非饱和土的抗剪强度与含水率关系的试验研究

黄 琨，万军伟，陈 刚，曾 洋

（中国地质大学（武汉） 环境学院，武汉 430074）

1 引 言

土的抗剪强度是表征土体力学性质的一个重要指标，抗剪强度主要受土体的种类、结构以及含水率的影响。工程实践中，一定区域内土的质地和结构一般不会发生太大变化，然而在天然情况下，受降雨、蒸发、灌溉等因素的影响，土体的含水率变化很大，土体的强度主要因含水率的变化而变化。由于传统土力学所描述的对象主要是饱和重塑土，对于非饱和土的强度则难以解释和预测，于是非饱和土力学的研究开始受到重视并不断发展。特别是在引入土壤学中基质吸力的概念后，许多学者建立起非饱和土的抗剪强度的理论公式和本构模型[1－3]。而室内土工试验作为一种最直观、可靠的方法，可以通过控制试验状态来获取不同条件下土体的抗剪强度参数，并检验理论公式的正确性。因此，本文在综合分析前人关于含水率与土体抗剪强度关系的试验研究的基础上，以广西南丹县瑶寨洼地中的第三系欠固结粉砂土为研究对象，土的颗分试验结果见表 1，通过不同含水率条件下原状土和重塑土的直剪试验来研究土体抗剪强度与含水率的关系。

表1 土的颗分试验结果Table1 Particle distribution of soils

2 既有研究成果综述

关于含水率与抗剪强度关系的试验研究很多，其中以重塑土为研究对象的居多，但由于制样过程中控制含水率方法的不同，试验的初始状态条件不同，试验的结果也有较大差异。

2.1 原状土直剪试验

罗小龙[4]以赣州某公路边坡花岗岩残坡积砂质黏性土为研究对象，取7组原状土样进行直剪试验。结果表明：含水率增大，土的抗剪强度降低，土的黏聚力和内摩擦角均减小。

2.2 重塑土直剪试验

进行重塑土直剪试验是研究土体含水率与抗剪强度关系最常见的方法，根据控制含水率方法的不同分为两种：一种是根据干密度和添加的水量来控制含水率，另一种是制成土样后通过浸泡时间来改变含水率。

林鸿州等[1]以北京粉质黏土等3种土为研究对象，每个土样分别制备初始含水率约为0%、5%、10%、15%、20%、25%及饱和的试样进行直剪试验，试验结果表明：无论何种土，在含水率较低时其黏聚力随含水率增加而增加，当含水率增加至一定值后，黏聚力随含水率增加而逐渐减少，内摩擦角则随含水率增加而逐渐降低。梁斌等[5]通过不同含水率的重塑红黏土的直剪试验研究也得出了类似的结论，即黏聚力随含水率增加到一定值后开始下降。

缪林昌[6]、姜献民[7]等研究了膨胀土的抗剪强度和含水率的关系，先按一定含水率配制土样，然后通过浸泡时间来改变土样的含水率，从而保证在改变含水率的同时，土的体积、压实度等不变，直剪试验结果均得出以下结论：随着含水率的增加，土体的抗剪强度下降；含水率的增加对黏聚力的影响比对内摩擦角的影响要大,当膨胀土的含水率增加时，黏聚力的降低程度要大于内摩擦角的降低程度，并通过统计分析推出lgc和lgφ与含水率之间的关系方程分别为 lgc=a1-b1w 、lgφ=a2-b2w。

上述直剪试验的研究结果表明，由于控制含水率的方法不同，土的抗剪强度随含水率变化的规律也不同。通过控制干密度，添加水量来控制土样含水率的直剪试验结果存在一个临界含水率。小于临界含水率时，抗剪强度随含水率增加而增加；大于临界含水率时，抗剪强度随含水率增加而降低。而通过浸泡方式改变含水率的重塑土试验与原状土的直剪试验结果则是随着含水率的增加，抗剪强度降低，并没有出现临界含水率，那么两种不同结果的原因是什么？由于既有的研究中，都只对重塑土或者原状土进行直剪试验，并且所取土的类别也不同，难以分析产生上述结果的原因。因此，为了保证试验结果具有对比性，本研究采取的试验方案是对原状土以及两种不同控制含水率方法的重塑土样同时进行直剪试验，以研究含水率对土的抗剪强度的影响。

3 直剪试验

3.1 原状土

原状土的直剪试验共做5组，每组6个样，先用环刀将样切好后放入真空饱和装置进行饱和，然后分别放入烘箱在105°下烘不同时间，得到含水率w为 13.0%、18.0%、22.4%、24.0%和干土等 5组土样。每组土样中 4个用于直剪试验，分别施加100、200、300、400 kPa的法向压力进行固结快剪试验,剪切速率控制为0.8～1.2 mm/min，2个用于测量土的含水率。直剪试验的结果表明：随着含水率的增加，剪应力降低（见图1、表2），黏聚力随含水率呈线性关系下降（见图2），内摩擦角随含水率增加而下降，但变化不大（见图3），含水率对抗剪强度的影响主要是降低土的黏聚力。

