非饱和重塑粉质黏土抗剪强度变化规律研究

任增成REN Zeng-cheng；倪振强NI Zhen-qiang

（①山东三山公路工程监理咨询有限公司，聊城 252000；②聊城大学建筑工程学院，聊城 252000）

0 引言

非饱和土的基质吸力、水力特性、抗剪强度与含水量（饱和度）变化密切相关。随着含水量增加，会造成非饱和地基沉降、湿陷，土体渗透性增大，抗剪强度降低而引发坡体滑塌等地质灾害。因此，研究不同含水量下非饱和土的抗剪强度对工程建设具有重要意义。

以往学者通过结合实际工程从土壤学引入基质吸力的概念，通过建立非饱和土滞回循环计算模型与实测数据进行拟合，推导了以连续函数表达的水土特征曲线（SWCC）[1]。Bishop 等[2]提出孔隙气压力减孔隙水压力s=uauw基质吸力的概念；Fredlund 等[3]提出了基于双应力变量的扩展摩尔-库伦准则非饱和土抗剪强度公式；Lu Ning等[4]提出吸应力σs的概念以代替有效应力参数χ、假想内摩擦角φb这些参数，提高了公式的工程应用性。

本文以工程特性较差的鲁西平原粉质黏土为研究对象，分析抗剪强度参数随基质吸力变化的规律与原理，研究基质吸力与抗剪强度之间的关系，既从理论上明确土粒间相互作用力的物理意义，也从应用上确定其适用性。因为工程中遇到的土力学问题大多是非饱和土问题，例如非饱和土自然斜坡及公路、铁路建设形成的人工土质边坡的稳定性分析，路基和大坝的沉降变形分析，基坑开挖过程中的土压力变化，特殊土的湿胀干缩性能等。因此，研究非饱和重塑粉质黏土的抗剪强度变化规律具有重要的理论与应用价值，既可以作为理论研究的补充，也可以作为工程应用的指导。

1 试验方案及过程

1.1 试验用土的物理特性及试样制备

试验用土取自聊城大学在建综合试验教学楼基坑深4.5~5.0m 处，土体呈褐黄色，土粒以粉粒为主，含有深褐色高岭土黏粒；土体光泽性一般，层理性较差，摇震反应不明显。基本物理性质指标见表1。

表1 试验用土物理性质指标

1.2 研究方法

土水特征曲线-SWCC 采用滤纸法测定，采用采用双圈牌NO.203 型慢速滤纸和温度为20°C 的MgCl2溶液，用压实试样干密度ρd=1.60g/cm3的方法测定[5]。

直剪试验试样同样以ρd=1.60g/cm3的干密度控制，土样直径61.8mm，高度20mm。分别进行固结快剪和不固结快剪试验，剪切速率均为0.8mm/min，正应力采用50kPa，100kPa，150kPa，200kPa。为保证接近真实工况，根据伏斯列夫真抗剪强度理论，固结快剪时取固结压力为200kPa。试样的初始含水量分别为0%，3.5%，5.4%，7.6%，9.7%，10.6%，11.7%，13.3%，16.8%，18.6%，20.9%，22.8%，26.1%。

2 试验结果及分析

2.1 基质吸力-土水特征曲线（SWCC）

测得SWCC 后，为验证其正确性利用RETC 软件的VG 模型对实测数据进行拟合验证：

式中：θ 为体积含水量，θr为残余体积含水量，θs为饱和体积含水量，h 为土壤负压水头，α、n、m 为经验拟合参数，其中m=1-1/n。先用Matlab 中的fminsearch 函数对参数求解，将得到的参数再代入RETC 软件进行数据拟合，求得经验参数为：α=0.1986，n=1.2354，均方差为9.44e-04。将体积含水量转换为饱和度，将负压水头转换为基质吸力，如图1 所示，拟合数据和实测数据契合性较好，拟合度R2=0.9884。因此，可以按实测值进行分析，进气值为5kPa，对应饱和度为92%；残余值为157.4kPa，对应饱和度为49%。

图1 土水特征曲线

由图1 可以看出，饱和度与基质吸力的关系根据水、气在土中的存在状态，可将其分为四个区段：边界效应区、过渡区（包括主要和次要过渡区）和残余区。根据SWCC，划分0~5kPa 为边界效应区，饱和度大于92%，此时土体基本处于饱和状态，土体结构为气封闭，5kPa 为进气值；5~10000kPa 为过渡区，根据塑限和缩限的饱和度，又可细分为主要过渡区0~157.4kPa、饱和度为92%~49%，次要过渡区157.4~10000kPa、饱和度为49%~22%，此时土体结构为双开敞，基质吸力升高幅度大；10000kPa 以上为残余区，饱和度小于22%，此时土体结构为水封闭，基质吸力进一步增大。

