丁勇， 蔣玉， 起光磊， 趙興澤， 劉興燦， 李俊輝

（保山學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，云南 保山 678000）

0 引言

土作為一種工程材料，直接與建筑物或構(gòu)筑物相連接，并且承受建筑物或構(gòu)筑物傳來(lái)的荷載，因此土體的穩(wěn)定性十分重要。當(dāng)土體受到荷載作用的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生抵抗荷載作用的能力，當(dāng)荷載作用的能力超過(guò)土體最大的抵抗荷載作用的能力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生破壞。抵抗荷載作用產(chǎn)生的最大能力稱為抗剪強(qiáng)度。

在實(shí)際的工程中，土體含水率對(duì)其抗剪強(qiáng)度有著巨大的影響，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的試驗(yàn)。張培培等［1］對(duì)不同含水率的紅黏土進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果表明土體粘聚力隨含水率的增大呈二次多項(xiàng)式形式減小，土體內(nèi)摩擦角隨含水率的增大呈冪函數(shù)形式降低；李海龍［2］則通過(guò)分別對(duì)高液塑限紅黏土、低液塑限紅黏土在不同含水率的情況下進(jìn)行直剪試驗(yàn)，結(jié)果表明兩種黏土發(fā)生的破壞方式是不同的，液塑限紅黏土發(fā)生的是塑性破壞，高液塑限紅黏土發(fā)生脆性破壞變?yōu)樗苄云茐?，且?dāng)含水率不斷增加時(shí)，高液塑限紅黏土的粘聚力變化趨勢(shì)呈現(xiàn)的是單峰，而另外一種紅黏土變化趨勢(shì)呈現(xiàn)的是雙峰，并且其粘聚力最大是出現(xiàn)在塑限含水率左右；王中文等［3］以廣梧高速云浮段紅粘土為試樣進(jìn)行試驗(yàn)，表明其抗剪強(qiáng)度在高含水率和低含水率相差較大其中粘聚力隨含水率的增加，呈一階指數(shù)衰減，內(nèi)摩擦角隨含水率的增加呈現(xiàn)分段函數(shù)的特征。

文中在綜合分析前人研究的基礎(chǔ)上，以云南省保山市東城區(qū)的黏土為試樣，按照GB/T 50123-2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［4］，運(yùn)用南京土壤儀器有限公司的ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀（四聯(lián)剪）進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)南京土壤儀器有限公司土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以及Excel處理，對(duì)比分析得出原狀土樣的抗剪強(qiáng)度以及重塑土樣的抗剪強(qiáng)度與含水率的關(guān)系。

1 試樣制備與方案設(shè)計(jì)

1.1 試樣制備與試驗(yàn)儀器

原狀土樣：依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》將原狀土樣制備成環(huán)刀試樣。

試驗(yàn)儀器：南京土壤儀器有限公司的ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀（四聯(lián)剪）。

環(huán)刀：高2cm，直徑6.18cm。

數(shù)控電動(dòng)擊實(shí)儀：電熱鼓風(fēng)干燥箱（溫度保持在60℃～70℃）。

天平：量程200g。

其他：調(diào)土刀、凡士林、保鮮膜、毛巾、2mm直徑篩子。

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試樣取自云南省保山市東城區(qū)黏土，共取8個(gè)鉆孔點(diǎn)樣品進(jìn)行試驗(yàn)，取土深度均為2.0～3.0m，原狀土樣按照GB/T 50123-2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》制成環(huán)刀試樣，每組制備4個(gè)。

重塑土樣由天然土體削成片狀（整塊烘干磨碎困難）烘干磨碎，過(guò)2mm篩子后四分法取樣（1500克為一份土樣），按照20%、22.5%、25%、27.5%、30%、35%、40%、45%含水率進(jìn)行試樣配置，通過(guò)電動(dòng)擊實(shí)儀壓實(shí)，分兩次壓實(shí)，每次壓實(shí)15次，一共30次，制成環(huán)刀試樣，分別在垂直壓力為100、200、300、400kPa進(jìn)行直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)前稱量計(jì)算各組換刀試樣的密度，密度小的試樣放置于垂直壓力小的位置，得到試樣破壞時(shí)的抗剪強(qiáng)度，通過(guò)Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理［5］，確定土樣的抗剪強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)黏土進(jìn)行一系列的室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)，得出該黏土的基本物理指標(biāo)，試驗(yàn)的結(jié)果數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。根據(jù)該土體的基本物理指標(biāo)可知，該原狀土是飽和狀態(tài)下的粉質(zhì)黏土。

