重塑非饱和粉质黏土抗剪强度特性试验研究

许四法，王志健，胡　琦，祁晓翔

(浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014)

重塑非饱和粉质黏土抗剪强度特性试验研究

许四法，王志健，胡琦，祁晓翔

(浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014)

摘要：含水率对非饱和土的抗剪强度有很大影响，因此研究含水率与非饱和土抗剪强度之间的关系，具有重要的工程意义.以粉质黏土为研究对象，通过直剪和基质吸力试验，研究含水率对抗剪强度及内摩擦角和黏聚力的影响.结果表明：随着基质吸力的增大，非饱和土的抗剪强度不断增大，说明基质吸力对抗剪强度有较大贡献；随着含水率增大，土的内摩擦角减小；在含水率较小时，黏聚力增大，当含水率增加到一定值时，土的黏聚力急剧下降。

关键词：非饱和土；抗剪强度；黏聚力；内摩擦角；基质吸力

An experimental study on the shear strength characteristics

of remolded unsaturated silty clay

XU Sifa, WANG Zhijian, HU Qi, QI Xiaoxiang

(College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:The water content exerts a great influence on the shear strength of unsaturated clay. It is, therefore, of important practical significance to study the relationship between the water content and the shear strength of unsaturated clay. The direct shear test and the matrix suction test were adopted to investigate the effects of the water content on the shear strength, friction angle, and cohesion of silty clay. The results showed that the shear strength of unsaturated clay increases with the increase of the water content, indicating that the matrix suction has a larger contribution to the shear strength. The friction angle decreases by increasing the water content. At a low water content, cohesion increases with an increases in water content. When the water content reaches a certain value, however, cohesion drops dramatically。

Keywords:unsaturated clay; shear strength; cohesion; internal friction angle; matrix suction

土的抗剪强度除受土体的结构和种类影响以外，还与含水率与饱和度有很大关系.当土体的含水率发生变化时，其工程性质会发生很大改变，其根本原因在于基质吸力的不同。

有关非饱和土的强度特性，Fredlund[1]研究了非饱和土的渗透、强度及体变特性与土水特征曲线之间的关系，提出了双应力状态非饱和土抗剪强度公式.Vanapalli[2]在非饱和土微观分析的基础上，利用土水特征曲线建立φb与土的含水率变化之间的关系，提出了非饱和土抗剪强度的经验公式.张常光[3]认为吸附强度表达式的不同导致了非饱和土抗剪强度公式的多样性.除理论研究之外，很多学者通过试验研究非饱和土的特性.郭利娜[4]利用土水特征曲线对Fredlund、Vanapalli的非饱和土抗剪强度预测公式与试验结果进行了对比分析，验证了预测公式的准确性.龚壁卫[5]研究了鄂西北及南阳盆地膨胀土的抗剪强度特性，得到了非饱和膨胀土抗剪强度与基质吸力的关系呈双曲线形式.缪林昌[6]研究了南阳膨胀土在不同吸力状态下非饱和强度特性，提出了基质吸力对抗剪强度贡献的双曲线模型.周葆春[7]探讨了原状、压实、石灰改良膨胀土的非饱和抗剪强度与土水特征曲线的关系.李涛等[8]研究了基质吸力对非饱和红黏土抗剪强度参数φ′和φb的影响，其中φb随基质吸力的增加而先不变后减小.董倩[9]进行了不同吸力条件的直剪试验和土样结构的微观扫描，发现非饱和粉质砂土抗剪强度随基质吸力的增加先增大后减小，会出现抗剪强度峰值的现象.王勇[10]利用GDS非饱和土三轴仪对杭州地铁储气砂土的抗剪强度进行了测定，认为残余含水率是基质吸力对非饱和砂土抗剪强度贡献大小的分界线.孟凡丽[11]对卸荷状态下的软黏土进行了研究,得到了卸荷土体抗剪强度变化的一般规律.王珊珊[12]利用静三轴试验，模拟了水泥土在工程中的应力状态，对水泥土的抗剪强度进行了探讨。

由于受土体骨架结构、土颗粒矿物成分、黏粒含量、应力历史等内部条件的影响，非饱和土抗剪强度随基质吸力变化的规律对于不同的土体明显不同.笔者利用压力板仪和直剪仪进行组合试验，以含水率变化对非饱和土抗剪强度指标的影响为切入点，结合水土特征曲线的应用，探讨基质吸力对非饱和粉质黏土抗剪强度特性的影响规律。

