土水特征曲线预测非饱和黏土的抗剪强度

李万双,孙德安,高游

(上海大学土木工程系,上海　200072)

土水特征曲线预测非饱和黏土的抗剪强度

李万双,孙德安,高游

(上海大学土木工程系,上海200072)

分别采用压力板法和滤纸法对一种孔隙比大致相同的黏土进行了测量土水特征曲线的试验,并通过直剪仪试验测得不同含水率下该黏土的抗剪强度(简称强度).试验结果表明：压力板法和滤纸法测得的土水特征曲线大致相同；同样竖向压力下,抗剪强度随饱和度降低而增大,但饱和度很低时强度反而减小.饱和度主要影响黏聚力,对内摩擦角的影响不大.另外,应用土水特征曲线对非饱和黏土的强度进行了预测.通过引入有效饱和度的概念,对非饱和土强度公式进行修正,采用该公式预测非饱和土强度的精度比传统的平均骨架应力预测方法要高.

压力板法；滤纸法；土水特征曲线；抗剪强度

土质边坡稳定分析是当今国内外岩土工程领域始终未能得到妥善、经济解决的技术难题,其中一个主要的原因就是土体抗剪强度(简称强度)计算值不够准确.土体强度对气候变化特别敏感.在干燥气候条件下,土体含水率较低,饱和度较低,抗剪强度较高；在降水充足地区,土体含水率较高,饱和度较高,抗剪强度较低.因此,有必要探究土体抗剪强度与饱和度之间的关系.

土水特征曲线是指土中的含水率与土中吸力的关系曲线,能够反映土体的持水能力,对研究非饱和土的水力与力学特性以及抗剪强度起着重要的作用.土的含水率可以用重力含水率、体积含水率和饱和度来表示.Fredlund[1]指出,非饱和土的水力-力学特性及强度数值模拟精度取决于土水特征曲线方程反映其土水特性的准确度.因此,本工作用两种方法测量了一种粉质黏土的土水特性,以相互检验测量的精度.

很多学者致力于非饱和土强度的研究.Vanapalli等[2]对非饱和冰碛土在不同竖向应力条件下的抗剪强度进行了试验研究,认为基质吸力对非饱和土抗剪强度贡献较大.Goh等[3]对脱湿和吸湿过程中的非饱和土强度进行了研究,结果表明脱湿过程中土的强度比吸湿过程中的强度大.Gan等[4]用直剪试验研究了印度萨斯喀彻温省地区冰碛土的强度特性,结果表明：非饱和试样破坏包线与基质吸力之间不是线性关系,且摩擦角随着吸力的增大而减小,而当吸力大于某一值时,摩擦角趋于定值.张添峰等[5]通过固结快剪试验研究了含水率对非饱和桂林红黏土抗剪强度的影响,并指出用平均骨架应力预测得到的非饱和红黏土强度比实测值大得多.周葆春等[6]用Fredlund非饱和抗剪强度公式在较大的基质吸力范围内较好地预测了湖北荆门膨胀土的非饱和抗剪强度.

本工作以一种黏土为试验材料,对孔隙比大致相同的试样分别用压力板法和滤纸法测试得到土水特征曲线,并通过不同饱和度下的直剪试验对非饱和土的抗剪强度进行预测.

1　试验概况

1.1试验材料

本试验所用土料为珍珠土,其基本物理指标如表1所示.图1为珍珠土的颗粒级配曲线.从图1可知,该土黏粒(粒径小于5µm)含量约为50%,按照《建筑地基基础设计规范》[7]的分类,属于一种黏土.

表1　珍珠土的基本物理指标Table 1　Basic physical properties of pearl clay

图1　珍珠土的颗粒级配曲线Fig.1　Grading curve of pearl clay

1.2试验仪器

分别采用压力板法和滤纸法测量试验土料的土水特征曲线,其中压力板试验所用的装置是美国GCTS公司产的SWCC-150土水特征压力仪(见图2),该仪器通过增压器可以施加1.5 MPa的吸力.滤纸法试验所使用的设备包括密封性较好的LOCK&LOCK盒、Whatman No.42滤纸、精度为0.000 1 g的天平及恒温室等.

