干密度和饱和度对花岗岩残积土抗剪强度的影响

陈 铖 吴传云 韩中会

(1.湘潭大学土木工程与力学学院岩土力学与工程安全湖南省重点实验室，湖南湘潭 411105; 2.高铁运行安全保障湖南省工程技术研究中心，湖南株洲 412006)

花岗岩残积土在我国湖南地区广泛分布，该类土具有各向异性、不均匀性、浸水后易崩解软化等工程特性[1-2]。在湖南湿润多雨的气候条件下，花岗岩残积土边坡土体经常遭受脱湿、增湿及干湿交替循环作用，容易出现浅层土体滑移、崩解、水毁等常见地质灾害，严重威胁人民的生命安全[3]。着眼于工程地质灾害的防护及工程建设的需要，研究非饱和花岗岩残积土的抗剪强度特性具有重要的工程意义。

20世纪80年代初期，国内学者把风化花岗岩残积土视为红土的一种并进行相关研究。随着研究的深入，研究者逐渐把风化花岗岩残积土当作一种具有特殊工程性质的土体进行单独研究。在花岗岩残积土的抗剪强度特性及边坡失稳方面，范冲[4]等通过三轴试验与压缩试验，分别对结构性花岗岩残积土的原状土和重塑土进行对比分析，研究花岗岩残积土剪切破坏的表现形式；吴迪[5]等通过环剪试验，总结出花岗岩残积土在不同剪切位移条件下的抗剪强度变化规律，并证明了花岗岩残积土具有浸水崩解软化的特性；赵建军[6]等通过三轴剪切试验与直剪试验，开展了花岗岩残积土强度方面的研究，归纳不同颗粒成分对花岗岩残积土抗剪强度指标的影响，试验结果表明，土体具有剪胀剪缩的特性。许旭堂[7]等在闽东南地区花岗岩残积土物理力学特性研究的基础上，对非饱和土的含水率和干密度与抗剪强度指标进行相关分析，建立了含水率和干密度与抗剪强度指标之间的经验公式。唐炜业[8]等通过对不同含水率和干密度状态下花岗岩残积土的直剪试验，总结了花岗岩残积土抗剪强度参数随含水率和干密度的变化规律。李凯[9]等通过对风化花岗岩边坡浅层滑坡土体的物理力学试验，研究了饱和度对土质边坡抗剪强度的影响。陈东霞等[10]对非饱和残积土进行常规直剪试验，得到残积砂质黏性土总强度指标与含水率公式。邓署冬[11]等采用常规三轴试验并结合非饱和花岗岩残积土的土-水特征曲线(考虑吸力和含水率的影响)，建立了抗剪强度指标与含水量的经验公式。

为探究花岗岩残积土的抗剪强度特性及分析花岗岩残积土边坡失稳的诱导因素，以湘潭市潭市镇某地区花岗岩残积土滑坡土体为研究对象，从定量的角度建立残积土体干密度、饱和度与土体抗剪强度的关系，开展花岗岩残积土基本物理特性和颗粒分析试验，并进行了不同干密度、饱和度和垂直压力下的60组直剪试验，分析干密度和饱和度对花岗岩残积土强度的影响，并建立抗剪强度经验公式。

1 试验土样及其基本物理特性

试验用土取自湘潭市潭市镇某花岗岩滑坡残积土体，通过现场取样及基本物理特性试验，得到花岗岩滑坡残积土体基本物理指标：

天然密度ρ=1.82 g/cm3，孔隙比e0=0.54，干密度ρd=1.58 g/cm3，比重Gs=2.44，液限wL=50.0 %，塑限wP=26.0%，塑性指数IP=22.08，液性指数IL< 0，最大干密度ρdmax=1.84 g/cm3，最佳含水率wopt=15.96%。

使用筛分法和密度计法进行颗粒级配分析，得到颗粒级配曲线(如图1所示)，根据《土工试验规程》SL237—1999中的《土的工程分类》，可确定该土样为非饱和的含砂高液限黏土。

图1 颗粒级配曲线

2 试样制备及试验方案设计

2.1 试样制备

采用静压法制样，求出花岗岩残积土在不同干密度和饱和度下的含水率。烘干土样，配制所需的含水率，在密闭的容器中放置24 h，测定密闭后土样的含水率。当实测含水率与目标含水率相差不超过1%时，满足试验要求，否则需要重新配制。配制好试验含水率后，把试样分层放入击实器中击实。

2.2 试验方案

采用ZJ型四联应变控制式直剪仪，在不同干密度的条件下，控制饱和度及正应力，对风化花岗岩残积土重塑土样进行直剪试验，得到不同干密度、饱和度及正应力条件下花岗岩残积土的抗剪强度，试验方案如表1所示。

试验中，干密度控制为1.58 g/cm3、1.71 g/cm3、1.84 g/cm3，并分别对应5种不同饱和度试样(30%、50%、70%、90%、100%)。试验中，分别对花岗岩残积土施加50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa的正应力，控制剪切速率为0.8 mm/min。每组试样应进行两次平行试验，取平行试验的平均值做为试验最终结果。