1研究方案与方法

1.1土样的基本物理力学性质

试验所用土样采自杭州临安地区，天然土样基本物理特性如表1所示，颗粒级配如表2所示。

表1　天然土样的基本物理性质

表2　天然土样的颗粒级配

根据《土的工程分类标准》[13](GB/T50145—2007)中的规定，细颗粒含量超过50%的土为细粒土,因此试验中采用的土样为细粒土.塑性指数为14，该土样属于粉质黏土。

1.2重塑土样制备方法

1.2.1直剪试验

将土样进行烘干、去杂质和碾磨之后，根据试验设计的土样尺寸、干密度和含水率计算所需干土和水的质量，将土样分批倒入容器中，用喷雾器将水喷入到容器中，重复多次，然后用保鲜膜将容器密封静置，放置24 h后将土样搅拌均匀再密封静置24 h，测定土样的含水率。

1.2.2土水特征曲线试验

将土样进行烘干、去杂质和碾磨之后，根据试验设计的土样尺寸、干密度计算所需干土质量，加入一定量水在容器中混合搅拌均匀，静置24 h。

1.3直剪试验方案

试验土样直径61.8 mm，高度20 mm.制样后放入直剪仪进行快剪试验，剪切速率为0.8 mm/min，竖向压应力取100，200，300，400 kPa。

土样的直剪试验分为不固结快剪和固结快剪，控制干密度为1.56 g/cm3，不固结快剪的含水率分别为1.11%，5.19%，9.76%，11.78%，13.70%，15.73%，19.19%，23.93%，26.09%；固结快剪的含水率分别为0，5.21%，8.45%，10.83%，13.26%，17.45%，20.16%，23.54%，27.02%。

通过重塑土的直剪试验，研究非饱和粉质黏土的抗剪强度参数与含水率的变化关系。

1.4基质吸力测定试验方案

试验土样直径79.8 mm，高度20 mm.制样后在真空抽气桶里进行抽气饱和，试样饱和后放入压力板仪开始土水特征曲线脱湿试验。

试验时的压力按10，20，35，50，100，200，350，500，700 kPa逐级施加，每级荷载下，2 h内出水量小于0.01 mL，再施加下一级压力。

通过测定基质吸力，绘制土水特征曲线，得到基质吸力与含水率的关系，结合直剪试验结果，分析基质吸力对非饱和粉质黏土抗剪强度的影响。

2含水率对内摩擦角和黏聚力的影响

2.1含水率对内摩擦角的影响

内摩擦角与含水率的关系曲线如图1，2所示.从图1,2中可看出：不固结快剪中内摩擦角随含水率的增加而呈线性减小，含水率为10%时，内摩擦角为37.2°，含水率增加到23%时，内摩擦角下降到18.8°.随着土中水分的增多，黏附在土颗粒表面的水膜增厚，导致颗粒间摩擦系数减小，因而内摩擦角随着含水率的增加而减小.含水率大于23%后，土样在试验过程中更容易被压缩而导致干密度变大以及土中水被压出，从而引起内摩擦角增大。

固结快剪试验结果表明：含水率在10%~18%区段内，内摩擦角对含水率较敏感.当含水率大于18%，内摩擦角反而随着含水率的增加而增加，曲线形态呈“Z”字型，这是由于固结状态下的土样干密度变化更大，对内摩擦角的影响更显著。

图1　含水率与内摩擦角关系(不固结)Fig.1　The relationship between water content and internal friction angle (Non-Consolidation state)

图2　含水率与内摩擦角关系(固结)Fig.2　The relationship between water content and internal friction angle (Consolidation state)

2.2含水率对黏聚力的影响

黏聚力与含水率的关系曲线如图3，4所示.从图3,4中可看出当含水率较小时，不固结快剪中黏聚力随着含水率的增加而增加，在13%左右达到峰值，约为70 kPa.当含水率超过13%后，黏聚力随着含水率增大而减小.在低含水率时，水在土体中主要为结合水的形式存在，具有一定的抗剪性，同时也存在毛细水的基质吸力影响.随着含水率的增大，土粒表面的结合水膜不断增厚，水的黏滞性减弱，自由水比例越来越高，并且土中的基质吸力随着含水率的增大逐渐减小，此外，土体中的胶结物质逐渐溶解.因此当含水率超过13%时，黏聚力随着含水率的增大而减小。

固结快剪的试验结果与不固结快剪类似，只是黏聚力峰值出现时对应的含水率不同，含水率为17%时黏聚力达到最大值，其主要原因是在固结过程中，土样被压实，土中自由水被挤出，因此黏聚力出现峰值时含水率较不固结快剪大。

