含水率对黄岛地区花岗岩残积土抗剪强度的影响

2019-07-16徐晓杨帅高盟

山东科技大学学报(自然科学版) 2019年4期

徐晓杨帅高盟

(1.山东科技大学土木工程与建筑学院，山东青岛 266590； 2.山东科技大学山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东青岛 266590)

抗剪强度是土体力学性质的重要指标之一[1]，已有文献[2-3]表明含水率变化对土体抗剪强度影响显著。非饱和土中含水率与粘聚力近似呈二次曲线关系，与内摩擦角近似呈线性关系[4]，非饱和土抗剪强度均高于饱和土抗剪强度[5]。土体性质不同，其强度特征存在细微区别：膨胀土随含水率增加，土体抗剪强度下降[6]，粘聚力受含水率影响较内摩擦角大得多[7]；粉砂土的抗剪强度随含水率增加而降低，含水率对抗剪强度的影响主要是降低了土体粘聚力，对内摩擦角影响较小[8]；红黏土的抗剪强度和含水率构成的曲线呈“单峰型”，以液塑限含水率为分段点[9]，粘聚力呈先增强后减弱趋势，但内摩擦角的差异并不显著[10]。不同地区土样也有各自独特性质，林鸿州等[11]以北京粉质黏土为研究对象，得出在含水率较低时其粘聚力随含水率增加而增加，当含水率增加至一定值后，粘聚力随含水率增加而逐渐减小，内摩擦角则随含水率增加而逐渐降低；梁斌等[12]通过不同含水率的重塑红黏土直剪试验研究也得出了类似结论；刘寒冰等[13]以京哈高速公路四平—长春段沿线的黏质土为例，综合考虑冻融循环和含水率对压实黏质土力学性质的影响。张茂花等[14]对原状Q3黄土进行增湿情况下三轴剪切试验，发现粘聚力随初始含水量增大而迅速降低，而内摩擦角受初始含水量变化影响较小。

土体性质及施工环境因素的影响是岩土工程设计和施工的重要依据。已有文献对一般黏性土[8]或砂土[9]含水率对土体抗剪强度的影响进行了研究，并取得一些有意义的结论，而花岗岩残积土因其特殊性及崩解特性被视为特殊土[15]，其抗剪强度随含水率的变化对工程影响重大，但对于黄岛地区花岗岩残积土的抗剪强度特性却少有人研究。陈晓平等[16]对广东地区花岗岩残积土在不同初始含水率条件下进行直剪试验，发现内摩擦角随含水率增加而减小，粘聚力随含水率增大而减小；而邓署冬等[17]对衡阳地区不同含水率花岗岩残积土进行三轴剪切试验，得到的试验结果与文献[16]存在较大差异：随含水率增加，粘聚力显著增加，内摩擦角线性减小。可见，关于含水率对花岗岩残积土抗剪强度的影响未达成共识。

黄岛地区众多挡土墙填筑工程填料均选用黄岛花岗岩残积土，其颗粒级配曲线表现为级配良好的粗粒土(黏粒含量只占1.04%)，但其碾压工程中又表现出粘性，说明其重塑过程对土体产生了较大影响。因此，本研究针对黄岛地区的花岗岩残积土开展常规三轴试验，分析不同含水率下抗剪强度指标粘聚力c和内摩擦角φ的变化规律，为黄岛地区路基、挡土墙等填土工程设计提供理论依据。

1 三轴试验

1.1 试验材料

试验所用土样为青岛市黄岛区某挡土墙后填土，通过环刀试验得其容重ρ为1.75 g/cm3，查阅已有地质资料：全区0至23 m的土体总孔隙度44.3%～54%，毛细孔隙度25.9%～38.6%。又通过筛分试验测其粒径分布，其中2～5 mm粒径所占整体百分比最大，为41.48%，并得到其颗粒级配曲线如图1所示。

图1 黄岛土样颗粒级配曲线

由级配曲线可得d60=5，d30=3，d10=1，不均匀系数Cu由式(1)确定，曲率系数Cc由式(2)确定。

(1)

(2)

式中，d60、d30和d10分别称为限制粒径、中值粒径和有效粒径，分别相当于小于某粒径土中累计含量为60%、30%及10%对应的粒径。由此可知，黄岛地区花岗岩残积土不均匀系数Cu≥5.0，曲率系数Cc=1～3，级配良好，但细粒(小于0.075 mm)含量仅为1.04%。

