非饱和黄土吸力与抗剪强度的试验研究

员康锋，宿钟鸣，孙志杰

(山西省交通科学研究院黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，山西太原030006)

非饱和土的分布非常广泛，房屋地基、路基填土基本上都处于非饱和状态。山西晋南地处黄土高原中东部，属于干旱半干旱气候条件，工程中所用的黄土常常位于地下水位以上，处于非饱和状态。非饱和土的研究必须考虑基质吸力作用带来的影响，侧重于基质吸力对强度的贡献［1-5］。在基坑工程中，地基非饱和土的基质吸力所产生的抗剪强度对于基坑的稳定有很大的贡献，一旦由于降雨或管道漏水等因素使土中含水率增加，造成吸力消减，便可能会引发基坑倒塌事故［5-8］。同样，许多天然边坡的失稳常是由于降雨使土的基质吸力丧失所造成的。

为了模拟真实的现场工程环境，使试验更加具有说服力，选取了山西晋南地区原状非饱和黄土进行相应的试验，并揭示出非饱和黄土基质吸力对黄土强度的影响规律，并在此基础上拟合出吸附强度随基质吸力变化的函数表达式，并求出极值。

1 试验用土

试验用土取自山西晋南地区禹门口提水东扩工程输水管道基坑，取土深度为地表以下2 m处，土呈褐黄色，粉质粘土，土质均匀，有少量虫孔。土样在现场削成边长为20～30 cm的立方体，标明上下方向，并用塑料纸和胶带包好，运回实验室(运输过程中尽量不扰动土样)。由于土层不均匀性，所制备试样的天然干密度在1.34～1.36 g/cm3之间变化。

对每个干密度下的试样，调整成8%的含水量。由于该含水量小于天然含水量，采用风干法，让水分蒸发至8%的含水量，由常规三轴试验结果可得饱和土的有效黏聚力 c'=12 kPa，φ'=32.69°，土样的基本物理性质指标见表1。

表1 晋南黄土物理性质指标Table 1 Physical parameters of Jinnan loess

2 试验仪器与试验方法

2.1 试验仪器

试验仪器采用江苏溧阳市某实验仪器厂生产的FSY10-2型应力应变控制非饱和土三轴仪，它由应力应变控制式压力试验机、压力体变柜、非饱和土三轴压力室和土工试验数据采集系统组成。应力应变控制式压力试验机由变速箱、低速同步电机、立柱、横梁和油缸等组成。压力室底座上装有进口陶土板(进气值为500 kPa)，陶土板下加工有特殊的冲水排气槽，可满足非饱和土试验的特殊需要。

2.2 试验方法

采用专用的削土器削样，共制备16个原状三轴试样(直径为3.91 cm，高度为8 cm)。采用等吸力剪切试验，净围压分别为 50，100，200，400 kPa，试样安装在三轴压力室后，孔隙水压力传感器读数变为负值，同时对试样施加围压和气压，并保证围压始终大于气压值，气压应能使量测的孔隙水压力＞0或负压≤70 kPa(但应注意施加的气压力不超过陶土板的进气值500 kPa)，围压应在气压力的基础上加上试验所要求的净围压值，等到孔隙水压力传感器的读数基本稳定后，土样的吸力 =ua－uw，ua是所施加的气压值，uw是孔隙水压力传感器量测到的孔隙水压力的代数值。固结和剪切过程中，通过调整所加气压，始终保持作用在试样上的吸力分别为 50，100，150，200 kPa，直到试样剪切破坏，试样剪切速度为0.008 mm/min。

试验中需要注意几个问题：①装样过程中一定要注意将与陶土板接触的土样面削平，否则试样与陶土板不能很好的接触，从而影响到基质吸力的量测;②冲洗陶土板下积聚的气泡，打开冲水阀门，让无气水流过陶土板下面的螺旋槽，冲洗30 min，关闭冲水阀门;③由于孔隙水压力＜－70 kPa时，排水管路中会出现气蚀现象，会极大地影响到传感器对吸力的准确量测，因此需要施加气压力以保证孔隙水压力数值＞－70 kPa。

3 试验结果与分析

3.1 等吸力试验条件下围压对黄土应力应变特性的影响

黄土的强度随着围压的增大而增大，且黄土应力应变曲线多为硬化型曲线。应力应变曲线详见图1。

图1 不同控制吸力下的应力应变曲线Fig.1 Stress-strain curves with different control suction

3.2 等吸力试验条件下吸力对黄土的应力应变特性的影响

通过在非饱和三轴剪切试验的固结与剪切阶段均控制吸力为 50，100，150，200 kPa，研究净围压分别为50，100，200，400 kPa的条件下，吸力对原状黄土强度的影响规律，详见图2。

