含水率对下蜀土抗剪强度的影响

施　威，魏继红*，宋京雷，乐慧琳，高晓兵

(1.河海大学地球科学与工程学院，江苏 南京　210098；2. 江苏省地质调查研究院，江苏 南京　210018；3. 中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海　200032)



含水率对下蜀土抗剪强度的影响

施威1，魏继红1*，宋京雷2，乐慧琳1，高晓兵3

(1.河海大学地球科学与工程学院，江苏 南京210098；2. 江苏省地质调查研究院，江苏 南京210018；3. 中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032)

摘要：为研究不同剪切方式中，含水率对下蜀土抗剪强度的影响，选取下蜀土为研究对象，进行多组原状土样的快剪、慢剪和反复直剪试验。试验结果表明：下蜀土试样含水率在19%～28.2%之间变化时，随着含水率的增加，土的抗剪强度总体呈下降趋势，但不同剪切方式中影响规律不同。快剪试验中，含水率对土体抗剪强度的影响较大，当含水率增加到23.5%附近时，黏聚力和内摩擦角均急剧下降；慢剪和反复直剪试验中含水率对土体的抗剪强度影响较小。快剪和反复直剪试验中，土的抗剪强度主要受黏聚力控制；慢剪试验中，土的抗剪强度主要受内摩擦角控制。快剪、慢剪和反复直剪分别模拟下蜀土滑坡中的快速滑动、缓慢滑动和古滑坡的再次滑动，试验结论可为不同类型下蜀土滑坡的防治工程提供参考。

关键词：下蜀土；直剪试验；含水率；抗剪强度

土体的抗剪强度指标是土质边坡稳定性分析中重要的基本力学参数，主要受土体结构、密度和含水率等因素的影响。工程实践中发现，在一定范围内，土的结构和密度一般变化较小，而含水率容易受降水等外界因素影响，含水率的变化容易导致抗剪强度的改变。许多学者对土体的抗剪强度做了大量研究，建立了多种非饱和土的抗剪强度的理论公式和本构模型[1-6]，其中代表性理论有Bishop理论、Fredlund双变量理论、卢肇钧的吸附强度理论、缪林昌的双曲模型等[1-6]。为探讨含水率对土体抗剪强度的影响，黄琨等[7]采用重塑土样和原装土样进行试验，申春妮等[8]、陈高峰等[9]采用重塑土样进行试验，但均未考虑剪切方式在试验研究过程中的影响作用。

本文选取长江中下游地区的非饱和下蜀土作为研究对象，通过多组非扰动原状土试样的快剪、慢剪和反复直剪3种剪切试验，分析比较不同剪切方式下含水率对土的抗剪强度的影响。快剪、慢剪和反复直剪分别模拟下蜀土滑坡中快速滑动、缓慢滑动和古滑坡的再次滑动，试验结论可为不同类型的下蜀土滑坡滑带抗剪参数的确定及防治工程提供参考。

1下蜀土抗剪强度试验

1.1试验材料

下蜀土天然状态下为黄褐色，以可塑～硬塑为主，结构紧密，强度和承载力较高[10]；但下蜀土具有明显的胀缩性，而且土体垂直裂隙发育，在降雨等不利条件下容易发生滑坡等地质灾害。南京燕子矶附近便为典型的下蜀土滑坡地质灾害易发区域。

本次试验材料取自南京市燕子矶一处下蜀土滑坡现场。采用XY-1型油压工程钻机钻进，利用薄壁取土器取原状土样，尽量避免扰动，共制取试样64组，其中快剪试验22组，慢剪试验22组，反复直剪试验20组。土样及试样照片如图1所示。

图1　原状土样及制成试样照片

通过颗粒分析试验和常规土工试验获得土的基本物理性质参数。土样的主要指标如下：粒径小于0.005 mm 的占70 %以上；液限Wl=30.3 %；塑限Wp=17.5 %；塑性指数Ip=12.8；相对密度G=2.72；天然含水率在20%～28%之间。按GB 50021—2009《岩土工程勘察规范》中土的分类方法，试验用土为粉质黏土。测试结果如表1所示。