抗剪强度通过直剪试验来测量,试验仪器采用美国加利福尼亚洪堡州立大学(Humboldt State University,HSU)生产的25sixty Shear型直剪仪(见图3).该仪器使用气压源施加竖向压力,相比于传统的直剪仪,自动化程度较高,能直接读出水平力,即剪力的大小.

图2　美国GCTS公司产的SWCC-150土水特征压力仪Fig.2　SWCC-150 soil-water characteristics pressure instrument produced by GCTS of USA

图3　HUS-25sixty Shear型直剪仪Fig.3　HUS-25sixty Shear direct shear apparatus

1.3试验方法

1.3.1压力板法

在压力板试验中,首先将直径50 mm、高20 mm、初始孔隙比约为1.10、含水率为20%左右的非饱和压实试样抽气饱和,再将饱和试样装入SWCC-150土水特征压力仪中.因为在吸力较低(＜10 kPa)的情况下,用气压控制吸力方法不精确,所以采用负水头的方式控制吸力,即使排水管水位低于试样的中心平面位置(称为基准面),排水管水位每低于基准面10 cm就相当于1 kPa.当吸力大于10 kPa时,利用气压控制方式来施加吸力.试验中吸力路径基本上按2倍关系逐级加载到1 500 kPa,吸力路径如表2所示.普通土工实验室压缩空气源的压力为700～800 kPa.本工作使用增压器提供1 600 kPa气压源.变形和排水的稳定标准如下：每2 h的竖向变形量和排水量分别不超过0.01 mm和0.01 cm3,且每级吸力施加时间不少于48 h.

陶土板在较高气压下会有少量空气由底面逸出,从而影响排水量计算的精度.故在试验过程中,每隔1 d对陶土板底部管路进行一次冲刷,以便排除陶土板下面的空气从而使排水更彻底.试验过程中每级吸力值平衡需要3 d左右,一次试验需要1个月时间.

表2　吸力路径Table 2　Suction path

1.3.2滤纸法

采用吸湿过程中的滤纸法试验测吸力.首先,在经过烘干的珍珠土中加入适量的水,配制一定含水率的土样；然后,将土样放在密闭缸内静置24 h,待水分均匀后,取出土样制成7个直径50 mm、高度15 mm、孔隙比和含水率不同的压实样.试样的具体参数如表3所示.

表3　含水率不同的试样Table 3　Specimens with different water content

试验使用Whatman No.42滤纸,其率定曲线方程采用Leong等[8]给出的双线性率定曲线方程.基质吸力为

式中,s为吸力,单位为kPa；wf为滤纸的含水率,以百分数计(%).

装样过程如下：首先将3张烘干后的滤纸直接紧贴在试样的底端面,中间一张滤纸用于测量土样的基质吸力,而其他两张滤纸主要用于保护中间滤纸,避免中间滤纸接触土样被污染,然后将叠加的3张滤纸和试样放入密封容器中.

试验过程如下：将装好试样的密封容器放入恒温室里,放置14 d左右[9].当达到吸力平衡时,用镊子将所需测量的滤纸从LOCK&LOCK盒中取出,迅速放入万分位精度的电子天平中,测量滤纸的湿质量.为了避免滤纸与周围大气接触而使其中的水分发生变化,滤纸必须要在很短的时间内转移到电子天平隔离箱中.将滤纸放入铝盒中并在105°C烘箱里烘干,然后测量其质量,再根据滤纸的干质量与湿质量计算出吸力平衡时滤纸的含水率,最后用双线性率定曲线方程(式(1))求出基质吸力.另外,测量试样的重量和尺寸,然后放在烘箱里烘干,测得其干质量,然后计算得到土样的含水率和饱和度.由于滤纸从试样中吸水,故试验结束时试样含水率比放入密封容器时的含水率要小.