1.2 试样制备

取大量原状土样置于105 ℃ 烘箱中烘干后进行试样配备：按计算称取定量水与土样；利用喷雾器向土样中洒水并充分搅拌均匀，并在试验过程中重新称重计算其含水率ω。含水率计算过程为：称量铝盒质量m0，然后放入约40～50 g待测土样，称量其重量记为m1，放入105 ℃ 烘箱中干燥12 h，再次称重记为m2。通过式(3)得试样含水率。

(3)

图2 制备完成的土样

因试验过程较短，不对土样进行养护。根据三轴试验规范，使用孔径3.91 cm标准击实器进行试样制备，同一含水率条件制备3个试样(编号为1、2、3)，共18个试样。试验过程中每一试样分三层击实，且击实次数完全相同，击实后用刀削平端面，保证除含水率外温度、土体基本性质等条件大致相同，制备完成的试样如图2所示。根据现行的中华人民共和国国家标准GB/T 50123—1999《土工试验方法标准》、中华人民共和国国家标准GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》及现行的中华人民共和国行业标准JGJ 79—2012《建筑地基小处理技术规范》现场施工含水率控制误差为±2%的规定，相邻2个试样含水率的差值小于2%。

1.3 试验过程

按照《土工试验规程》的要求，利用TCK-1室内三轴试验控制仪对试样进行不固结不排水试验。经过成样、安装压力室、压力室内注水等基本操作步骤后，向压力室施加100 kPa的初始围压，开始试验。待出现峰值后，结束此次试验。试验发现，每个试样的应力应变曲线符合土样破坏的基本变化趋势。重复上述步骤，施加围压分别改为200和300 kPa。此时，同一含水率条件下，利用3次试验数据进行莫尔圆的绘制与处理。

2 试验结果及分析

2.1 含水率对试样破坏形态的影响

观察所有试样破坏形态，发现含水率较低时试样出现劈裂破坏，如图3所示。随含水率增大，体积变形愈加明显，破坏形态变为鼓状破坏(图4)。说明试样随含水率增大，强度降低，塑性变形增加。即随含水率的增大，试样的破坏形态由劈裂破坏逐渐演变为塑性的鼓状破坏。

2.2 应力应变特征分析

含水率的大小可以影响土中水的分布和结合状态，而结合水连接是土体粘聚力的主要来源之一，所以含水率对土体抗剪强度具有重要影响。在三轴压缩试验中通过传力杆对试件施加竖向压力，水平主应力保持不变，竖向主应力逐渐增大至试件受剪破坏，得到每个试样的最大抗剪强度，直接反映含水率变化对土体强度的影响。相同围压、不同含水率条件下剪切应力强度峰值见表1。

图3 ω=7.9%时试样的破坏形态 Fig.3 Failure state of the sample when ω =7.9%

图4 ω=17.6%时试样的破坏形态

表1 不同含水率时土样的剪切应力强度峰值

由表1可知，相同含水率条件下，施加围压100、200和300 kPa时，最大主应力随围压增大而增大；相同围压下，剪切峰值即抗剪强度随含水率增大先增大后减小。含水率较小时，试样的抗剪强度随含水率的增加而增大，但增长幅度不大，在含水率为8%时，试样抗剪强度达最大值；而后，试样抗剪强度随含水率的增大而迅速减小；直到含水率达15%时，抗剪强度随含水率的减小趋势变缓而趋于稳定。这与黄琨等[8]得出的一般工程常见黏性土土体(重塑土)的抗剪强度随含水率的增大而单调增大不同，这是因为文献[8]研究的是粒径小于0.075 mm的黏粒含量为97.49%的黏性土，而本研究所用黄岛地区黄岗岩残积土试样中粒径小于0.075 mm的黏粒含量仅为1.04%。两类土体的组成和其抗剪强度随含水率的变化规律有明显差异，其他不同类型工程常见土体的研究结果不能用于指导黄岛地区填土工程设计和施工。

对于黏性土，随着含水率的增加，提供粘聚力的黏粒部分的黏性增大，从而使黏性土的抗剪强度增大。而研究的黄岛土，黏粒含量较少，一开始，随着含水率的增大，黏粒部分的黏性开始发挥而使土体抗剪强度增加。当黏粒部分的黏性全部发挥后，土体的内聚力不再增加，反而由于含水率的增大，水膜的润滑作用使粗颗粒之间的咬合力减小使抗剪强度大幅降低。随着含水率的进一步增大，颗粒间距增大，水膜润滑对抗剪强度的减小作用降低，含水率增加使抗剪强度减小的趋势变缓而趋于稳定。因此，对于黄岛土，含水率存在一最优值(试验结果为8%)，在此含水率下抗剪强度达最大值。此外，含水率8%～15%时抗剪强度下降速度较快，工程施工时应引起重视。

