū)余泥渣土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角φ的影響程度從強(qiáng)到弱依次為A>C>B，而且在A=“緩一”、B=16%、C=95%時(shí)，土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角φ達(dá)到最大值。從試驗(yàn)結(jié)果來看，含水率的增加可能會(huì)引起土體內(nèi)摩擦角的降低，而土體內(nèi)摩擦角與壓實(shí)度則大致呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

(3) 各因素對(duì)不同豎向荷載下余泥渣土體剪切強(qiáng)度的影響并不完全一致，綜合極差分析和方差分析結(jié)果可以認(rèn)為，在不同豎向荷載下，含水率B為影響土體剪切強(qiáng)度τ最顯著的因素，而且兩者之間均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著含水率的增加，土體抗剪強(qiáng)度顯著降低。

(4) 為了進(jìn)一步揭示余泥渣土體剪切強(qiáng)度τ和飽和滲透系數(shù)K(sat)與壓實(shí)度k的關(guān)系特征，開展了相關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在壓實(shí)度k研究范圍內(nèi)，土體內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c分別存在最小值和最大值，土體黏聚力和內(nèi)摩擦角與壓實(shí)度大致呈現(xiàn)二次函數(shù)的關(guān)系特征；土體剪切強(qiáng)度τ與壓實(shí)度k亦呈現(xiàn)拋物線型關(guān)系特征，且在壓實(shí)度研究范圍內(nèi)土體剪切強(qiáng)度τ存在最大值;而土體飽和滲透系數(shù)K(sat)則與壓實(shí)度k呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，大致呈指數(shù)函數(shù)型關(guān)系特征。由此可見，密實(shí)度的增加，導(dǎo)致土體顆粒內(nèi)部空隙減小，滲水通道被壓密破壞，致使其滲透系數(shù)急劇降低。