非饱和弱膨胀土残余强度的试验研究

丁三宝，蒋晓庆

（1.安徽建筑大学 土木工程学院；2.安徽广播电视大学 开放教育学院 安徽 合肥 230601）

1 引言

膨胀土的超固结性、裂隙性和胀缩性经常引起膨胀土工程的失稳，促使很多学者对膨胀土边坡稳定进行相关的研究，认识到边坡的失稳和土体的残余强度有密切关系.Skempton[1]提出，当滑动面形成时，各种类型土的抗剪强度都由残余强度决定.戴福初等[2-3]对香港大屿山残积土做了相关的研究，证实残积土残余强度可以评价边坡的稳定性.闫芙蓉等[4]通过室内直剪反复试验分析了饱和状态下和天然状态下的黄土在不同竖向压力作用下的残余强度特性.包承纲[5]提出膨胀土、黄土、残积土等都具有非饱和土的性质.因此，近年来，国内外众多学者对膨胀土残余强度的研究也越来越多.吴珺华等[6]通过三轴排水剪切试验得到了膨胀土的残余强度，并引入到FLAC3D中的应变硬化/软化本构模型中，采用强度折减法进行了超固结膨胀土边坡失稳的安全稳定分析.许成顺[7]等提出塑性指数对膨胀土残余强度的影响显著.左巍然等[8]验证了膨胀土残余强度与应力历史无关，重塑膨胀土可以确定膨胀土残余强度值.边坡稳定不管从内因还是外因分析，含水率是主要的因素.因此，笔者采用全自动残余强度试验仪，进行反复剪切，研究不同初始含水率在不同竖向应力作用下合肥地区非饱和弱膨胀土残余强度的特性.为合肥地区边坡工程稳定提供一定的理论依据和数据参考.

2 试验设计

本试验采用原状土样，样本选择分布在合肥四个区，包括蜀山区、瑶海区、庐阳区、包河区.利用京探高速100型钻机，埋置深度为2～6米，每个钻孔按照隔1米取一个原状土样的原则，共计取70个土样，每个土样高度为20cm.进行室内含水率测定，含水率分布范围在18～21%.分别选取初始含水率为17.8%，20.5%和22.6%作为研究对象.试验仪器为图1所示，试样规格为61.8mmX20mm，竖向应力分别为 100Kpa，200Kpa，300Kpa，400Kpa，剪切位移为10mm，剪切速率为0.002mm/min.试验需反复剪切四次，每次正向剪切速度为0.02mm/min,完成后需及时后退，后退速率不大于0.6mm/min即可.后退结束之后需要停留半个小时才能进行下次正向剪切.其中以第一次剪切峰值作为为抗剪强度峰值，第四次剪切峰值定义为残余强度.

图1 全自动残余强度试验仪

3 试验结果分析

3.1 剪应力-剪位移关系曲线

通过对试验结果进行分析，得出不同含水率在不同应力作用下非饱和弱膨胀土的剪应力-剪位移关系曲线.以初始含水率为17.8%在不同竖向应力作用下的剪应力-剪位移关系曲线为例，如图2（a）～（d）所示.

通过上述曲线可以看出，第一次剪切位移在2mm附近达到了峰值强度，出现了应变软化现象.随着剪切次数的增加，达到峰值的剪切位移也逐渐增加，范围在7～10mm，因此剪应力-剪位移曲线的软化现象越不明显.第二次剪切曲线下降明显，第三次和第四次的剪应力-剪位移曲线比较接近，可以认为此时弱膨胀土已经达到了残余强度，以第四次曲线中的峰值作为残余强度.在同一含水率下，残余强度明显低于峰值强度；且随着竖向应力的增加残余强度也在增加.在不同含水率下，随着初始含水率的增加，峰值强度和残余强度是逐渐降低的，具体数值可参考表1.

表1 不同初始含水率下弱膨胀土峰值强度与残余强度表

3.2 数值分析

通过对试验数据进行整理，得出不同初始含水率在不同竖向应力作用下弱膨胀土的峰值强度和残余强度，根据莫尔-库伦理论公式，分别求得相应的黏聚力c和摩擦角ø，详见表2和图3.

