不同固结时间崩岗土体抗剪强度的差异

徐广泽，李松阳，钟小燕，张 越，蒋芳市，葛宏力，林金石，黄炎和

（1.广州地铁设计研究院股份有限公司 福州分公司，福建 福州 350001；2.福建农林大学，福建 福州 350002）

崩岗是我国南方红壤丘陵区特有的复合侵蚀地貌类型，崩壁失稳崩塌是崩岗的主要侵蚀过程［1］，崩壁失稳崩塌与土体抗剪强度下降有关［2－3］，而土壤含水率及其固结条件是影响土体抗剪强度的主要因素［4］。因此，近年来许多学者对崩岗土体抗剪强度指标与土壤含水率、固结度的关系进行了研究［5－14］。由于崩岗各层土壤因孔隙和水分运动情况不同而固结条件不同，因此抗剪强度研究结果存在差异。为了给崩岗崩塌侵蚀过程研究提供基础数据和理论参考，笔者对典型崩岗各土层土壤进行不同时间预压固结，分析了固结时间与崩岗土体抗剪强度、黏聚力、内摩擦角的关系。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于福建省安溪县龙门镇。据2005年调查统计，安溪县崩岗数量达1.28万个，占福建省崩岗总数量的49.28%；龙门镇是安溪县崩岗高度发育的区域，崩岗数量为1 228个，占安溪县崩岗总数量的9.57%。研究区年均气温为18℃，年均降雨量1 800 mm。

1.2 土样采集

研究区崩岗土壤主要由花岗岩经长期风化而成，在南方红壤区花岗岩崩岗中具有较好的代表性。因此，在研究区内选择3处典型崩岗崩壁采集红土层、砂土层、碎屑层土壤，每处采集土壤15～20 kg，带回实验室备用。

1.3 试验设计

（1）试件制备。将土样风干后过2 mm筛，测定土壤含水率，然后按照质量含水率（ω）分别为20%、24%、28%、32%喷洒水分进行土样配置，将土样装入自封袋中放置24 h后用于试件制作。制作试件的环刀直径为61.8 mm，高为20 mm，采用击实法制备试件，在预压仪上分别固结0.25、1、4、8、24、48 h，把制成的试件用自封袋密封保存以避免含水率发生变化。

（2）直剪试验［15－16］。采用固结快剪测定崩岗土壤的抗剪强度，四联直剪仪型号为LH－DDS－4（南京泰克奥科技有限公司制造），在垂直压强为50、100、200、300 kPa条件下进行试验，剪切速率为0.8 mm／min，保证试件在5 min内被剪损，每种试件重复试验3次。试验结束后再次测定每个试件的含水率，其值与预设值的差异应在1%以内。

1.4 抗剪强度计算与统计分析

根据试验结果计算抗剪强度：

式中：τf为抗剪强度，kPa；σ为法向应力，kPa；φ为内摩擦角，°；c为黏聚力，kPa。

采用Excel2019进行数据处理，运用SPSS21.0等软件进行统计分析。

2 结果与讨论

2.1 固结时间对崩岗土体抗剪强度的影响

（1）固结时间对崩岗红土层土体抗剪强度的影响。如图1所示：当土壤含水率为20%时，抗剪强度相对较大但随固结时间的延长呈减小趋势，导致此现象的原因可能是崩岗红土层土壤类型为高液限黏土，此类土壤在含水率较低时土壤状态较为坚硬［16］，土壤颗粒微观结构在固结过程中遭到破坏、黏结力减小［17］，进而使土体抗剪强度减小；当土壤含水率为24%时，土体抗剪强度受固结时间的影响较小，这可能与本研究所选土样为重塑土有关，在土壤扰动过程结束后土体结构达到新的平衡状态，土体抗剪强度变化较小；当土壤含水率为28%时，在垂直压强为200 kPa和300 kPa情况下，土体抗剪强度随固结时间的延长呈逐渐减小的趋势；当土壤含水率为32%时，土体抗剪强度随固结时间的延长也呈逐渐减小趋势，在土壤含水率大于自然含水率情况下抗剪强度指标的主要影响因素是基质吸力［9］，而崩岗红土层土壤颗粒以黏粒为主，在土壤含水率较大的情况下，随着固结时间的延长，土壤颗粒吸水膨胀，土壤孔隙水压力受土壤孔隙比减小影响而逐渐降低，进而造成崩岗红土层土壤基质吸力减小，土体抗剪强度随之减小。