图1 不同含水率的原状土样的剪切强度曲线Fig.1 Shear strength curves of undisturbed soil samples with different water contents

表2 原状土样含水率与黏聚力和内摩擦角的关系Table2 Relationships among cohesion,friction angle and water content of undisturbed soil samples

图2 原状土含水率与黏聚力关系曲线Fig.2 Relationships between cohesion versus water content of undisturbed soil samples

图3 原状土样含水率与内摩擦角关系曲线Fig.3 Relationships between friction angle versus water content of undisturbed soil samples

3.2 重塑土

重塑土的直剪试验共设计2个方案，两方案均控制重塑土的干密度与原状土的干密度相同，第 1种方案通过添加水量来制备含水率w为 3.0%、6.0%、9.0%、12.0%、15.0%、18.0%、21.0%、24.0%、25.0%、26.0%、27.5%等11组土样，每组样4个，分别施加100、200、300、400 kPa的法向压力进行固结快剪试验，剪切速率控制为0.8～1.2 mm/min。第2种重塑土的试验方案，是先按照原状土的干密度制备含水率为 25.0%的土样，然后放置烘箱中，通过烘烤不同时间来改变含水率，最后得到含水率为5.5%、12.2%、16.9%、19.5%、22.5%、25.0%及烘干土等7组土样。每组6个土样，4个用于固结快剪试验，分别施加100、200、300、400 kPa的法向压力，2个用于测量含水率。

第 1种方案的重塑土直剪试验结果如图 4～6所示。由图4可见：含水率与黏聚力的关系曲线分为3段。当含水率w＜12%时，随着含水率的增加，黏聚力也增大；当含水率12.0%＜w＜24.0%时，随着含水率增加，黏聚力近似呈直线下降；当w＞24.0%时，黏聚力随含水率增加，急剧下降。整体上随含水率的增加内摩擦角变小，但没有明显的线性关系，内摩擦角的值在 27°～32°之间波动（见图5）。与黏聚力类似，土的抗剪强度也随含水率的增加先变大，然后逐渐降低（见图6、表3）。

图4 第1种方案重塑土样含水率与黏聚力的关系曲线Fig.4 Relationships between cohesion and water content of remolded soil samples in the first scheme

图5 第1种方案重塑土样含水率与内摩擦角关系曲线Fig.5 Relationships between friction angle and water content of remolded soil samples in the first scheme

图6 不同含水率下第1种方案重塑土样的剪切强度曲线Fig.6 Shear strength curves of soil of remolded soil samples in the first scheme with different water contents

表3 第1种方案重塑土含水率与黏聚力和内摩擦角的关系Table3 Relationships among cohesion,friction angle and water content of remolded soil samples in the first scheme

第2种方案的重塑土直剪试验结果表明，在保持土样结构、密实度相同的条件下，通过烘烤的办法来改变含水率的直剪试验结果与原状土的试验结果有着相同的规律。由图7可知，随着含水率的增加，土的黏聚力不断下降，含水率与黏聚力的关系曲线分为两直线段，含水率较大的直线段斜率较大，说明在接近饱和含水率时，土的黏聚力急剧下降。含水率对内摩擦角的影响相对较小，整体上随着含水率增加，内摩擦角也变小（见图8）。随含水率的增加，土的抗剪强度逐渐下降（见图9、表4）。

图7 第2种方案重塑土样含水率与黏聚力的关系曲线Fig.7 Relationships between cohesion and water content of remolded soil samples in the second scheme

图8 第2种方案重塑土样含水率与内摩擦角的关系曲线Fig.8 Relationships between friction angle versus water content of remolded soil samples in the second scheme

图9 不同含水率下第2种方案重塑土样的剪切强度曲线Fig.9 Shear strength curves of remolded soil samples in the second scheme with different water contents

表4 第2种方案重塑土含水率与黏聚力和内摩擦角的关系Table4 Relationships among cohesion,friction angle and water content of remolded soil samples in the second scheme

3.3 试验结果分析

从本次原状土和重塑土的直剪试验结果可知，随着含水率的增加，土的抗剪强度下降，含水率对抗剪强度的影响主要是降低土的黏聚力，对内摩擦角的影响较小。含水率与黏聚力之间的关系可以由两个直线段描述，第2直线段的斜率要大于第1直线段，这表明，当含水率达到一定值（接近饱和含水率时），土的黏聚力急剧下降。

本次试验中第1种方案的重塑土直剪试验结果与前人的重塑土试验结果具有相同的规律，即在含水率很低时，随含水率增加土的抗剪强度也增加；当含水率达到一定值时，随着含水率的增加，土的抗剪强度降低。而原状土和第2种重塑土方案的直剪试验结果则随着含水率的增加，土的抗剪强度不断下降，且可以用两段直线来描述含水率与黏聚力之间的关系。