1.2试验设备

本次试验采用南京土壤仪器厂生产的PSJ-3型电动四联等应变直剪仪。因为根据库伦定律，土的内摩擦力和剪切面上的法向压力成正比，所以采用4个相同试样为一组，分别在50、100、150、200 kPa的法向压力下以一定的速度进行剪切。施加应力的方式采用等应变控制式，试验数据均为自动采集。试验仪器和数据采集系统界面如图2所示。

表1　南京下蜀土颗粒分析结果　%

图2应变控制式直剪仪及数据采集系统界面图

1.3试验方法

目前研究含水率对非饱和土抗剪强度影响的相关试验主要是采用重塑试样进行，没有考虑土的原有结构和剪切方式对抗剪强度的影响。本试验试样为原状土样，取自同一地区，在降雨前和降雨后多次取样，确保土体含水率在一定区间内连续变化，剪切方式采用快剪、慢剪和反复直剪。具体试验方法如下。

快剪试验：将制备好的试样放入剪切仪，施加4组不同的法向压力，然后以0.8 mm/min的速度进行剪切，剪切位移达到4 mm时停止剪切。

慢剪试验：将制备好的试样放入剪切仪，施加4组不同的法向压力，然后在直剪仪上以0.02 mm/min的速度进行剪切，剪切位移达到4 mm时停止剪切。

反复直剪试验：将制备好的试样放入剪切仪，施加4组不同的法向压力，然后在反复直剪仪上以0.02 mm/min的速度进行剪切，剪切位移达到8 mm时停止剪切。第1次剪切完成后，将剪切盒退回原位，等待0.5 h后，进行第2次剪切，如此反复，直到最后测力计所显示读数接近为止。根据试验情况，一般进行5～6次剪切便可达到要求。

快剪、慢剪和反复直剪分别模拟下蜀土滑坡中快速滑动、缓慢滑动和古滑坡的再次滑动3类滑动类型。

2试验数据整理与分析

2.1试验数据整理

试验结束后，对试验数据进行整理和统计，找出含水率不同，其他物理指标基本相同的试样数据。其中：快剪试验有9组，天然含水率在19.0%～28.2%之间，试验数据如表2所示；慢剪试验有11组，天然含水率在21.4%～27.9%之间，试验数据如表3所示；反复直剪试验有10组，天然含水率在21.4%～27.8%之间，试验数据如表4所示。

表2　快剪试验数据

表3　慢剪试验数据

表4　反复直剪试验数据

2.2试验数据分析

2.2.1快剪试验数据分析

从图3中可以发现：土的抗剪强度随着含水率的增加而减小，含水率在22.9%～24.7%之间时，抗剪强度-含水率关系曲线位置发生明显变化。从图4和图5中可以发现：含水率对黏聚力和内摩擦角的影响规律相似，含水率与黏聚力和内摩擦角的关系曲线均分为3段，当含水率在19%～21.5%之间时，随着含水率的增加，黏聚力和内摩擦角平稳下降；当含水率在21.5%～23.5%之间变化时，黏聚力和内摩擦角急剧下降；当含水率在23.5%到接近饱和之间时，黏聚力缓慢下降，趋于平稳，内摩擦角则呈现先减小后增大的趋势。

图3　快剪试验中抗剪强度与含水率的关系

图4　快剪试验中黏聚力与含水率的关系

快剪试验中，土体强度的下降主要原因为剪切速度快，孔隙中的水来不及消散，产生孔隙水压力。根据有效应力原理，总应力大小不变，随着含水率的

图5　快剪试验中内摩擦角与含水率的关系

增加，孔隙水压力增大，则有效应力减小，土的抗剪强度降低，黏聚力为土体抗剪强度的主控因素。黏聚力和内摩擦角在一定含水率时出现突变现象，这表明，当含水率为一定值(约23.5%)时，土的抗剪强度急剧下降。

2.2.2慢剪试验数据分析

从图6中可以发现：慢剪试验中，土的抗剪强度与含水率之间没有明显的线性关系，随着含水率的增加呈现出小幅度波动变化但整体下降的趋势。对比图3和图6可以发现，慢剪试验中含水率变化范围与快剪相近，但曲线位置变化幅度明显小于直剪试验。从图7和图8中可以发现：黏聚力随着含水率的增加呈现出波动变化，变化平稳，整体为增大趋势；内摩擦角随着含水率的增大也呈现出波动变化，整体为减小趋势。