2.3 库伦-莫尔包线及c、φ值

为进一步分析含水率对土体抗剪强度(τ)的影响，根据试验数据，绘制含水率分别为6.1%、7.9%、12.5%、15.0%、17.6%和18.0%时的莫尔-库伦强度包线，如图5所示。并通过强度包线得到不同含水率条件下土样的积聚力c、内磨擦角φ值，见表2。

图5 不同含水率条件下莫尔强度曲线及c、φ值

表2 不同含水率土样的抗剪强度指标

Tab.2 Shear strength index of soil sample under different moisture contents

序号含水率ω/%粘聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)R216.150.5835.811.00027.967.8434.541.000312.589.5827.340.950415.028.189.680.967517.625.007.000.920618.017.803.000.750

由图5和表2可以看出，随着含水率的增加，黄岛土的抗剪强度指标c(黏聚力，摩尔强度包线截距)先增大后减小；指标φ(内摩擦角，摩尔强度包线斜率)减小。

为更好地分析黄岛土的抗剪强度指标随含水率的变化，分别绘制黄岛土的抗剪强度指标随含水率的变化曲线如图6和图7所示。

图6 黏聚力c随含水率的变化

图7 内摩擦角φ随含水率的变化Fig.7 Variation of φ with different water contents

由图6可以看出，粘聚力c随含水率的变化趋势与抗剪强度峰值变化趋势相似，开始时，粘聚力c随着含水率的增大而增大，直到含水率12.5% 时，粘聚力达最大值；而后随含水率的增大而减小。究其原因可得出与抗剪强度变化相同的解释。不同的是峰值含水率，抗剪强度峰值含水率为8%，而图6黏聚力峰值含水率为12.5%，原因是试样的抗剪强度是由粘聚力和内摩擦角反映的颗粒之间的咬合力的叠加。而由图7可知，试样内摩擦角随含水率的增大而单调减小，两者叠加之后表现为抗剪强度的变化规律。对比抗剪强度、粘聚力c和内摩擦角φ随含水率的变化，可以发现内摩擦角变化与抗剪强度更加接近，这是因为黄岛土以粒径大于0.075 mm的粗颗粒为主导，颗粒之间的咬合力在抗剪强度中占绝大部分。所以抗剪强度随含水率的变化曲线与反映颗粒之间咬合力的内摩擦角随含水率的变化曲线更接近。

3 与其他常见工程土体的比较分析

黄琨等[8]研究了含水率对黏性土抗剪强度指标的影响并对重塑土的试验方案进行了描述。为进一步说明黄岛花岗岩残积土抗剪强度指标随含水率的变化特性及验证本研究试验方案的正确性，将文献[8]中重塑土的粘聚力和内摩擦角随含水率的变化与本研究的试验结果分别绘于图8～9。

图8 本文黏聚力c随含水率的变化与文献[8]的试验结果对比

图9 本文内摩擦角φ随含水率的变化与文献[8]的试验结果对比

对比发现，本试验结果与文献[8]有较为相似的趋势，且在图8中都出现出重塑土含水率试验的明显特征，即峰值点的出现。两条曲线虽然都有峰值含水率，但由图8可知，变化趋势不尽相同。对比说明，黄岛花岗岩残积土的抗剪强度及抗剪强度指标随含水率的变化不同于一般黏性土，具有其独特的特征。原因是本试样为粗颗粒占主导的花岗岩残积土，黏粒含量少(仅为1.04%)，随含水率的增大，粘聚力的发挥很快完毕。而文献[8]试样由于黏粒占主导，随含水率的增大，粘聚力的发挥要持久。图9也说明随含水率的增大，黄岛土的内摩擦角的变化与文献[8]黏性土的内摩擦角变化不同。文献[8]由于黏粒含量多，含水率的增大使黏粒之间相互错动，这种位置的调整增加颗粒之间的摩擦，表现为内摩擦角的增大。随着含水率的进一步增加，颗粒间距进一步增大，颗粒间的接触减少，摩阻力减小，表现为内摩擦角减小。而黄岛土以粗颗粒为主，颗粒间距远大于黏粒间距，随含水率的增大，一开始就表现为颗粒间距离的增大，接触减少，内摩擦角减小。因此，黄岛土用于填筑工程时，含水率是一个重要指标，本研究的结论对黄岛地区的填筑工程有重要参考价值。