2　试验结果及分析

2.1持水特性

图4是对孔隙比大致相同的压实珍珠土通过压力板法和滤纸法测得的土水特征曲线,其中压力板法试验是在净应力为0的条件下完成的.从图4可以看出,滤纸法得到的土水特征曲线与压力板法得到的曲线基本重合,这说明初始孔隙比相近试样的持水特性是一定的,即土体的持水性与试验方法无关.这也说明了试验方法的可靠性.

如图4(a)所示,试样的含水率随着吸力的增大而减小.当吸力小于100 kPa时,随着吸力的增大,试样含水率下降并不明显；当吸力大于100 kPa时,随着吸力的增大,试样含水率迅速下降；当吸力超过1 300 kPa时,随着吸力的增大,含水率的下降趋势已经不明显,即含水率趋于稳定.

图4(b)为脱湿过程中试样的饱和度与吸力的关系.与含水率与吸力的关系类似,饱和度也是随着吸力的增大而减小.当吸力小于100 kPa时,随着吸力的增大,饱和度稍有减小；当吸力大于100 kPa时,随着吸力的增大,饱和度迅速下降；当吸力大于1 300 kPa时,饱和度趋于稳定.分析图4可知,该土样的进气值约为100 kPa,残余含水率约为4%.

图4　珍珠土的土水特征曲线Fig.4　Soil-water characteristic curves of pearl clay

2.2直剪试验

直剪试样共计8个：直径50 mm、高度15 mm、初始孔隙比约为1.15的不同含水率的7个非饱和样和1个饱和样.根据土水特征曲线中的含水率或饱和度推算吸力值.具体做法是,试验前称取一次试样质量,放入105°C烘箱内烘干后再称得干质量,然后计算剪切前后的含水率.若两次称量得到的含水率相差不大,则取二者平均值作为试样的含水率,继而推算剪切试样的吸力.用Origin 8.0拟合大于进气值而小于残余饱和度段的土水特征曲线(见图4),可得到吸力与含水率、吸力与饱和度的关系式如下：

式中,w为试样含水率,以百分数计(%)；Sr为试样饱和度,以百分数计(%).

根据试样含水率,由式(2)可求得每次试验所用试样的吸力值(见表4).在竖向压力分别为100,200和400 kPa的条件下对试样进行固结慢剪,剪切速率设定为0.02 mm/min.不同饱和度试样的抗剪强度如图5和表5所示.

表4　试样含水率对应的吸力值Table 4　Water content and corresponding suction

图5　不同饱和度珍珠土的抗剪强度Fig.5　Shear strength of pearl clay with different degrees of saturation

表5　抗剪强度参数Table 5　Shear strength parameters

从图5可以看出,在竖向压力一定的条件下,非饱和土的抗剪强度比饱和土要大,而且饱和度越低,抗剪强度越大,即吸力越大,抗剪强度越大.这是因为在非饱和试样中由于负孔隙水压的存在,使得试样土颗粒间产生由吸力引起的表观黏聚力,从而提高了试样的抗剪强度.当饱和度较低(19%)时,抗剪强度较小,这主要由于饱和度较低时土样中的水相不连续,较粗颗粒间的孔隙水可能不存在弯液面,因而没有表观黏聚力.

3　非饱和土抗剪强度的预测

已有很多研究者尝试对非饱和土强度进行预测,如Vanapalli等[10]认为非饱和土强度的增加可以用类黏聚力来描述,其中因非饱和而增加的抗剪强度为

式中,Ses为残余饱和度[10].将试样中存在的孤立孔隙(全封闭性的“死孔”)的体积量称为残余孔隙量,即残余孔隙完全饱和时水的体积量与初始总孔隙体积之比.(Sr−Ses)/(100−Ses)为有效饱和度.本试验中珍珠土试样的残余含水率约为4%,残余饱和度约为9.4%.

