含水率对残坡积土强度特性的影响

王闯， 董金玉， 王明龙， 李梦姿， 张培培

(1.华北水利水电大学,河南 郑州 450045; 2.深圳市地质环境监测中心,广东 深圳 518034;3.黄河勘测规划设计有限公司,河南 郑州 450003)



含水率对残坡积土强度特性的影响

王闯1， 董金玉1， 王明龙2， 李梦姿1， 张培培3

(1.华北水利水电大学,河南 郑州 450045; 2.深圳市地质环境监测中心,广东 深圳 518034;3.黄河勘测规划设计有限公司,河南 郑州 450003)

水对边坡土体的变形和强度有着重要的影响。通过对三峡库区某边坡残坡积土进行不同含水率下的直剪试验，研究含水率对其剪应力-位移以及强度的影响规律。结果表明：残坡积土在低含水率下的剪应力-剪切位移关系呈应变软化，在高含水率下呈应变硬化，且含水率较低时竖向压力对残坡积土的应力-应变曲线亦有影响，随着竖向压力增加，剪切软化现象逐渐减小；土体抗剪强度随着含水率的增大而呈非线性减小，减小的速率表现出先大后小的特征，土体塑限为其抗剪强度减小快慢的分界点；土体黏聚力随着含水率的增大呈二次多项式形式减小，土体内摩擦角整体上随含水率的增大而变小，但变化规律不明显。

残坡积土；含水率；剪应力-剪切位移关系；抗剪强度；黏聚力；内摩擦角

抗剪强度是表征土体力学性质的一个重要指标，其主要受土体的种类、结构以及含水率的影响。工程实践中，一定区域内的土体质地和结构一般不会发生太大变化;然而，受降雨、蒸发、灌溉等因素的影响，土体的含水率变化很大。故对特定区域土体而言，其强度变化主要受含水率的影响[1]。因此，一些学者针对含水率对土体抗剪强度的影响进行了试验研究。凌华等[2]在改进的普通三轴仪上进行了不同含水量的非饱和土强度试验，根据试验结果建立了非饱和土的实用强度公式。申春妮等[3]对重塑非饱和土进行了一系列控制吸力、含水率和干密度的直剪试验，发现非饱和土的黏聚力和内摩擦角均随含水率的增加而线性减小。张海明等[4]对非饱和粉土进行不同含水量、不同剪切速率的大型直剪试验，得到不同含水量重塑非饱和粉土试样的抗剪强度指标(c、φ)随含水量的增大，呈现先升高后减小的变化趋势。孟庆云等[5]对重塑膨胀土进行不同初始含水率的直剪试验发现，随初始含水率的增加，膨胀土体的黏聚力、内摩擦角有先增大后减小的趋势。边加敏等[6]对粉质黏土进行不同含水量下的直剪试验，得到非饱和土含水量与黏聚力近似呈二次曲线关系、与内摩擦角近似呈线性关系的结论。林鸿州等[7]通过压力板仪和直剪仪组合试验，探讨了击实土抗剪强度和基质吸力的关系。李险峰[8]通过8组不同含水率的千枚岩碎屑土滑坡土体的三轴排水剪切试验，研究了含水率对滑坡土体力学特性的影响。陈小龙等[9]对三峡库区黄土滑坡滑带土进行不同含水率的直剪试验，发现滑带土黏聚力及内摩擦角均随含水率的增大近似呈线性减小的趋势。高彦斌等[10]对上海第4层淤泥质黏土进行直剪试验发现，无论是快剪还是慢剪的抗剪强度均无明显峰值，且慢剪的强度增加较慢。胡波、黄志全和姜彤等[11-13]分别以膨胀土为研究对象，研究基质吸力对其抗剪强度的影响。林锋等[14]对不同含水量的滑带土重塑样进行快剪试验，发现重塑样内聚力随含水量的增加呈现小—大—小的变化规律。

由于受土体骨架结构、土颗粒矿物成分、黏粒含量、应力历史等内部条件的影响，非饱和土抗剪强度随含水率变化的规律对于不同的土体明显不同。因此，本文以三峡库区某边坡残坡积土为研究对象，通过不同含水率下的直剪试验，研究含水率对残坡积土抗剪强度特性的影响。

1　残坡积土的基本物理力学性质

试验所用土样取自三峡库区某边坡残坡积土，如图1所示。室内液塑限试验测得该土的10 mm液限为24.9%，塑限为16.0%，塑性指数为8.9，为粉土。其物理力学指标见表1。

