原状和重塑粉土抗剪强度与含水率的关系

摘要：中原地区水敏感性粉土广泛分布，作为典型的非饱和土，其抗剪强度受含水率影响很大。降雨期间的非饱和粉土边坡因含水率的增加，影响土体的抗剪强度，可导致边坡失稳等。许多学者建立了非饱和土抗剪强度的理论公式和本构模型[1-3]，而室内试验能通过控制试验状态，验证理论公式的正确性[4]。本项目通过不同含水率粉土三轴试验，对粉土强度指标及含水率对其影响特征进行了研究。

关键词：原状土；重塑土；抗剪强度；粉土；含水率

一、引言

目前的学者大多是对黄土、黏土、膨胀土等非饱和土进行三轴试验研究。关于中原地区粉土鲜有涉及。作为对含水率极其敏感的土质，中原地区粉土的抗剪强度研究亟待推进。同时，既往试验中关于土样进行三轴试验时多为单一类型土样，同时进行原状、重塑粉土试验的多为直剪试验，并且试验结果有所差异。因此，作者通过开展高质量的粉土原状、重塑土样的三轴试验，严格控制重塑土样制作方法，研究含水率对原状、重塑粉土抗剪强度特性的影响。

二、实验内容及分析：

本试验用土取自郑州市庆元广场基坑工程，取土深度6.5m，按《建筑地基基础设计规范》分类方法，试验用土为砂质粉土，天然含水率15.6%，天然干密度1.65。

原状土样取回后，剥去塑料纸和胶带，检查土样结构，看是否扰动或土样质量是否符合试验要求，若土样保持完好，按照试验规程要求利用专用的削土器将土样削制成80mm，直径为 39.1mm的圆柱形试样。为减少黄土干密度差异带来的影响，控制试样干密度差值不大于 0.2g/cm3，同一组试样控制含水量相同。含水率相差不得超过1%，在室内制样时可看见黄土内含极小的细砂、石英颗粒等，部分存在钙质结核层。

重塑土采用自然风干方法，不时称重稳定质量，然后将其放入保湿缸中养护2～3天，待试样内部水分均匀后即可用于试验。使用此法时切忌使试样暴晒，以避免试样出现裂纹而破坏试样的原状结构。从而得到含水率为9%、13%、15%、17%、19%、21%、25.2%（饱和含水率）七组土样，每组土样4个，其中3个用于三轴试验，1个用于测量土的含水率。

抗剪强度试验使用应变控制式三轴仪，进行不固结不排水剪切试验。试验过程中围压分别为50kPa、100kPa、200kPa，剪切速率0.5mm/min。

剪切前期应力随应变的增加变化较快，试样的应力应变关系在这个阶段近似呈直线关系。剪切后期，应力仍随应变的增加而增加，但应力增长的幅度明显变缓，这一阶段的应力应变仍呈直线关系。含水率相同时，原状粉土及重塑粉土的强度随围压的增加而增加。当含水率较低时，原状粉土的应力应变关系曲线呈现硬变软化型，含水率为9%时的土样呈现45°+φ/2的剪切破坏。随着含水率的增加，粉土的应力应变关系曲线由应变软化型过渡为应变硬化型，高含水率条件下，土样原有结构极易受到破坏，应力随着应变的增大逐渐增大，直至稳定状态。含水率为25.2%时土样呈现鼓肚型破坏。

从以上分析来看，含水率的变化对粉土的破坏形式有着很大的影响。同一含水率下重塑土的最大主应力差和原状土相差不大，且都随着含水率的增加而逐渐降低。随着含水率的增加，强度明显的减小，这表明了含水率对强度的影响剧烈。围压不变的情况下，随着含水率的增加，试样所能承受的压力变小，试样更容易被破坏。含水率不变的情况下，最大主应力差随着围压的增大而增大，基本呈线性变化。整体上重塑土的最大主应力差略大于原状土的最大主应力差

由上述得到的原状、重塑粉土的试验数据，绘制不同含水率下的强度包线，得到不同含水率下的原状、重塑粉土的黏聚力及内摩擦角。

原状粉土及重塑粉土的内摩擦角随着含水率的增加而下降，但整体变化不大，可以认为是一常数。土的内摩擦角主要受到土颗粒本质结构的影响，含水率的增加并未改变其土颗粒大小、土颗粒表面粗糙度等，所以内摩擦角受含水率的影响不大。

由表3可知，当含水率ω<15%时，随着含水率的增加，黏聚力有较大幅度的下降；当含水率ω>15%时，黏聚力仍随着含水率的增加而减小，但减小幅度变缓。黏聚力随含水率减小的关系曲线可以由两个直线段描述，第1段直线的斜率要大于第二段直线的斜率。主要是由于含水率的增加，土颗粒间的孔隙逐渐被水填满，导致土颗粒间的黏聚力减小。土的黏聚力主要来源与土颗粒间的水膜联结和胶结作用，随着含水率的增大，颗粒间的水膜联结力逐渐减小，直至达到土体饱和含水率时完全丧失。

由試验所得黏聚力和内摩擦角，可计算得不同法向应力下的原状土、重塑土的抗剪强度随含水率变化规律。原状、重塑粉土抗剪强度随含水率变化规律一致。在含水率较低时，抗剪强度随着含水率的增加大幅度降低，当含水率较高时，抗剪强度随含水率的增加，减小幅度较小，抗剪强度随含水率变化曲线可由两段直线表示，说明存在一个界限含水率，超过该含水率后，粉土的抗剪强度受含水率影响减小；文献[5]认为原状Q3黄土具有较高的结构性，重塑土的土粒直剪结构松散，原状土的抗剪强度要高于重塑土。本试验的研究结果表明，重塑粉土的抗剪强度均略大于原状粉土的抗剪强度，证明结构性对郑州粉土抗剪强度的影响不大。

三、结论

（1）原状粉土及重塑粉土的内摩擦角随着含水率的增加而下降，但变化不大，可认为是一常数。黏聚力随含水率的增加先是急剧下降，达到临界值之后，下降幅度变缓，，可由两个斜率不同的直线段描述。

（2）当在制作土样时保证含水率作为单一变量，原状粉土的黏聚力与内摩擦角随含水率变化情况与重塑粉土的变化情况基本一致，重塑土的黏聚力和内摩擦角均略大于原状土。

（3）原状、重塑粉土抗剪强度在含水率较低时，随着含水率的增加大幅度降低，当含水率较高时，随含水率的增加，减小幅度较小。存在一个界限含水率，超过该含水率后，粉土的抗剪强度受含水率影响减小。

参考文献：

[1]Bishop A W. The principle of effective stress[J].Teknisk Ukeblad， 1959， 106（39）： 859-863.

[2]Fredlund D G， Rahardjo H. Soil mechanics for unsaturated soil[M]. New York： John Wiley and Sons， 1993.

[3]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）： 2600-2604.

[4]韦锋.姚志华.陈正汉.等. 结构性对非饱和Q3黄土强度和屈服特性的影响[J]. 岩土力学， 2015， 36（9）： 2551-2559.

作者简介：彭秀生；1997年3月12日；男；汉族；江西省萍乡市人；职称：学生；单位：郑州大学；专业：土木工程。