2.2 直剪试验结果

每组抗剪强度参数确定由4 个试样的结果作出，库伦公式直线拟合度在0.99 以上。将含水量换算为基质吸力，直剪试验得到的抗剪强度参数与基质吸力的关系见图2、图3。

图2 内摩擦角与基质吸力的关系

由图2 可以看出：固结快剪与不固结快剪内摩擦角都随着基质吸力的增大而增大，在基质吸力较小时变化幅度不大，在基质吸力较大时，内摩擦角增长速度变快。同等基质吸力下，固结快剪内摩擦角大于不固结快剪的。

由图3 可以看出：固结快剪与不固结快剪黏聚力均先随着基质吸力的增大而增大，达到峰值后随着基质吸力的增大而减小。峰值强度出现在塑限对应的基质吸力附近，固结快剪出现在基质吸力140kPa 左右，不固结快剪出现在基质吸力1400kPa 左右，固结快剪峰值大于不固结快剪。除去基质吸力在310~4100kPa 区间，同等基质吸力下，固结快剪黏聚力亦基本略大于不固结快剪的。

图3 黏聚力与基质吸力的关系

3 抗剪强度与基质吸力的关系

将非饱和土直剪试验的结果利用库仑公式求其抗剪强度，结合土水特征曲线的四个区段，得到抗剪强度与基质吸力之间的关系，见图4，图中R 代表固结快剪，Q 代表不固结快剪。从图中可以看出，抗剪强度与基质吸力的关系具有阶段性，阶段划分可用SWCC 的分界线进行区分，各个阶段的分界点与SWCC 的分界点具有较好的对应关系。

图4 抗剪强度与基质吸力的关系

第一区段-边界效应区-气封闭状态。此时土体基本处于饱和状态，内摩擦角随基质吸力变化较小，黏聚力随基质吸力增大而增大，总体抗剪强度随基质吸力地增大而略有增长。

第二区段-主要过渡区-双开敞状态。此时土体含水量减小，水气两相形成的弯液面连接在一起。内摩擦角和黏聚力均增大，抗剪强度增长较快。

第三区段-次要过渡区-双开敞状态。此区段内摩擦角继续增大，而黏聚力因为重塑土结构不稳定的原因反而有所下降。固结剪切因为土体结构有部分的恢复，抗剪强度降低幅度较小，非固结剪切因为土体结构破坏，抗剪强度降低幅度较大；固结剪切时出现峰值强度比不固结剪切时基质吸力小，是因为固结剪切时黏聚力出现峰值强度的饱和度比不固结时要大；低法向应力时抗剪强度下降明显，高法向应力时抗剪强度下降不明显，是因为法向应力越高，库仑公式中的σtanφ 影响越大，c 值影响越小造成的。

第四区段-残余区-水封闭状态。此时含水量极少，主要黏附在土粒接触点周围，不能形成连续的弯液面，因而无法传递表面张力。土体的内摩擦角随着饱和度减小而继续增大，黏聚力因为重塑土结构性不强而继续降低。而φ的进一步增大，使σtanφ 的增长速率大于c 的减小速率，使得抗剪强度整体仍然增大。

通过分析可知，基质吸力在测量范围内可达100MPa，但基质吸力过大时（超过1MPa），微观范畴的“基质势”不能直接反映在土的宏观抗剪强度上。

4 结论

非饱和土抗剪机理因各种作用力的存在而复杂化，近年来这方面的研究比较活跃，但对一些基本问题的认识并不一致。本文通过滤纸法测定SWCC，分析基质吸力与抗剪强度的变化规律，得到以下结论：

①非饱和重塑土的表观内摩擦角φ 随基质吸力的增大而增大，表观黏聚力C 随基质吸力的增大先增大而后减小，存在峰值现象。宏观粒间应力-可变结构吸力是影响内摩擦角的主要因素，吸应力是影响黏聚力的主要因素。

②抗剪强度按基质吸力可以分为四个阶段，总体上抗剪强度随基质吸力的增大而增大，但在次要过度段出现抗剪强度随基质吸力的增大而减小的现象。重塑土的胶结和结构性已经被破坏，难以形成较好的宏观可变结构吸力，是造成这种现象的主要原因。

③利用固结直剪和不固结直剪两种方式得到的抗剪强度指标，既能相互验证，保证问题解答的正确性，也发现了非饱和重塑粉质黏土在固结条件下，结构有所恢复和不固结条件下结构未恢复之间的差异。