非饱和重塑高液限黏土的抗剪强度试验研究

黄剑宇

（广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州510060）

非饱和土的抗剪强度是非饱和土土力学的重要组成部分，其强度指标是工程中重要的力学参数，涉及到工程中的土压力计算及岩土体稳定性等问题，如地基承载力大小及边坡、挡土墙、路基稳定性等。实际工程中遇到的土体大都是非饱和土，所以对于非饱和土抗剪强度的研究十分必要。

非饱和土的抗剪强度的研究已有近50多年的历史，研究成果丰硕。国外，Bishop A W（1960）[1]和Fredlund D G（1978）[2]分别提出非饱和土抗剪强度公式（1）和公式（2），并得到了国内外学者的认同。

式中:τf为非饱和土的抗剪强度；c′、φ′为饱和土有效应力强度指标；σ为总应力；ua为孔隙气压力；uw为孔隙水压力；χ称为非饱和土有效应力参数，其值介于0～1之间。

式中:φb定义为吸力内摩擦角，是τf～ （ua－uw）f平面内强度包线的倾角。

国 内，卢 肇 钧[3]和 缪 林 昌[4]、沈 珠 江[5]、Yu chenggang[6]分别提出一些抗剪强度理论及对应的抗剪强度公式。卢肇钧[3]提出非饱和抗剪强度由真凝聚力c′、外力产生的摩擦力tanφ′（σ－ua）以及吸附强度τs（又称表观凝聚力）组成。纵观Bishop A W、Fredlund D G、卢肇钧、缪林昌以及沈珠江、Yu chenggang、非饱和抗剪强度公式都包含了c′、tanφ′（σ－ua）和τs，不同的地方在于对吸附强度采用不同的表达形式。吸附强度跟非饱和土体内的吸力有关，而吸力概念至今尚未统一，吸力对强度的贡献也未有定论，另外吸力大小受土的矿物成分、应力历史、干湿循环等许多因素影响，所以吸附强度与吸力的关系复杂，多成非线性，且吸力对抗剪强度的贡献有限，不能无限增长。

近年来，学者们对非饱和土抗剪强度进行了许多试验研究[7－14]，他们采用常规直剪和普通三轴对一定初始含水率的土进行常规的饱和土的试验，由此得到的强度与土初始含水率、饱和度的定量关系准确性不够，只能得到大概的定性关系。因为常规直剪与普通三轴试验过程中含水率会发生变化，土样破坏时的含水率（饱和度、吸力）大小已经发生变化，所以得到的只是初始状态含水率与抗剪强度的关系。另外一些学者对试样初始状态进行吸力控制，但是在固结、剪切时并没有继续控制吸力不变，所以土样破坏时吸力值已经发生变化。要准确地得到非饱和土抗剪强度与饱和度、吸力或者含水率的定量关系必须在整个试验过程中准确地控制吸力不变，并且在剪切时也必须保持很慢的剪切速率以维持吸力的稳定或者得知试样破坏时的含水率、吸力值。本文主要介绍采用全新的TKA（泰克奥首字母）非饱和土直剪测试系统对非饱和重塑高液限黏土进行等吸力直剪试验的相关成果，等吸力直剪试验在固结和剪切过程中能够保持吸力不变，具有较高的准确性与可靠性。

1 试验仪器介绍

TKA（下面以TKA代表TKA非饱和直剪测试系统）主要由控制柜和台架以及电脑组成。

TKA控制柜包括了:电路板、体变仪、传感器接口、空气气压力接管口、孔隙水压力接管口、竖向力加载气缸接管口、COM端口、按键、电源开关以及各种气压开关球阀。TKA台架包括:密封气缸、竖向加载与测试装置、竖向位移测量装置、水平动力推进装置、水平荷载测量装置。