表2 弱膨胀土抗剪强度参数

图3 不同含水率的峰值强度和残余强度

由表2和图3可以看出，在同一初始含水率下，残余强度低于峰值强度，因为c，ø均呈现降低趋势.初始含水率为22.6%时，c值降低了54.6KPa，降低幅度达到67.4%；初始含水率为20.5%时，ø值降低了10.1°，降低幅度达到43.2%.因此，残余强度低于峰值强度，黏聚力的下降占主导作用.在不同初始含水率下，随着含水率的增加，峰值强度和残余强度呈现降低的趋势，对于残余强度而言，ø值由 14.7°降到 13.1°，降低了 1.6°；c 值由 99KPa 降到26.6KPa，降低了62.4KPa.峰值强度也有相似规律.可以看出，在不同初始含水率下，非饱和弱膨胀土峰值强度和残余强度的降低，主要是因为c的大幅度降低，ø值降低不大；在相同含水率作用下，残余强度低于峰值强度，是因为c和ø均大幅度的降低.廖林昌[9]提出膨胀土强度参数的对数均和含水率呈负线性关系，杨庆[10]认为膨胀土的强度参数c的对数与含水率呈负线性关系，φ与含水率呈线性关系.笔者对峰值强度试验数据进行了拟合，其中c与含水率呈对数关系，ø与含水率呈线性关系，如图 4所示.式（3-1）和式（3-2）可以作为合肥地区非饱和弱膨胀土峰值强度与含水率关系的经验公式.

图4 c,φ与含水率ω关系

残余强度指标参数与含水率关系的拟合结果如表3所示.通过比较分析，残余强度指标参数c与含水率之间关系指数函数拟合效果最好，φ与含水率之间关系对数函数拟合效果最好.因此合肥地区弱膨胀土残余强度指标参数可以式（3-3）和式（3-4）为参考.

表3 弱膨胀土残余强度参数三种拟合函数表

4 小结

（1）通过反复剪切试验得到剪应力-剪位移关系曲线，第一次剪切位移在2mm以内可以得到峰值强度，呈现应变软化现象；第二次剪切曲线下降明显，第三次和第四次剪切曲线比较接近，以第四次剪切峰值作为弱膨胀土的残余强度值.

（2）残余强度随着初始含水率的提高而降低.不同初始含水率下，残余强度的降低主要取决于黏聚力c的降低，φ变化不大.同一初始含水率下，竖向应力越大，强度损失越小，残余强度越大.残余强度明显低于峰值强度，主要是因为黏聚力c和内摩擦角φ大幅度的降低.

（3）利用线性关系，对数关系，指数关系对试验数据进行拟合比较分析，得出残余强度指标c与含水率之间呈指数函数关系，φ与含水率之间呈对数函数关系.并提出经验公式，为合肥地区非饱和弱膨胀土残余强度的计算提供理论指导.

〔1〕 SKEMPTON A W.Residual strength of clays in landslides,folded strata and the laboratory[J].Geo-technique,1986,35(1):3－18.

〔2〕 戴福初,王思敬,李焯芬.香港大屿山残坡积土的残余强度试验研究 [J].工程地质学报,1998(3):223－229.

〔3〕 戴福初,李焯芬,王思敬.松散击实火山岩坡残积土的应力-应变特性及其对滑坡的意义[J].岩土工程学报,1999,21(3):257－262.

〔4〕 闫芙蓉，胡雪源.黄土大剪切位移下的强度特性研究[J].洛阳理工学院学报(自然科学版)，2016,26(3):18-21.

〔5〕 包承纲.非饱和土的性状及膨胀土边坡稳定问题[J].岩土工程学报,2004,26(1):1-15.

〔6〕 吴珺华，杨松.超固结膨胀土抗剪强度特性及边坡稳定研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2016,35(3):70-74.

〔7〕 许业顺，尹占巧，杜修力，等.黏性土的抗剪强度特性试验研究[J].水利学报，2013，44（12）:1433-1438.

〔8〕 左巍然,杨和平,刘平.确定膨胀土残余强度的试验研究[J].长沙交通学院学报，2007，23（1）：23-27.

〔9〕 缪林昌，钟晓晨，殷宗泽．膨胀土的强度与含水量的关系[J]．岩土力学，1999，20(2):71－75.

〔10〕 杨庆，张慧珍，栾茂田．非饱和膨胀土抗剪强度的试验研究[J]．岩石力学与工程学报，2004，23(3):420－425.