表1 60组不同干密度、饱和度及正应力条件下的试验方案

3 试验结果分析

3.1 干密度对抗剪强度参数的影响

不同饱和度的条件下，风化花岗岩残积土黏聚力和内摩擦角随干密度的变化关系如图2、图3所示。

图2 黏聚力与干密度关系曲线

图3 内摩擦角与干密度关系曲线

其变化曲线拟合关系式分别为

C(ρd)=A+Bρd，φ(ρd)=A+Bρd

其中，A，B为参数，ρd为干密度。当饱和度一定时，黏聚力随着干密度的增大呈线性正相关变化；当干密度不断增大，土体越密实，土颗粒之间的咬合作用越强，黏结力不断增加，土体整体性越好，土体黏聚力越大。不同饱和度下，内摩擦角与干密度呈线性正相关变化，当饱和度较小的情况下，内摩擦角随干密度的增大呈现出先增大后减小的趋势，干密度对内摩擦角的影响较小，主要通过影响黏聚力来影响土体抗剪强度的变化。

3.2 饱和度对抗剪强度参数黏聚力的影响

风化花岗岩残积土在不同干密度条件下，黏聚力随饱和度的关系曲线如图4所示。

图4 黏聚力与饱和度关系曲线

在干密度相同的条件下，黏聚力随着饱和度的增大呈曲线变化，且具有明显的峰值效应。在低饱和度的条件下，黏聚力与饱和度呈正相关。随着干密度的增大，风化花岗岩残积土的黏聚力峰值强度不断增大，且不同干密度条件下，黏聚力达到峰值强度的饱和度不断增大。不同干密度的条件下，黏聚力取得峰值强度下的含水率接近最优含水率。对不同干密度下，风化花岗岩残积土黏聚力随饱和度的变化关系进行线性拟合，其拟合关系曲线公式为

(1)

其中A，B，C，D为待定系数，饱和度拟合参数如表2所示，拟合精度均在0.9以上。

表2 内摩擦角与饱和度的关系曲线拟合参数

在饱和度较低的情况下，随着土颗粒毛细水表面张力的增大，黏聚力不断增加，当饱和度达到最优时，土颗粒之间的毛细水基本消失，形成强结合水膜，导致基质吸力不断减小，黏聚力降低；当干密度增大时，土颗粒之间的黏结更紧密，黏聚力不断增加。

3.3 饱和度对抗剪强度参数内摩擦角的影响

不同干密度条件下，风化花岗岩残积土内摩擦角随饱和度的关系曲线如图5所示。

图5 内摩擦角与饱和度关系曲线

表3 黏聚力与饱和度的关系曲线拟合参数

3.4 分别考虑干密度、饱和度的抗剪强度公式建立

为了研究干密度、饱和度对风化花岗岩残积土抗剪强度指标的具体影响，根据上述试验结果，结合饱和土抗剪强度公式[12-15]，分别建立风化花岗岩残积土含有干密度、饱和度的总应力抗剪强度经验公式。

在低干密度条件下，考虑饱和度的抗剪强度公式

τf=c(sr)+σtanφ(sr)

(2)

式中：

(3)

(4)

在最大干密度条件下，考虑饱和度的抗剪强度公式

τf=c(sr)+σtanφ(sr)

(5)

式中：

(6)

(7)

在不同的干密度条件下，饱和度对抗剪强度的影响不同，建立不同密度下的抗剪强度公式能更好地满足工程精度的要求。

考虑干密度的抗剪强度公式为

τf=c(ρd)+σtanφ(ρd)

(8)

式中：

C(ρd)=A+Bρd，φ(ρd)=A+Bρd

(9)

4 不同正应力条件下抗剪强度随饱和度的变化规律

不同正应力条件下，风化花岗岩残积土抗剪强度随饱和度的变化关系如图6所示。

图6 抗剪强度与饱和度关系曲线

当饱和度一定的情况下，抗剪强度随正应力增加而增大，当正应力一定时，抗剪强度随饱和度增大呈曲线变化，并具有明显的峰值点；当抗剪强度达到最大值时，随着饱和度的增加，抗剪强度不断减小，最大的抗剪强度值接近400 kPa，且不同正应力下抗剪强度达到峰值强度时对应的饱和度近似为80%。此饱和度值可以作为风化花岗岩残积土抗剪强度的最优饱和度参考值。

5 结论

(1)风化花岗岩残积土的黏聚力、内摩擦角与干密度均呈线性正相关。干密度越大，土体越密实，机械咬合作用越强，黏聚力越大；干密度越大，土颗粒滑动需要克服的摩擦力越大，内摩擦角也越大.干密度对黏聚力的线性影响较干密度对内摩擦角的影响更大。

(2)风化花岗岩残积土的黏聚力随饱和度的变化近似呈二次曲线变化，且具有明显的峰值效应。不同的干密度条件下，黏聚力随饱和度的变化先增大后减小；当饱和度较小时，花岗岩残积土的黏结性差；随着饱和度的增加，黏结性增大；当达到最优饱和度时，花岗岩残积土的黏聚力开始减小。在不同的饱和度下，黏聚力随着干密度的增加而增大。可建立黏聚力、内摩擦角与饱和度之间的关系式并进行线性拟合。

(3)分别建立了考虑干密度、饱和度的风化花岗岩残积土抗剪强度经验公式，可为工程建设提供参考。

(4) 在不同正应力下，风化花岗岩残积土抗剪强度随饱和度变化呈现先增大后减小的趋势。给出了抗剪强度最大时的最优饱和度，此经验值可为风化花岗岩残积土滑坡防治提供参考。