图6　慢剪试验中抗剪强度与含水率的关系

图7　慢剪试验中黏聚力与含水率的关系

图8　慢剪试验中内摩擦角与含水率的关系

慢剪试验中，土的内摩擦角对土的抗剪强度起主要的控制作用，而黏聚力作用相对较小。主要原因为慢剪试验持续时间较长，一般为3 h左右，在缓慢的剪切过程中，土体中的水会慢慢消散，孔隙水压力对土体强度的影响被削弱，不会出现类似快剪试验中的抗剪强度大幅变化的情况，同时土体中自由水消散，引起基质吸力的增大，使得黏聚力增大；但随着含水率的增加，水在土颗粒之间发挥润滑作用，使得摩擦角逐渐减小，从而呈现抗剪强度波动变化但整体下降的趋势。

2.2.3反复直剪试验数据分析

从图9中可以发现：反复直剪试验中，土体的含水率-抗剪强关系曲线位置变化为先上后下，土体的抗剪强度与含水率之间没有严格的线性关系，变化规律与慢剪相似，虽然含水率变化范围与快剪相近，但抗剪强度包线位置变化幅度明显小于直剪试验。从图10和图11中可以发现，黏聚力随着含水率的增加呈现出先增大再减小的趋势，当含水率为24%时，黏聚力出现最大值，而内摩擦角随着含水率的增大而逐步减小。

图9　反复直剪试验中抗剪强度与含水率关系

在反复直剪试验中，土的抗剪强度为残余强度，黏聚力对土的残余强度起主要的控制作用。随着含水率增加，土体的残余强度先增加后减小，在含水率为一定值时出现最大残余强度，主要因为试验过程持续时间较长，一般为7 h左右，在反复剪切中，土体的结构发生破坏，剪切破坏面随着剪切次数增大而变得光滑，内摩擦角逐渐减小；同时含水率影响基质吸力，当含水率约为24%时，对应着基质吸力最大值，基质吸力的变化使得黏聚力呈现出先大后小的规律。

2.2.4对比分析与应用

在中国股市成立初期，由于受到国内管制较多，中国股票市场与国际股市的相依性非常低，这一点已经过多数学者的验证。因此，本文将样本区间设置为2001年1月1日至2015年11月30日，数据频率采用日度数据，研究数据来自雅虎财经。

对比3种试验结果，可以发现：随着含水率的增加，土体的抗剪强度整体上呈下降趋势,但不同的剪切方式的变化规律不同。快剪试验中，抗剪强度随含水率增加先缓慢下降之后急剧下降最后又缓慢下降，趋于平稳，含水率在23.5%附近时，土体的抗剪强度急剧下降，含水率对土体抗剪强度的影响较大；慢剪试验中，土的抗剪强度随着含水率呈波动变化，整体趋势为减小，内摩擦角对土体的强度起主要控制作用，含水率对土体抗剪强度的影响相对较小；反复直剪试验中，抗剪强度随着含水率的增大先增大后减小，最大抗剪强度对应的含水率约为23.5%，与直剪试验中的强度突变含水率相近，含水率对土体抗剪强度的影响相对较小。

图10　反复直剪试验中黏聚力与含水率的关系

图11　反复直剪试验中内摩擦角与含水率的关系

在工程应用中，快剪试验用来模拟下蜀土边坡在降雨工况下的快速滑动破坏；慢剪试验模拟下蜀土边坡在降雨工况下缓慢滑动破坏；反复直剪试验模拟下蜀土滑坡在降雨工况下的再次滑动。根据试验数据分析结果，笔者对南京燕子矶附近化工厂中学滑坡、燕子矶中学滑坡、69-3号滑坡等8个典型的下蜀土边坡的破坏模式和诱发因素进行统计，发现，其中6个滑坡发生在降雨后，且均为新形成的快速滑动型滑坡。另外2个为再次缓慢滑动的古滑坡，未发现其与降雨有明显因果关系。

通过室内试验和滑坡灾害统计分析可见，试验结论与统计数据基本吻合，降雨容易引起下蜀土边坡的快速滑动破坏。对于可能引发破坏的边坡来说，做好排水措施极为重要，在确定滑带土参数时应重点考虑土体含水率的变化情况。