TKA的下剪切盒U型槽上方安装有15Bar的高进气值的陶土板，陶土板上方为下剪切盒盖板，之间用环氧树脂进行密封。试验之前采用从陶土板底部施加水压的方式对其进行饱和。试验开始以后，从孔隙气压进气口对密封气缸施加气压力，当陶土板饱和且气压力小于1 500kPa时，只有水可以通过陶土板渗到体变仪中，陶土板起到了分隔气与水的作用。所以，在试验中保持一定气压，维持水压为零，则整个试验过程中吸力为定值。

2 试验过程

TKA非饱和土直剪测试系统可以很好地控制整个试验过程中试样内部的水压力uw和空气气压力ua，维持吸力us＝（ua－uw）不变，所以试验的先进性、精确度、可靠性较高。与利用饱和土常规强度试验方法相比，等吸力直剪试验能够直接得到吸力与抗剪强度的关系，且具有较强的可靠性与实用性。

2.1 脱湿抗剪强度试验

2.1.1 试验方案

脱湿等吸力直剪试验分为脱湿、固结、剪切三个步骤。试样设计共24个试样，分为六组吸力:40 kPa、60kPa、80kPa、100kPa、150kPa、200kPa以及四组竖向净正应力:100kPa、200kPa、300kPa、400kPa。试样干密度为1.55g/cm3，直径为6.18 cm，高度为2cm，试样制备完成后进行抽气饱和，试样土的基本特性如表1所示。试验剪切速率控制在0.006mm/min～0.01mm/min之间。吸力稳定标准为排水量ΔVw＜12mm3/2h，竖向净正应力固结稳定标准为排水量ΔVw＜12mm3/2h且竖向变形Δh＜0.01mm/2h。

表1 试验土的基本性质

2.1.2 试验结果

表2为各个试样的脱湿抗剪强度。试验表明剪应力随着吸力的增大而增大。

表2 脱湿抗剪强度τf

根据表2绘制抗剪强度τf与竖向净正应力（σ－ua）关系曲线以及抗剪强度τf与吸力us关系曲线并进行拟合，分别如图1和图2所示。

图1 τf与竖向净正应力（σ－ua）关系曲线

图2 τf与吸力us关系曲线

由图1可以看出τf随（σ－ua）增大而增大，且它们存在较好的线性关系，拟合度较好，根据线性拟合关系式计算得有效内摩擦角φ′如表3所示，平均值为18.3°。

表3 有效内摩擦角φ′

由图2可以看出，抗剪强度与吸力呈非线性关系，τf随us增大而增大，当us较小时，τf增大幅度较大，而当us较大时τf增大幅度较小。当吸力为40kPa～80kPa时进行线性拟合，称为τf～us曲线关系的第1阶段；当吸力为100kPa～200kPa时再进行线性拟合，称为τf～us曲线关系的第2阶段。根据拟合结果分别求出τf～us曲线关系第1阶段和第2阶段跟吸力有关的内摩擦角φb1和φb2以及交点us0值，结果如表4所示，φb1与φb2相差较大，φb1平均值为46.7°，大于等吸力直剪试验φ′的平均值18.3°，φb2平均值为12.0°，小于18.3°。也就是说，在吸力较低时与吸力有关的内摩擦角要比吸力较高时要大，詹良通（2003）[15]以及 Melinda F（2004）等人[16]均得出类似的研究结果。

表4 与吸力相关的内摩擦角φb1和φb2

2.1.3 抗剪强度折线破坏包络面

Fredlund[17]在提出抗剪强度理论时建议以抗剪强度τf、竖向净正应力（σ－ua）和吸力（ua－uw）为坐标建立公式（1）的三维空间坐标来表达非饱和土的破坏面，并且认为抗剪强度破坏面为一空间平面，非饱和土抗剪强度由于竖向净正应力（σ－ua）和吸力（ua－uw）变化的影响造成强度改变，可分别表现在φ′和φb两个参数上，后来Fredlund根据试验修正破坏面为一个空间曲面。