利用式(7)对非饱和珍珠土的抗剪强度进行预测,将所得结果与实测结果进行比较(见图6(b)).从图中可以看出,利用式(7)能够更好地预测非饱和珍珠土的强度,尤其是在竖向压力和吸力都比较大的情况下.这验证了有效饱和度预测公式的正确性.

式中,ua为孔隙气压力,uw为孔隙水压力,θ为体积含水率,即土体中水的体积占土颗粒体积的百分数,θs和θr分别为饱和体积含水率和残余体积含水率,φ为饱和土的内摩擦角.

Fredlund等[11]认为非饱和土抗剪强度的增加部分应为

式中,Sr为饱和度,k为与土样有关的常数,其取值通常为0.7～1.2.如k取为1.0,则非饱和土的抗剪强度可表示为

式中,σ为竖向应力,s为吸力,c＇为饱和土的黏聚力.由式(6)可预测得到非饱和珍珠土的抗剪强度,然后与实测结果进行比较(见图6(a)).

由图6(a)可以看出,在一定范围内,式(6)能部分预测非饱和土的抗剪强度,但是预测值基本都比实测值要大,且最大误差能达到30%.可见,式(6)不能较好地预测非饱和珍珠土的抗剪强度,这主要是因为压实的珍珠土样颗粒具有双峰分布特性.压实样中主要有两种孔径：一种是聚集的团粒之间的大孔隙,一种是团粒内部的小孔隙.试样中的水先进入团粒内的小孔隙,之后才开始填充团粒间的大孔隙,因此整个试样是非饱和状态,但小孔隙却处于饱和状态,而后者对抗剪强度没有贡献.对抗剪强度有贡献的是大孔隙中的水量,即有效饱和度.根据这一概念,修正后的非饱和土抗剪强度公式为

图6　非饱和珍珠土的抗剪强度预测Fig.6　Prediction of shear strength for unsaturated pearl clay

4　结束语

本工作通过压力板法和滤纸法测试了孔隙比大致相同的珍珠土的持水性,两种方法得到的土水特征曲线大致相同.研究结果表明,非饱和土抗剪强度比饱和土要高,内摩擦角基本不随饱和度变化,黏聚力随饱和度减小而增大,而当饱和度很低时,黏聚力随饱和度减小而减小.另外,根据非饱和土的含水率,利用土水特征曲线和有效饱和度可较好地预测非饱和土的抗剪强度.

本工作通过引入有效饱和度的概念,提高了非饱和土抗剪强度预测的精度,但在高吸力范围(即大于残余含水率)内,非饱和土抗剪强度的预测有待进一步研究.

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Predicting shear strength of unsaturated clay using soil-water characteristic curve

LI Wanshuang,SUN Dean,GAO You
(Department of Civil Engineering,Shanghai University,Shanghai 200072,China)

The pressure plate method and filter paper method were used to measure the soil-water characteristic curve(SWCC)of clay with almost the same initial void ratio. Shear strength were obtained by performing a series of direct shear tests on the clay under different unsaturated conditions.SWCCs of the silty clay obtained with the pressure plate and filter paper methods were nearly the same.With the same pressure,shear strength increased with a decreasing degree of saturation,and decreases at a very low degree of saturation.The degree of saturation had great influence on cohesion and little influence on the internal friction angle.Shear strength of unsaturated clay was predicted using SWCC.To precisely predict shear strength,a concept of effective degree of saturation was introduced to modify the traditional strength formula of unsaturated clay.The modified formula could better predict tested data.

pressure plate method；filter paper method；soil-water characteristic curve (SWCC)；shear strength

TU 432

A

1007-2861(2016)05-0648-08

10.3969/j.issn.1007-2861.2015.01.015

2015-01-29

国家自然科学基金资助项目(11272194)

孙德安(1962—),男,教授,博士生导师,博士,研究方向为非饱和土力学.E-mail:sundean@shu.edu.cn