不同含水率高填方黄土抗剪强度试验研究

王弘起 孙杰龙 李大卫 杨红霞 宋 涛

（1. 陕西建工第十三建设有限公司，陕西延安 716000；2. 延安大学 建筑工程学院，陕西延安 716000）

0 引 言

黄土丘陵沟壑区最大的生态环境问题是水土流失，采用工程造地是治理水土流失的一种重要的方法。但因黄土丘陵沟壑区具有特殊的工程环境和地质条件，工程造地一般选用“平山、填沟”等方法。由于挖填方区高差较大，此类工程属于典型的湿陷性黄土地区的高填方工程，且黄土丘陵沟壑区处于半湿润半干旱区的过渡带，夏季高温多雨，在雨水作用下高填方黄土力学特性变异较大，导致高填方边坡稳定性问题突出。

近年来，国内外众多学者在黄土力学特性研究方面取得了丰硕的成果[1-4]。谢永利等[5]采用离心模型试验对黄土公路路堑边坡不同坡型变形与破坏的发展过程、破坏特征及设计相关参数的确定进行了研究。倪万魁等[6]、肖东辉等[7]、董晓宏等[8]、李国玉等[9]、王铁行[10]和宋春霞等[11]对冻融循环作用下黄土微观结构、孔隙率、强度劣化特性等方面进行了研究。雷胜友等[12]、王朝阳[13]和赵淑萍等[14]基于CT实时试验对黄土微结构变化、应力-应变及冻结损伤进行了分析。

在前人研究的基础上[15-19]，本文以延安新区高填方黄土边坡为工程背景，开展不同含水率下高填方黄土力学特性试验研究，探究含水率对高填方黄土力学特性的影响，为黄土沟壑区高填方黄土边坡的安全运行和长期稳定性评价提供科学依据。

1 试验方案

在延安新区B4-06、B4-25 高填方场地取样，该场地北高南低，坡比为1∶1.5，原始地貌为黄土梁峁沟壑区，经大面积平山造地施工后形成现状场地，绝大部分位于填方区，最大填方厚度约60 m，仅局部位于挖方区，最大挖方厚度约30 m。现场取样后按照《土工试验方法标准》（GB T50123-2019）制成含水率分别为2%、4%、6%、10%、12%、15%、20%和25%的试样，在制样过程中控制试样密度为1.667 g/cm3，如图1 所示。

图1 试样

试样制备完成后，采用DSJ-3 型应变控制式直剪仪（见图2）开展剪切试验，剪切速率为0.8 mm/min，法向应力分别为50 kPa、100 kPa、200 kPa 和400 kPa。

图2 DSJ-3 型应变控制式直剪仪

2 试验结果分析

根据试验结果，绘制不同含水率下剪应力与法向应力关系曲线，如图3 所示。对图3 中不同含水率下剪应力与法向应力关系曲线进行线性拟合，得到不同含水率下高填方黄土黏聚力和内摩擦角，见表1。

表1 不同含水率下高填方黄土抗剪强度试验结果

图3 不同含水率法向应力与剪应力关系

2.1 不同含水率下抗剪强度变化规律

不同含水率下高填方黄土抗剪强度变化规律如图4 所示。

图4 不同含水率下高填方黄土抗剪强度

由图4 可知，不同含水率下高填方黄土的抗剪强度呈明显的非线性，当含水率为2%～10%时，抗剪强度随含水率逐渐增大；当含水率为10%～15%时，抗剪强度迅速增大，其曲线斜率较大，说明在此范围内含水率对高填方压实黄土的抗剪强度影响较大；当含水率为15%～25%，抗剪强度开始减小。综上所述，含水率为2%～25%时，高填方压实黄土的抗剪强度随含水率的变化呈现先增大而后减小变化规律。

2.2 含水率对抗剪强度指标的影响

不同含水率下抗剪强度指标变化规律见图5。

据图5（a），含水率在2%～25%时内摩擦角的变化范围为13.98°～39.79°，其随含水率变化增量见表2。

表2 内摩擦角随含水率变化增量

图5 不同含水率下抗剪强度指标

由表2 可知，含水率为2%～6%时，内摩擦角先小幅度减小后增大，这是因为土中含水率较小时，起到了一定的润滑作用，内摩擦角先减小；随着含水率增大土颗粒间的毛细水所引起的表面张力增大，导致作用在土颗粒接触面的作用力增大，从而使内摩擦角增大。含水率为6%～15%时，土颗粒间发生相对滑动时，不仅要克服土颗粒间的摩擦力，还要克服土颗粒间的黏聚力，从而导致土的内摩擦角增大；含水率为15%～25%时，根据有效应力原理，土中的孔隙水压力增大，有效应力减小，导致土颗粒间的作用力减小，内摩擦角随之减小。

由图5（b）可知，含水率在2%～25%时，黏聚力的变化范围为3.86～80.57 kPa，且随含水率增大呈先增大后减小的趋势，其随含水率变化增量见表3。

表3 黏聚力随含水率变化增量

由表3 可知，含水率为2%～15%时，因为土中含水率的增大，土颗粒-水-电系统间的相互作用逐渐增强，从而导致土的黏聚力逐渐增大；当含水率为15%～25%时，因为含水率进一步增大，颗粒间的胶结力逐渐减小，黏聚力随之减小。

综上所述，含水率在2%～25%时，土的内摩擦角和黏聚力会随含水率的增大呈现出先增大后减小的变化趋势；由图5（a）和图5（b）对比可知，黏聚力的增大和减小趋势比内摩擦角更加明显，说明黏聚力对含水率更加敏感。

2.3 不同含水率下剪切位移与剪应力关系

不同含水率下高填方黄土剪切位移与剪应力关系如图6 所示。

由图6 可知，在同一法向应力作用下，试样含水率为12%和15%时，随着剪切位移增大，剪应力会迅速增大到极限值，整个过程剪切位移和剪应力基本呈线性关系；含水率在2%～15%范围内，随着含水率增大，剪切位移与剪应力曲线斜率逐渐增大；法向应力较小时，不同含水率下剪切位移和剪应力关系曲线较“离散”，而随着法向应力的增大，不同含水率下剪切位移与剪应力曲线逐渐聚集，说明法向应力的大小对剪切位移和剪应力关系有一定影响。

图6 不同含水率下剪切位移与剪应力关系

3 结论

（1）含水率在2%～25%时，高填方黄土的抗剪强度随含水率的变化呈先增大而后减小变化规律，并在含水率为15%时达到峰值，因此在高填方黄土边坡支护过程中，合理选择含水率能够有效降低发生滑坡的几率。

（2）含水率在2%～25%时，高填方黄土的内摩擦角和黏聚力会随含水率的增大呈现出先增大后减小的变化趋势，且含水率对黏聚力影响较大。

（3）含水率在2%～15%时，随着含水率增大，剪切位移与剪应力曲线斜率逐渐增大，其中含水率为12%和15%时，剪切位移和剪应力基本呈线性关系；法向应力的大小会影响剪切位移与剪应力关系曲线的“离散”程度。