3结论

采用快剪、慢剪和反复直剪3种剪切方式，来研究含水率对土抗剪强度的影响规律，得出以下几点结论。

1)随着含水率的增加，土的抗剪强度总体呈降低趋势，快剪和反复直剪中，土的强度主要受黏聚力控制，慢剪试验中，土的强度主要受内摩擦角控制。快剪试验中，当含水率达到23.5%左右时，土体强度急剧下降，该临界含水率与反复直剪试验中土体强度最大值对应的含水率相差不大。

2)含水率对于土体不同剪切方式的抗剪强度的影响规律不同，对于快剪抗剪强度的影响较大，而对慢剪和反复直剪影响较小。不同的剪切试验对应边坡不同的破坏模式，由试验结果和统计数据可知，下蜀土边坡在降水条件下的突然滑动破坏多由降雨改变土体抗剪强度引起；土体的缓慢滑动和古滑坡的再次滑动受降雨影响相对较小。

参考文献

[1]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.

[2]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.

[3]Bishop A W, Blight G E. Some Aspects of Effective Stress in Saturated and Partly Saturated Soils[J]. Géotechnique, 1963, 13(3):177.

[4]Fredlund D G, Rahardjo H. Soil Mechanics for Unsaturated Soils[M]. [S.l.]：A Wiley-Interscience Publication,1993.

[5]卢肇钧.非饱和土抗剪强度的探索研究[J].中国铁道科学,1999,20(2):10.

[6]缪林昌,崔颖,陈可君,等.非饱和重塑膨胀土的强度试验研究[J].岩土工程学报,2006,28(2):274.

[7]黄琨, 万军伟, 陈刚,等. 非饱和土的抗剪强度与含水率关系的试验研究[J]. 岩土力学, 2012, 33(9):2600.

[8]申春妮,方祥位,王和文,等.吸力、含水率和干密度对重塑非饱和土抗剪强度影响研究[J].岩土力学,2009,30(5):1347.

[9]陈高峰, 石丙飞, 黄志怀,等. 含水率对非饱和土抗剪强度影响试验研究[J].工程地质学报,2012,20(增刊):127.

[10]刘永青. 南京市区地基土的工程地质区划[J]. 水文地质工程地质, 1994(3):49.

(编校：叶超)

Study on the Influence of Moisture Content to Shear Strength Tests for Xiashu Soil

SHI Wei1，WEI Jihong1*，SONG Jinglei2，LE Huilin1，GAO Xiaobing3

(1.DepartmentofEarthScienceandEngineering，HohaiUniversity，Nanjing210098China；2.GeologicalSurveyofJiangsuProvince,Nanjing210018China；3.CCCCThirdHarborConsultantsCo.,Ltd.,Shanghai200032China;)

Abstract:In order to study the effect of moisture content on the shear strength of Xiashu soil, the quick shear, slow shear and repeated direct shear tests of undisturbed soil samples were carried out. The results show that when the moisture content is between 19% and 28.2%, the shear strength decreases with the increase of moisture content, but the influence of moisture content on the shear strengths in the three kinds of shear test is different. The influence of moisture content on the shear strengths in the quick shear test is larger than that in the slow shear and repeated direct shear tests. In the quick shear test, when the soil moisture content increased to 23.5%, both cohesion and internal friction angle have fallen sharply. In the quick shear test and repeated direct shear test，shear strength is mainly controlled by the cohesion. In the slow shear test, shear strength is mainly controlled by the angle of internal friction. Quick shear, slow shear and repeated direct shear tests simulated the quick-moving Xiashu soil slide , slow-moving Xiashu soil slide and the resurrection of old landslide, respectively. The test results can provide a reference and basis in the landslide control engineering.

Keywords:xiashu soil；direct shear test ；moisture content；shear strength

收稿日期：2015-04-01

基金项目：国家自然科学基金(41102162)；十二五国家科技支撑计划项目(2012BAB03B02)。

*通信作者：魏继红(1976—)，女，副教授，博士，主要研究方向为岩土体稳定性。E-mail：wjhfish@hhu.edu.cn.

中图分类号：TU43；TU411

文献标志码：A

文章编号：1673-159X(2016)03-0097-5

doi:10.3969/j.issn.1673-159X.2016.03.020

第一作者：施威(1989—)，男，硕士研究生，主要研究方向为岩土体稳定性。

·建筑与土木工程·