图3　含水率与黏聚力关系(不固结)Fig.3　The relationship between water content and cohesion(Non-Consolidation state)

图4　含水率与黏聚力关系(固结)Fig.4　The relationship between water content and cohesion (Consolidation state)

3基质吸力对抗剪强度的影响

3.1土水特征曲线试验结果

非饱和土与饱和土的本质区别就是非饱和土中基质吸力的存在，基质吸力作为控制非饱和土抗剪强度的关键指标，其变化规律会直接影响非饱和土的抗剪强度。

非饱和粉质黏土土水特征曲线，如图5所示.从图5可知：随着含水率减小，基质吸力增大，当含水率为18.48%时，基质吸力为100 kPa，当含水率减小到13.07%时，基质吸力增加到500 kPa.含水率低于12.94%，即小于残余含水率时，孔隙处于气连通状态，这时孔隙水仅存在于小空隙中，含水率的微小变化，将产生较大的孔隙水压力的下降，导致基质吸力明显增大。

图5　基质吸力与含水率的关系Fig.5　The relationship between matric suction and water content

3.2基质吸力对非饱和粉质黏土抗剪强度的影响

不同竖向应力下，非饱和粉质黏土的抗剪强度与基质吸力的变化关系，如图6,7所示。

图6　不同竖向应力下抗剪强度与基质吸力的关系(不固结)Fig.6　The relationship curve of shear strength and matric suction under different vertical stresses (Non-Consolidation state)

图7　不同竖向应力下抗剪强度与基质吸力的关系(固结)Fig.7　The relationship curve of shear strength and matric suction under different vertical stresses (Consolidation state)

图6,7结果表明：不同竖向应力下抗剪强度随基质吸力变化的特征基本一致.在不固结快剪中，随着基质吸力从0增加到350 kPa时，400 kPa竖向应力下抗剪强度从142 kPa到317 kPa，提高了120%，而100 kPa竖向应力下抗剪强度从50 kPa到131 kPa，提高了160%.在固结快剪中，随着基质吸力从0增加到460 kPa时，400 kPa竖向应力下抗剪强度从208 kPa到323 kPa，提高了60%，而100 kPa竖向应力下抗剪强度从58 kPa到128 kPa，提高了120%，说明基质吸力对非饱和粉质黏土的抗剪强度有很大影响。

4结论

同一竖向应力下抗剪强度随基质吸力的增大而增大，说明基质吸力对抗剪强度有很大贡献；随着含水率的增大，内摩擦角减小.在含水率增大到一定值时，内摩擦角反而随含水率的增大而增大.在固结快剪中，曲线形态呈更为明显的“Z”字型，这是由于固结状态下的土样干密度变化更大，对内摩擦角的影响更显著；对于黏聚力，固结快剪的试验结果与不固结快剪相类似，随着含水率的增加，黏聚力先增大后减小，但黏聚力峰值出现时对应的含水率不同，不固结快剪为13%，小于固结快剪的17%，其主要原因是在固结过程中，土样被压实，土中自由水被固结压力挤出，因此黏聚力出现峰值时含水率较不固结快剪大。

参考文献：

[1]FREDLUND D G, MORGENSTERN N R, WIDGER R A. The shear strength of unsaturated soils[J]. Canadian Geotechnical Journal，1978，15(3):313-321。

[2]VANAPALLI S K, FREDLUND D G, PUFAHL D E, et al. Model for the prediction of shear strength with respect to soil suction[J]. Canadian Geotechnical Journal，1996，33(3):379-392。

[3]张常光，赵均海，朱倩.非饱和土抗剪强度公式分类及总结[J].建筑科学与工程学报，2012，29(2):74-82。

[4]郭利娜，胡斌，宋友建，等.土-水特征曲线预测非饱和土的抗剪强度对比研究[J].工程地质学报,2013,21(6):849-856。

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[11]孟凡丽,樊良本,姚君.卸荷状态下软粘土抗剪强度的试验研究[J].浙江工业大学学报,2003,31(4):432-435。

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[13]南京水利科学研究院.GB/T 50145—2007土的工程分类标准[S].北京：中国计划出版社，1986。

(责任编辑：陈石平)

中图分类号：TU433

文献标志码：A

文章编号：1006-4303(2015)02-0227-05

作者简介：许四法(1967—)，男，浙江嘉兴人，教授，主要从事土的基本特性、地基基础、污染土的修复、污泥的再利用以及垃圾填埋场的防渗特性等相关领域研究，E-mail: xusifa@zjut.edu.cn。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51478434)

收稿日期：2014-11-13