出现初期随含水率增加，抗剪强度增加的重塑土试验，由于其在制样的方法是保持干密度不变，通过添加不同质量的水来控制含水率，不同含水率的土样其压实度不相同，土的抗剪强度的变化由含水率和压实度共同影响。由于制作重塑土是使用烘干土压实而成，干土的土颗粒之间没有黏聚力，当含水率较低时，随着含水率的增加，一方面使土样的密度增大，另一方面土颗粒之间因水的吸附作用，使土具有一定的黏聚力而使得抗剪强度增大，但此时的强度很低，而随着含水率的增加到一定值后，土颗粒间的结膜水厚度变大，孔隙水压力造成有效应力降低，从而又使土体抗剪强度降低；而通过烘烤法改变含水率的原状土，因其未改变土在沉积过程中形成的结构，随着含水率的降低，土颗粒之间的孔隙水压力消散，土的基质吸力变大，土的抗剪强度则增加。因此，出现最优含水率的重塑土直剪试验，由于制样方法在改变含水率的同时，还改变土样的压实度和结构，并未保证所有土样在同一初始状态下进行试验，土的抗剪强度变化则是由含水率和其他因素共同影响，因此，其结果不能用于描述含水率与抗剪强度之间的关系。而原状土和第 2种重塑土方案的直剪试验，在制样过程中保持所有土样颗粒之间结构不变，通过烘烤法或浸泡法来改变含水率，其试验结果可用于研究含水率与土的抗剪强度之间的关系。

4 结 论

（1）随着含水率增加，土的抗剪强度降低，土的黏聚力和内摩擦角均下降，含水率对黏聚力的影响比内摩擦角要大。土的黏聚力与含水率的关系可以用两段直线来描述，当含水率达到一临界值时，黏聚力急剧下降。

（2）由于本文仅是对第三系的粉砂土进行研究，不同地区的土其强度与含水率的关系可能不尽相同，含水率还可以与黏聚力的对数呈线性关系，但综合既有的研究成果，土的抗剪强度与含水率之间的关系总是可以通过直剪试验的结果统计分析来求得。

（3）通过控制干密度，添加不同质量的水来改变土样含水率的重塑土直剪试验，其结果表明，在含水率较低时，随含水率增加，土的抗剪强度也增加，但这并不能说明是因为含水率的增加提高了土的抗剪强度，而是由于制样的方式在改变土的含水率的同时，还改变了土的结构，没有保证试验只有含水率是惟一变量。因此，在进行重塑土的土工试验时，如何控制试验的状态，是获取正确结果的关键。

（4）由于本文的研究仅仅是粉砂土，并只对干密度这一组试验进行研究，未对不同干密度条件进行对比研究，因此，对于其他类型的土以及不同干密度条件下的土体抗剪强度与含水率的关系是否符合本文试验所总结的规律尚未可知，还有待于进一步深入研究。尤其是对于原状土的试验研究相对较少，在控制含水率的方法上以及接近饱和含水率时，土的强度变化规律等都还需要进一步的探讨和研究。

[1]林鸿州,李广信,于玉贞,等. 基质吸力对非饱和土抗剪强度的影响[J]. 岩土力学,2007,28(9): 1931－1936.LIN Hong-zhou,LI Guang-xin,YU Yu-zhen,et al.Influence of matric suction on shear strength behavior of unsaturated soils[J]. Rock and Soil Mechanics,2007,28(9): 1931－1936.

[2]姚攀峰. 再论非饱和土的抗剪强度[J]. 岩土力学,2009,30(8): 2315－2318.YAO Pan-feng. Discussion on shear strength of unsaturated soils[J]. Rock and Soil Mechanics,2009,30(8): 2315－2318.

[3]姚攀峰,祁生文,张明. 基于路径的非饱和土抗剪强度指标确定方法[J]. 岩土力学,2009,(9): 2605－2608.YAO Pan-feng,QI Sheng-wen,ZHANG Ming.Simplified method for determining shear strength of unsaturated soils based on different paths[J]. Rock and Soil Mechanics,2009,(9): 2605－2608.

[4]罗小龙. 含水率对黏性土体力学强度的影响[J]. 岩土工程界,2002,5(7): 52－53.LUO Xiao-long. Influence of water content on shear strength of soils[J]. Geotechnical Engineeering Field,2002,5(7): 52－53.

[5]梁斌,莫凯. 不同含水率下重塑红黏土抗剪强度特性的研究[J]. 山西建筑,2010,36(4): 101－102.LIANG Bin,MO Kai. Research on remodelling red clay’s shear strength with different moisture ratios[J]. Shanxi Architecture,2010,36(4): 101－102.

[6]缪林昌,仲晓晨,殷宗泽. 膨胀土的强度与含水率的关系[J]. 岩土力学,1999,20(2): 71－75.MIAO Lin-chang,ZHONG Xiao-chen,YIN Zhong-ze.The relationship between strength and water content of expansive soil[J]. Rock and Soil Mechanics,1999,20(2):71－75.

[7]姜献民,尹利华,张留俊. 膨胀土强度与含水率关系研究[J]. 公路,2009,(9): 127－129.JIANG Xian-min,YIN Li-hua,ZHANG Liu-jun.Research on the relationship between strength and water content of expansive soil[J]. Highway,2009,(9): 127－129.