含水量對(duì)昆明非飽和土抗剪強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究

郭光八，劉克文

(十四冶建設(shè)云南勘察設(shè)計(jì)有限公司， 云南昆明 650001)

含水量對(duì)昆明非飽和土抗剪強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究

郭光八，劉克文

(十四冶建設(shè)云南勘察設(shè)計(jì)有限公司， 云南昆明 650001)

在巖土工程領(lǐng)域，絕大多數(shù)土體位于地下水位以上，處于非飽和土狀態(tài)，尤其是公路、壩體、淺層邊坡等工程。非飽和土的抗剪強(qiáng)度與其含水量(飽和度)或基質(zhì)吸力關(guān)系密切。利用改進(jìn)的直剪儀，對(duì)不同初始含水量狀態(tài)下的昆明地區(qū)非飽和土體進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，獲得了含水量與非飽和土體抗剪強(qiáng)度及其指標(biāo)參數(shù)之間的關(guān)系，結(jié)果表明，在相同試驗(yàn)條件下土體的抗剪強(qiáng)度隨著含水量的減小而不斷增大。

含水量；非飽和土；抗剪強(qiáng)度；強(qiáng)度試驗(yàn)

0 引 言

在巖土工程設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，所采用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和施工規(guī)范均是建立在傳統(tǒng)的飽和土理論基礎(chǔ)之上。然而，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，城市道路日新月異。有關(guān)城市道路路基在雨季發(fā)生塌陷或者滑坡的報(bào)道時(shí)而見諸報(bào)端，這類塌陷或滑坡的發(fā)生帶有突發(fā)性和偶然性，難于預(yù)測(cè)和躲避，給人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成了重大損失。例如，2010年10月位于蘭州市城關(guān)區(qū)大砂坪城市建設(shè)學(xué)校西200m處發(fā)生山體滑坡事故，大量黃土傾瀉而下掩埋路面，約8m寬的路面被滑土覆蓋；2011年7月云南省國(guó)道G214線祥臨公路瀾滄江大橋至云縣縣城中段道路發(fā)生滑坡。究其原因，目前我國(guó)針對(duì)巖土工程、道路工程的設(shè)計(jì)和施工均采用傳統(tǒng)的飽和土理論。實(shí)際上，工程實(shí)踐中絕大多數(shù)土體均處于地下水位以上，呈現(xiàn)非飽和狀態(tài)[1]。大量的工程實(shí)踐和試驗(yàn)研究表明，對(duì)于同一種土體，其含水量和應(yīng)力狀態(tài)對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響非常大[2-4]。國(guó)際上也有許多學(xué)者對(duì)飽和－非飽和土體抗剪強(qiáng)度與含水量的關(guān)系開展了相關(guān)研究，結(jié)果表明非飽和土體抗剪強(qiáng)度與含水量的關(guān)系十分復(fù)雜，且不同土體的對(duì)應(yīng)關(guān)系差別很大。因此，研究含水量的變化對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響，具有重要的工程意義[5]。

1 非飽和土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

自2009年，昆明市通過(guò)實(shí)施“541”交通設(shè)施三年建設(shè)計(jì)劃，道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得重大進(jìn)展；2012年，昆明市啟動(dòng)實(shí)施4年城市道路建設(shè)計(jì)劃，預(yù)計(jì)至“十二五”末，將建設(shè)315條城市道路。城市道路建設(shè)突飛猛進(jìn)，由此遇到的路基土處理問(wèn)題也不斷出現(xiàn)。該試驗(yàn)用土取自昆明市西山區(qū)某道路建設(shè)場(chǎng)地的第三層粉質(zhì)粘土，該層厚5～14m。采取了3組土樣，通過(guò)常規(guī)土工試驗(yàn)獲得基本物性參數(shù)，結(jié)果見表1。

表1 3組試驗(yàn)土樣基本土性參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的SDJ －1型等應(yīng)變剪切儀。試驗(yàn)開始前，先將試驗(yàn)用土放置在105℃烘箱內(nèi)烘至恒重，然后根據(jù)設(shè)計(jì)的不同含水量非飽和試驗(yàn)用土計(jì)算相應(yīng)的水分質(zhì)量，量取適量蒸餾水配制成4種不同含水量的土樣，拌和均勻后用多層塑料袋分裝，以防止水分散失，并將其放置在溫－濕控制箱內(nèi)在恒溫恒濕環(huán)境中靜置72 h，以使水分在土樣中充分?jǐn)U散，確保土樣中水分分布均勻。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)已有研究，實(shí)際工程中非飽和土體中的含水量一般為10%～35%[2，3]。本試驗(yàn)研究中，分別配置質(zhì)量含水量為10%，15%，20%，30%等重塑土樣4組，在5種正應(yīng)力(50，100，200，300 kPa和400 kPa)下進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。所有試樣制作嚴(yán)格按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)[6]進(jìn)行操作，確保試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 土樣強(qiáng)度指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)三組試樣進(jìn)行剪切試驗(yàn)，獲得了不同含水量對(duì)應(yīng)的非飽和土抗剪強(qiáng)度參數(shù)，具體結(jié)果見表2?？傮w上可以看出，3組試驗(yàn)土樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角均隨著含水量的增大而不斷減小，從而使土樣的抗剪強(qiáng)度值也隨著含水量的增大而減小。