表1 原狀土樣與重塑土樣物理力學(xué)指標(biāo)

2.2 原狀土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分析

由表1數(shù)據(jù)可知，含水率相當(dāng)?shù)臈l件下，原狀土體抗剪強(qiáng)度相差幅度較大，其粘聚力C最大值是最小值的3.5倍之多，內(nèi)摩擦角Φ值相對(duì)穩(wěn)定，最大值是最小值的1.22倍，總體來(lái)看原狀土內(nèi)摩擦角較低時(shí)粘聚力相對(duì)較大，反之，內(nèi)摩擦角較大時(shí)，粘聚力相對(duì)較小。說(shuō)明該天然土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)具有不穩(wěn)定性，離散性較大。

2.3 重塑土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分析

由于該原狀土在天然條件下，含水率基本不變的情況下，粘聚力C和內(nèi)摩擦角Φ離散性很大，故在不同含水率條件下對(duì)其重塑土樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，以確定其重塑狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)特性。土體重塑以后，含水率降低，其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)相對(duì)原狀土，粘聚力整體上降幅較大，內(nèi)摩擦角則有增加的趨勢(shì)。

由圖1重塑土中含水率與粘聚力、內(nèi)摩擦角的關(guān)系可知，總體上看，隨含水率的增加，粘聚力與內(nèi)摩擦角都呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，但各自區(qū)段具有各自增減的特點(diǎn)，跳躍性較大。

圖1 重塑土中含水率ω與粘聚力C、內(nèi)摩擦角φ的關(guān)系曲線

（1）隨著含水率的增加，內(nèi)摩擦角曲線變化整體呈下降趨勢(shì)，其中間區(qū)段較為跳躍，以波峰-波谷-波峰-波谷的形態(tài)出現(xiàn)，從上限29.21°下降到15.40°，總降幅為47.27%，且在含水率約為22.50%與30%時(shí)，出現(xiàn)兩個(gè)比較明顯的峰值拐點(diǎn)，從含水率30%到35%的增量看，內(nèi)摩擦角的降幅為37.83%，可知在這段含水率變化區(qū)間，相當(dāng)于占了總降幅的80.03%，起到了決定性的作用。

（2）對(duì)于粘聚力來(lái)說(shuō)，整體上也同樣呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，但其變化曲線較為陡峭，僅呈現(xiàn)一個(gè)波峰形態(tài)，下降幅度大于內(nèi)摩擦角下降的幅度，從上限42.41kPa，下降到18.00kPa，總降幅為57.56%，相當(dāng)于內(nèi)摩擦角隨含水率降幅的1.22倍。

（3）含水率在25%～27.5%之間范圍內(nèi)，粘聚力與內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)出對(duì)比性較強(qiáng)的波峰與波谷的形態(tài)，粘聚力出現(xiàn)波峰，與下限相差約為57.56%；內(nèi)摩擦角出現(xiàn)了波谷，與上限相差約為31.53%。