由于空间曲面较为复杂，不便于实际工程应用，所以基于脱湿等吸力直剪试验结果以及Fredlund抗剪强度理论，提出折线面作为近似的抗剪强度包络面（图4）及抗剪强度公式（3），破坏面由第1平面和第2平面组成，两平面在空间相交，第1平面与τf～（σ－ua）平面相交，第2平面无限延伸。第1平面在τf～（ua－uw）平面内投影包络线与坐标轴（uauw）的夹角为φb1，第2平面在τf～（ua－uw）平面内投影包络线与坐标轴（ua－uw）的夹角为φb2，折线面在τf～（σ－ua）平面内的投影与坐标轴（σ－ua）的夹角为有效内摩擦角φ′。

式中:τf为抗剪强度；c′、φ′为饱和土的有效应力强度参数；φb1、φb2均为与吸力有关的内摩擦角，均取其平均值；S为常数，为第二平面与τf坐标轴的截距值与c′值的差值。

图3 抗剪强度破坏面

抗剪强度折线破坏包络面很好地解决了抗剪强度曲面破坏包络面的无规律、复杂性，与之对应的抗剪强度公式（3）易于工程实际实用，等吸力直剪试验可以快速、可靠地得到非饱和土的抗剪强度值，可以推广为其它类型的细粒土使用。

2.2 吸湿等吸力直剪试验

2.2.1 试验方案

吸湿等吸力直剪试验包括了脱湿、吸湿、固结、剪切四个步骤，上一节中脱湿等吸力直剪试验研究的是土在脱湿状态的抗剪强度，而吸湿直剪试验研究的是土在吸湿状态的抗剪强度，分别对应实际工程中岩土体干燥蒸发以及降雨入渗时的抗剪强度。具体的试验方法是先将试样在300kPa的吸力下脱湿，然后再吸湿到某一吸力后再进行固结和剪切步骤，共进行了100kPa、200kPa、300kPa三组竖向净正应力及100kPa、150kPa、200kPa三组吸湿吸力的九个试样试验。

2.2.2 试验结果

表5为吸湿等吸力直剪试验各个试样的吸湿抗剪强度值。

表5 吸湿抗剪强度τf

根据试验结果计算有效内摩擦角φ′，求得平均值为26°，以及与吸力有关的内摩擦角φb，求得平均值为13.4°。

2.3 脱湿与脱湿抗剪强度试验分析

通过试验结果对比，得出吸湿抗剪强度小于脱湿抗剪强度。从宏观上看，是由于SWCC的“滞后现象”导致吸湿抗剪强度小于脱湿抗剪强度；从微观上看，则主要是由于吸湿与脱湿过程中颗粒间收缩膜与颗粒的接触角差异及各种水化学反应而导致的，但是关于接触角对非饱和土的有效应力以及抗剪强度的影响还没有准确的、权威的研究成果，大部分学者从微观研究有效应力公式与抗剪强度时多假设接触角为零，有关这方面的研究还有待于进一步深入。另外，与脱湿试验对比，吸湿抗剪强度的有效内摩擦φ′角变大，而与吸力有关的摩擦角φb变化不大。

有效内摩擦φ′的增大主要是由于经过脱湿之后再吸湿，相同的吸力，含水率降低，所以剪切时水的润滑作用降低。另外，再脱湿过程中许多极其微小的颗粒被水带出，试样内部大颗粒直接接触面积增多，剪切时摩阻力增大。

3 结 论

（1）通过脱湿等吸力直剪强度试验结果表明:在吸力较低时与吸力有关的内摩擦角要比吸力较高时要大。

（2）基于Fredlund抗剪强度理论及等吸力直剪试验的结果提出折线面作为抗剪强度破坏包络面，并得出抗剪强度公式。

（3）通过脱湿与吸湿等吸力直剪试验得到吸湿抗剪强度小于脱湿抗剪强度，吸湿过程中有效内摩擦角φ′增大，与吸力有关的摩擦角φb变化不大；在工程勘察与设计中要注意土体强度参数随土体干湿状态变化而发生变化。

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