表2 3組土樣強(qiáng)度指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

2.2 含水量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

3組土樣在不同含水量條件下的抗剪強(qiáng)度與正應(yīng)力關(guān)系如圖1～3所示。由圖1～3可以看出，非飽和土體的抗剪強(qiáng)度與土體的含水量和正應(yīng)力關(guān)系密切。一方面，隨著土體含水量的降低，土體抗剪強(qiáng)度不斷提高。例如，在正應(yīng)力為200 kPa的條件下，當(dāng)含水量由30%降低為10%時(shí)，土樣1的抗剪強(qiáng)度則由200 kPa減少為40 kPa，降低了80%；土樣2的抗剪強(qiáng)度也由220 kPa減小為65 kPa，降低了70%。另一方面，對(duì)同一土樣，土體的抗剪強(qiáng)度隨著正應(yīng)力的增大而增大。例如，對(duì)含水量為20%的土樣1，當(dāng)正應(yīng)力從50 kPa增大到400 kPa時(shí)，其抗剪強(qiáng)度由50 kPa增加到160 kPa，提高了2倍。但是，在低應(yīng)力水平下(由50 kPa增加至100 kPa)，3組試樣抗剪強(qiáng)度的增加并不明顯。

2.3 含水量對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

土體的抗剪強(qiáng)度主要是由土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角所決定的，為了分析含水量對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響，將3組土樣含水量與粘聚力的關(guān)系曲線作于圖4，將含水量與內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線作于圖5。

圖1 不同含水量條件下土樣1抗剪強(qiáng)度與正應(yīng)力關(guān)系曲線

圖2 不同含水量條件下土樣2抗剪強(qiáng)度與正應(yīng)力關(guān)系曲線

圖3 不同含水量條件下土樣3抗剪強(qiáng)度與正應(yīng)力關(guān)系曲線

圖4 三組試樣的粘聚力與含水量關(guān)系曲線

從圖4中可以看出，3組試驗(yàn)土樣的粘聚力均隨著含水量的增加而減小，且在不同含水量條件下3組試樣的粘聚力值比較接近，說(shuō)明試驗(yàn)重復(fù)性較好。根據(jù)邊加敏和王保田的研究，采用二次多項(xiàng)式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合[3]，得到3組土樣粘聚力與其含水量的函數(shù)關(guān)系式，分別為:

圖5 三組試樣的內(nèi)摩擦角與含水量關(guān)系曲線

同樣，從圖5中可以看出，3組試驗(yàn)土樣的內(nèi)摩擦角均隨著土體中含水量的增加而降低，當(dāng)含水量從10%增加到30%時(shí)，土樣的內(nèi)摩擦角從28°降低為10°左右，大約減小60%。采用線性方程對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合[3]，得到3組土樣內(nèi)摩擦角與其含水量的函數(shù)關(guān)系式，分別為:

由此可見，在非飽和狀態(tài)下，含水量對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)有著重要影響，土體的粘聚力與含水量呈二次曲線關(guān)系，而土體的內(nèi)摩擦角與含水量近似呈線性關(guān)系。

3 結(jié) 論

傳統(tǒng)的飽和土力學(xué)理論已廣泛應(yīng)用于我國(guó)巖土工程領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、施工和管理運(yùn)營(yíng)，但是絕大多數(shù)工程實(shí)踐中巖土體本身處于非飽和土狀態(tài)。研究表明，非飽和土體的強(qiáng)度指標(biāo)與含水量密切相關(guān)，因此加強(qiáng)對(duì)不同含水狀態(tài)下土體的力學(xué)特性、變形特性和滲透特性研究，對(duì)科學(xué)設(shè)計(jì)巖土工程、確保工程建設(shè)安全具有重要意義。

[1]Fredlund D G，Rahardjo H.非飽和土力學(xué)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

[2]趙慧麗，張 彌，李兆平.含水量對(duì)北京地區(qū)非飽和土抗剪強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，14(4): 30-33.

[3]邊加敏，王保田.含水量對(duì)非飽和土抗剪強(qiáng)度影響研究[J].人民黃河，2010，32(11):124-125.

[4]黃 琨，萬(wàn)軍偉，陳 剛，等.非飽和土的抗剪強(qiáng)度與含水率關(guān)系的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2012，33(9):2600－2604.

[5]劉子振，言志信，凌松耀，等.非飽和土邊坡抗剪強(qiáng)度的力學(xué)參數(shù)影響及靈敏度分析[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，43(11):4508-4513.

[6]公路土工試驗(yàn)規(guī)程[S].JTG E40—2007.

2014-11-21)

郭光八(1976－)，男，云南祥云人，大學(xué)本科，工程師，主要從事巖土工程生產(chǎn)及管理工作，Email：376107138＠qq.com。