图1　残坡积土

干密度ρd/(g·cm-3)比重Gs天然含水率w/%液限/%塑限/%塑性指数Ip1．92．7011．0～14．024．916．08．9

残坡积土试样的颗粒级配曲线如图2所示，粉粒含量(0.005～0.075 mm)最高，占51%；黏粒含量(<0.005 mm)占2.1%。不均匀系数Cu=20.69>5，曲率系数Cc=1.21，该残坡积土土样级配良好。

图2　残坡积土试样粒径分布曲线

2　强度特性直剪试验

2.1试验方案

试样制样时控制的干密度为1.85 g/cm3，制备含水率(w)为8.0%、10.0%、12.0%、14.0%、16.0%、18.0%、20.0%、22.0%、24.0%、26.2%(饱和)的10组土样，每组土样4个。分别施加100、200、300、400 kPa的竖向压力进行快剪试验。试验是在FDJ-ZO型非饱和土直剪仪上进行的，剪切速率控制为0.8 mm/min。抗剪强度的取值标准为：若剪切位移在6 mm范围内出现峰值强度，则取该峰值强度作为该级垂直压力下的抗剪强度；否则，取剪切位移4 mm所对应的剪应力作为该级垂直压力下的抗剪强度。

2.2应力与位移关系

10组土样的剪应力-剪切位移关系曲线如图3所示。

图3　不同含水率下剪应力-剪切位移关系曲线

由图3可以看出，土体含水率对剪应力-剪切位移关系曲线有着重要的影响。在含水率低于14.0%时，不同竖向压力下的剪应力-剪切位移关系曲线呈剪切软化型，在剪应力增大到峰值之后，剪应力随剪切位移的继续增大而迅速减小，最后趋向于一稳定值；在含水率高于14.0%时，不同竖向压力下土样的剪应力-剪切位移关系曲线呈现剪切硬化的特征，开始剪切时剪应力迅速增加，当其剪切达到一定程度后，其剪切强度趋于稳定，即剪切强度基本上保持不变。

残坡积土的剪应力-剪切位移关系曲线出现上述现象的原因可以用基质吸力来解释。在含水率较低时，土体中由于基质吸力的存在使土体稳定的结构力增大，在抵抗外力作用时表现为土体强度的增加，当外力作用使土体产生破坏时，这种结构力必然损失，强度明显下降，即出现软化现象。随含水率的增加，土体中基质吸力逐步降低，结构力相应减小，土体在外力作用下出现破坏时，相应的强度下降没有高基质吸力情况时明显，因此剪切过程就可能看不到明显的软化。

此外，从图3(a)—(d)还可以发现，含水率较低时竖向压力对残坡积土的剪应力-剪切位移关系曲线亦有影响。以含水率为12.0%时的剪应力-剪切位移关系曲线为例，在竖向压力为100 kPa时，剪应力-剪切位移曲线呈剪切软化型，随着竖向压力增加，剪切软化现象逐渐减小，在竖向压力达到400 kPa时，剪应力-剪切位移曲线的剪切软化现象基本消失。

2.3含水率对抗剪强度的影响

不同含水率下残坡积土的抗剪强度见表2，不同竖向压力下抗剪强度随含水率的变化曲线如图4所示。

表2　不同含水率下残坡积土的抗剪强度

图4　不同竖向压力下抗剪强度随含水率的变化曲线

由表2和图4可以看出，相同竖向压力作用下，残坡积土抗剪强度随含水率的增加呈非线性减小。当含水率为8.0%～16.0%(液限含水率)时，残坡积土的抗剪强度降低明显，尤其当含水率为14.0%～16.0%时，抗剪强度迅速降低；而当含水率达到液限之后，抗剪强度变化不明显。

从表2中可以看出，相同含水率下，竖向压力从100 kPa增加至400 kPa，土样抗剪强度可提升2～3倍。其主要作用机理是，高竖向压力剪切过程中，在法向应力与剪应力的共同作用下，土中孔隙水渗透至上剪切盒土样表面，使上、下剪切盒接触面的非饱和粉土含水量降低，剪切面土体颗粒之间的咬合越来越密实，土中孔隙水压力下降，土颗粒之间有效应力增加，抗剪强度随之提高[4]。

2.4含水率对抗剪强度参数的影响

不同含水率下残坡积土的抗剪强度参数(黏聚力和内摩擦角)值见表2并如图5所示。

图5　抗剪强度参数随含水率的变化关系曲线

从图5(a)中可以看出，黏聚力随含水率的增大而减小，呈现非线性变化。尤其在含水率为8.0%～20.0%这一区段，含水率对黏聚力的削减作用是非常明显的；而在含水率达到22.0%之后，黏聚力相对稳定，变化不明显。