具體分析可知：①含水率促使土體顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致粘聚力C值隨含水率的增加而先增后減，當(dāng)含水率在25%左右時(shí)，粘聚力達(dá)到最大值，當(dāng)含水率逐漸增加，粘聚力的3個(gè)組成部分結(jié)構(gòu)吸力、收縮膜張力、基質(zhì)吸力都會(huì)變小，所以粘聚力迅速減小。粘聚力C在含水率27.5%～30%之間下降較快，減少了20%，主要因?yàn)榇藭r(shí)土體內(nèi)部的水分子與顆粒結(jié)合比較充分，形成穩(wěn)定的結(jié)合關(guān)系，水主要以結(jié)合水的形式存在，當(dāng)含水率增加時(shí)，土體內(nèi)部顆粒之間的結(jié)合水膜破壞，此時(shí)水主要由結(jié)合水轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂伤?，粘聚力大幅減小，當(dāng)含水率在30%～40%時(shí)，粘聚力基本保持不變，而含水率在40%～45%時(shí)，粘聚力發(fā)生下降；②含水率對(duì)該土體的的影響表現(xiàn)為：粘聚力和內(nèi)摩擦角都隨含水率的增加而呈現(xiàn)一種凹凸變化。內(nèi)摩擦角Φ值在含水率為22.5%～30%之間呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)，最大值與最小值相差為29%；粘聚力C值在含水率為22.5%～30%之間呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，最大值與最小值相差為25%。說(shuō)明該土體在含水率為22.5%～30%之間，內(nèi)摩擦角的變化程度稍微大于粘聚力的變化程度。土體顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，顆粒表面的自由水含量增多，導(dǎo)致顆粒表面變得光滑，從而促使內(nèi)摩擦角減小，在含水率增加到30%以后，產(chǎn)生了內(nèi)摩擦角快速下降的趨勢(shì)，且此時(shí)的含水率，接近于塑限，說(shuō)明土體內(nèi)摩擦角與塑限有關(guān)［6］。整體來(lái)看，當(dāng)含水率增加時(shí)，土體不能保持原先的狀態(tài)，由軟塑逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱魉苌踔亮鲃?dòng)，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角減小。當(dāng)含水率增加到35%之后，內(nèi)摩擦角變化幅度不大，呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)。含水率在30%～45%之間，內(nèi)摩擦角先減小后趨于穩(wěn)定，而粘聚力則先趨于穩(wěn)定后減小。說(shuō)明土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)在一定的含水率條件下，粘聚力和內(nèi)摩擦角都呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，主要是由于土親水性強(qiáng)、透水性差、土中水分不易被擠出［7］。

2.4 不同含水率下重塑土體的抗剪強(qiáng)度包線

由圖2可知在不同含水率條件下，土體呈現(xiàn)出隨含水率增加，其抗剪強(qiáng)度降低的趨勢(shì)，在同一含水率下，隨著垂直壓力的增加，土體抗剪強(qiáng)度總體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。在含水率為20%～30%之間，土體隨著垂直壓力的增加，相同垂直壓力下兩者的抗剪強(qiáng)度差值逐漸增加；在含水率為30%～45%之間，土體隨著垂直壓力的增加，其抗剪強(qiáng)度總體逐漸增加，但增幅較上一區(qū)間的增幅較小，結(jié)合表2可知，在垂直壓力不變的情況下，該重塑土體在含水率為22.5%時(shí)，抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)出最大值，隨著含水率的增加抗剪強(qiáng)度雖有部分突變，但總體趨勢(shì)是逐漸削弱。

圖2 不同含水率條件下抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線

在垂直壓力為100～200kPa之間與300～400kPa之間，不同含水率條件下垂直壓力與抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)出的線性形態(tài)比較明顯，而在200～300kPa中間垂直壓力區(qū)段，大部分曲線則呈現(xiàn)出非線性變化的形態(tài)。說(shuō)明該土體的抗剪強(qiáng)度隨垂直壓力的增加具有明顯的分段性，即在低高垂直壓力的條件下線性擬合度比中垂直壓力區(qū)段下擬合度較高。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）該土體是一種高液限的有機(jī)質(zhì)土，采用直剪試驗(yàn)下，同一含水率條件下原狀土樣的抗剪強(qiáng)度變化離散性大，具體表現(xiàn)為粘聚力C變化幅度較大，內(nèi)摩擦角Φ變化略小。

（2）對(duì)于重塑土體來(lái)看，含水率對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度有著明顯的影響，表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角Φ和粘聚力C都隨含水率的變化而變化，在含水率小于30%區(qū)段，粘聚力與內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)出反向變化，前者先增后減，后者先減后增；含水率大于30%區(qū)段，則呈現(xiàn)出同減趨勢(shì)?？傮w上，粘聚力與內(nèi)摩擦角對(duì)于含水率的多少較為敏感，粘聚力C變化幅度較大，內(nèi)摩擦角Φ變化較小，說(shuō)明該土體的抗剪強(qiáng)度主要是由粘聚力C來(lái)控制的。

（3）直剪試驗(yàn)下，該重塑粉質(zhì)黏土的抗剪強(qiáng)度隨垂直壓力的增加具有明顯的分段性，抗剪強(qiáng)度包線線性擬合度并不高，摩擦角Φ與粘聚力C隨含水率的變化也具有一定跳躍性。