图1 不同水分条件下红土层土体抗剪强度与固结时间的关系

（2）固结时间对崩岗砂土层土体抗剪强度的影响。如图2所示：不同含水率条件下土体抗剪强度随固结时间的变化趋势有所不同，当土壤含水率为20%、24%和28%时，随着固结时间延长，垂直压强为50 kPa和300 kPa的土体抗剪强度变化趋势并不明显，垂直压强为100 kPa和200 kPa的土体抗剪强度随固结时间变化较大；当含水率为32%时，土体抗剪强度在垂直压强为50、200、300 kPa条件下呈逐渐增大的趋势，但变化率较小，在垂直压强为100 kPa条件下土体抗剪强度则呈逐渐减小趋势。在垂直压强为50 kPa和300 kPa条件下，随着固结时间的延长，崩岗砂土层土体抗剪强度变化范围较小，与陈秀云等［18］的研究结果一致，原因可能是崩岗砂土层在50 kPa垂直压强作用下未产生有效应力，而在垂直压强达到300 kPa时土体因所受有效应力大于土壤最大有效应力而完全固结，因此在这两种情况下抗剪强度随固结时间的变化较小；在垂直压强为100 kPa和200 kPa条件下，土体固结过程影响因素较为复杂，土体抗剪强度随固结时间变化较大。

图2 不同水分条件下砂土层土体抗剪强度与固结时间的关系

（3）固结时间对崩岗碎屑层土体抗剪强度的影响。如图3所示：在含水率分别为20%、24%、28%、32%情况下，随着固结时间的延长土体抗剪强度均无明显变化，这与刘天韵［19］的研究结果有所不同，这可能与土壤粒径分布和孔隙结构不同有关。崩岗碎屑层粗颗粒含量较高，比表面积较小，土壤胶结能力较差［20］，且崩岗碎屑层所含大量石英、长石和云母的颗粒表面能较小［21］，与红土层和砂土层相比，不易产生孔隙水压力，因此土体抗剪强度随固结时间的变化 较小。

图3 不同水分条件下碎屑层土体抗剪强度与固结时间的关系

2.2 固结时间对崩岗土体黏聚力的影响

由表1可知：崩岗红土层土体黏聚力在土壤含水率为20%时随固结时间延长呈减小趋势，在土壤含水率为24%、28%和32%时均呈增大趋势。土体结构和土壤颗粒是影响土体黏聚力的重要因素［22］，随着固结时间的延长，在垂直压强和土壤水分的共同作用下，崩岗红土层中的黏粒排列更加紧密，土壤颗粒间相互作用力增大，进而增大了土体黏聚力。崩岗红土层土体黏聚力随固结时间的变化是非线性的，与徐宏等［23］的研究结果相似。

表1 不同固结时间的崩岗红土层土体黏聚力

由表2可知，随着固结时间的延长，崩岗砂土层土体黏聚力存在较大范围的波动，与张勇［7］的研究结果一致，其原因可能是崩岗砂土层毛管孔隙较多，弱结合水膜的润滑作用降低了土壤结构稳定性［24］，土体中水分的流动具有随机性且土壤细颗粒随之发生无规律运移，导致土体黏聚力降低。

表2 不同固结时间的崩岗砂土层土体黏聚力

崩岗碎屑层土体黏聚力随固结时间的变化情况（见表 3）与砂土层的相似，随着固结时间的延长在一定范围内波动，但黏聚力整体上比砂土层的小，其可能原因是崩岗碎屑层黏粒和游离氧化铁含量较低，土体结构更为疏松，因此土体黏聚力较小［25］。

表3 不同固结时间的崩岗碎屑层土体黏聚力

2.3 固结时间对崩岗土体内摩擦角的影响

不同固结时间的崩岗红土层、砂土层、碎屑层土体内摩擦角分别见表4、表5、表6。

表4 红土层不同固结时间的内摩擦角

表5 砂土层不同固结时间的内摩擦角

表6 碎屑层不同固结时间的内摩擦角

随着固结时间的延长，崩岗红土层土体内摩擦角呈减小趋势，主要原因是在固结时间逐渐延长的过程中，水分在土壤颗粒间产生一层具有润滑作用的水膜（其厚度逐渐增大）［26］，使土壤颗粒间的距离加大、摩擦力减小，导致内摩擦角减小。有关研究表明［27］，在水分进入土壤内部的过程中，会溶解土壤中的可溶性胶结物质和无机盐，对土体抗剪强度造成影响，同时，溶解的胶结物质和水膜结合，导致土壤颗粒间摩擦力减小，使得土体抗剪强度迅速下降，这也是崩岗侵蚀的成因之一［5］。

在不同固结时间情况下，崩岗砂土层和碎屑层土体内摩擦角变化相对较小，与赵建军等［28］的研究结果一致，原因可能是崩岗砂土层和碎屑层土壤粗颗粒含量较高。

3 结 论

（1）崩岗红土层土体抗剪强度在土壤含水率为20%时相对较大但随固结时间的延长呈减小趋势，在含水率为24%～32%时随固结时间的延长变化相对较小；崩岗砂土层土体抗剪强度随固结时间延长，在垂直压强为100～200 kPa时变化较大，在垂直压强为50、300 kPa时变化较小；在不同固结时间情况下，崩岗碎屑层土体抗剪强度变化均较小。

（2）随着固结时间的延长，崩岗红土层土体黏聚力在含水率为24%～32%时呈增大的趋势，崩岗砂土层土体黏聚力在一定范围波动变化，崩岗碎屑层土体黏聚力受固结时间的影响较小。

（3）随着固结时间的延长，崩岗红土层土体内摩擦角呈减小趋势，崩岗砂土层和碎屑层内摩擦角变化较小。