图2 不同净围压下的吸力对黄土应力应变曲线的影响规律Fig.2 The law of stress-strain curves change with suction for different net confining pressure

由图2可见，黄土的强度随着吸力的增大而增大，且黄土应力应变曲线多为硬化型曲线。在围压一定时，抗剪强度随吸力的增大而增大。

3.3 等吸力试验条件下固结体变

等吸力三轴试验固结体变数据见表2。

表2 黄土的固结体变数据Table 2 Consolidation volume of loess /cm

由表2可见，等吸力试验条件下固结体变随着吸力的增大而减小，随着固结围压的增大也增大。点绘其变化曲线如图3。

图3 固结体变的变化规律曲线Fig.3 Curve of rule for εν

3.4 非饱和黄土吸附强度的研究

非饱和土强度理论中目前被广泛接受的两类抗剪强度公式分别为Bishop强度公式和Fredlund双变量强度公式。

Bishop强度公式为：

Fredlund的强度公式为：

式(1)、式(2)都表明非饱和土抗剪强度不仅与c'，φ'及法向应力有关，还与吸力有关，吸力所引起的这部分强度，即吸附强度［9］记为 τus，则式(1)、式(2)可重写为：

由上所述，吸附强度可以看做是非饱和土总凝聚力的一部分，即：

1) 当爬坡高度不变时，爬坡管段的局部阻力损失系数均随狄恩数增加而减小；当泥浆成分和输送速度不变时，爬坡管段的局部阻力损失系数随爬坡高度近似为线性增长，且增长速率随混合物流速或泥浆体积分数的减小而增加。

故吸附强度 τus=ctotal－c'。其中：ctotal为非饱和土的有效凝聚力;c'为饱和土的有效凝聚力，由常规三轴试验结果可得饱和土的有效黏聚力c'为12 kPa。

基于公式τf=ctotal+(σn－ua)tanφ'的非饱和土有效应力抗剪强度包线见图4。

图4 不同吸力下的有效应力抗剪强度包线Fig.4 Effective strength lines with different suction

将图4得到的c，φ值汇总，如表3。

表3 不同吸力下黄土的强度指标c，φTable 3 Strength index c，φ with different suction

强度指标c随吸力的变化曲线如图5。

图5 强度参数c随吸力的变化曲线Fig.5 Curve of strength parameter c change with suction

由表3及图5可知，在试验所做的吸力范围内，在吸力较低的情况下，有效应力强度参数c随吸力增大变化明显，随着吸力的增大，有效强度参数c增大的趋势逐渐缓和，而有效应力强度参数φ随吸力增大基本保持不变，故可认为在等吸力试验条件下，φ值不随吸力增大而变化。

表4 非饱和土吸附强度数据Table 4 Data of suction strength for the unsaturated soil

据表4得吸附强度随吸力的变化曲线，并拟合成二次函数(相关系数较好)，如图6。

图6 吸附强度与吸力的关系曲线Fig.6 Curve of the relationship between suction strength and suction

由图6可知吸附强度τus与吸力的关系式可以表述为：

当us→0时，τus→0，这与实际情况相符。对该公式进行求导，可以算出当us=188.6 kPa时，τus有最大值，为21.6 kPa，说明吸附强度并不会随着吸力的增大而成无限增大，而是存在一个临界值，同样与实际情况相吻合，由此可见，上述公式具有一定的合理性。

4 结论

笔者采用非饱和土三轴试验仪，测试了非饱和土在控制吸力条件下的固结性状和剪切性状，概括了强度随吸力及围压的变化关系，并总结了吸力和抗剪强度参数的相互关系，主要结论如下：

1)在等吸力三轴试验条件下，非饱和原状黄土的应力应变曲线多为硬化型曲线，曲线位置随围压增大和吸力的增大而不断抬升，表明土体强度随围压增大和吸力增大而逐渐增强。土体的固结体变随围压的增大而增加，随吸力的增大而减小。

2)在试验所做的吸力范围内，有效应力强度参数c随吸力增大而增大，在吸力较低的情况下增大速度较大，在吸力较高的情况下随吸力增大的速度逐渐放缓，并存在极值，而有效应力强度参数φ均随吸力的增大基本上不变。

3)通过曲线拟合的方法得到吸附强度与吸力的函数关系式，表明吸附强度随基质吸力的增大而增大，但存在极值。通过函数关系式可以预测控制吸力试验条件下，不同吸力下的原状黄土的有效应力抗剪强度。

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