对黏聚力与含水率之间的关系进行回归分析，可以近似用二次抛物线形式来表示：

c=0.224w2-14.133w+221.84，

(1)

式中：c为残坡积土的黏聚力，kPa；w为含水率，%。

此外，从图5(b)中可以看出，土体的内摩擦角整体上随含水率的增加而变小，但变化规律不明显，其值在16.4°～23.2°间波动。

3　结语

1)低含水率残坡积土的剪应力-剪切位移关系曲线呈剪切软化型；随着含水率的增加，在土体含水率大于塑限后，其剪应力-剪切位移关系曲线趋于剪切硬化型。

2)残坡积土的抗剪强度随含水率的增大呈非线性降低，含水率从8.0%到塑限，抗剪强度显著降低，而含水率从塑限到饱和含水率26.2%，抗剪强度降低不明显，土体塑限为抗剪强度减小快慢的分界。

3)残坡积土黏聚力随着含水率的增大呈二次多项式形式减小，土体内摩擦角整体上随含水率的增加而减小，但变化规律不明显；含水率对黏聚力的影响比对内摩擦角的影响大。

[1]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,2012,32(9):2600-2604.

[2]凌华,殷宗泽.非饱和土抗剪强度随含水量的变化[J].岩石力学与工程学报,2007,26(7):1499-1503.

[3]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):1347-1351.

[4]张海明,姚爱军,王兆辉,等.非饱和粉土力学特性的大型直剪试验[J].辽宁工程技术大学学报,2014,33(10):1352-1356.

[5]孟庆云,杨果林.重塑膨胀土直剪试验中的应力-应变曲线特征[J].中南公路工程,2007,32(3):11-15.

[6]边加敏,王保田.含水量对非饱和土抗剪强度影响研究[J].人民黄河,2010,32(11):124-125.

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[12]黄志全,李明霞,刘莹莹.南水北调中线工程禹州段膨胀土的非饱和性质研究[J].华北水利水电学院学报,2013,34(4):17-20.

[13]姜彤,张俊然,陈宇.非饱和膨胀土剪切强度参数对比试验研究[J].华北水利水电学院学报,2013,34(4):1-6.

[14]林锋,丁秀美,杨松.滑带土强度对水的敏感性直剪试验研究[C]∥第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集.北京：科学出版社，2004.

(责任编辑：乔翠平)

Influence of Water Content on Residual Soil Strength Property

WANG Chuang1, DONG Jinyu1, WANG Minglong2, LI Mengzi1, ZHANG Peipei3

(1.School of Resources and Environment, North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou 450045, China； 2.Center Geology Environment Monitoring, Shenzhen 518034, China；3.Yellow River Engineering Consulting Co., Ltd., Zhengzhou 450003, China)

Water has an important influence on deformation and strength of the soil slope. In this paper, direct shear tests were performed to study the influence of water content on shear strength of soil taken from the slope of the Three Gorges Reservoir area. The test results show that the shear stress-shear displacement relationship under the condition of low water content was strain softening and strain hardening under the condition of high water content; and the vertical pressure under the condition of the low water content also has influence on the stress-strain curve of the residual, and the shear softening phenomenon gradually decreases with the increase of the vertical pressure. The soil shear strength decreases nonlinearly with the increase of water content and the reduced rate is firstly big, and then become small, and the plastic limit of the soil is the turning point. The soil cohesion decreases with the increase of water content as a quadratic polynomial, and the soil internal friction angle on the whole decreases with the increase of water content, but the variation is not obvious.

residual soil; water content; shear stress-shear displacement relationship; shear strength; cohesion; soil internal friction angle

2016-06-28

国家自然科学基金青年基金资助项目(41102203);河南省科技创新人才计划;水利部公益性行业科研专项经费项目(201301034);盾构及掘进技术国家重点实验室开放课题(2013-07);华北水利水电大学青年科技创新人才支持计划项目。

王闯(1991—)，男，河南开封人，硕士生，主要从事岩土工程方面的研究。E-mail:1456182076@qq.com。

董金玉(1977—)，男，河南济源人，副教授，博士，主要从事地质工程方面的研究。E-mail:dongjy0552@126.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.05.016

TV16；TU411.7

A

1002-5634(2016)05-0088-05