含水率對(duì)土體力學(xué)參數(shù)的影響

李孝雄，楊煜杰，趙 卿，崔家偉

(滁州學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，安徽 滁州 239000)

土的力學(xué)性能最直接的表現(xiàn)就是體現(xiàn)在工程性質(zhì)上﹒當(dāng)含水量發(fā)生變動(dòng)時(shí)，相對(duì)的土體的抗剪強(qiáng)度也會(huì)有著相應(yīng)的增加或減少[1]，特別是對(duì)于含有大量黏性成分的巖土材料，它的這一特性尤為明顯﹒在雨水充足的地區(qū)和季節(jié)進(jìn)行土方開挖與路基填筑，土體含水率的變化會(huì)有很大可能引起填筑路堤邊坡以及挖方時(shí)發(fā)生滑塌[2]﹒所以，只有充分了解土體能承受多大的豎向壓力和其他方向的剪切力，才能確保土體不會(huì)受到各種各樣的破壞[3]﹒由于土體的多樣性，即便數(shù)十年來(lái)在土力學(xué)這門學(xué)科中許多學(xué)者早已對(duì)土體抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了海量的研究，但這個(gè)問(wèn)題時(shí)至今日仍有些許不足，依然存在值得研究的地方[4]﹒

目前，對(duì)含水率變動(dòng)導(dǎo)致土的各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)的影響的研究主要放在對(duì)土體的強(qiáng)度和彈性模量的變化上[5]﹒大多數(shù)研究者都認(rèn)為，土的各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)會(huì)隨著水量的增加而趨于下降，但是也會(huì)有極少參數(shù)會(huì)在含水量增加的情況下而增大[6]﹒對(duì)于水量增加而導(dǎo)致的各項(xiàng)參數(shù)變化的規(guī)律沒(méi)有共識(shí)，既沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的公式來(lái)描述變化的狀態(tài)，也沒(méi)有能夠用一個(gè)圖表來(lái)表現(xiàn)出變化的狀況﹒相當(dāng)一部分人覺(jué)得，土體的含水率與各項(xiàng)參數(shù)之間的關(guān)系，并不是簡(jiǎn)單的線性增加或減小，在含水量增加的過(guò)程中，而是處于一種變動(dòng)的狀態(tài)，且在不同土顆粒配比的情況下其變化也是不一樣的，不能使用一種固定不變的思維去看待土體與含水量之間的關(guān)系[7-9]﹒還有很多人認(rèn)為黏聚力和內(nèi)摩擦角都會(huì)在含水率增加的過(guò)程中變小，而也有一些人認(rèn)為黏聚力存在一個(gè)分界含水率，在這個(gè)含水率的兩側(cè)土的黏聚力變動(dòng)會(huì)處于一種相反的 情況，摩擦角也同樣有像黏聚力一樣的分界含水率，但是在這個(gè)含水率的左邊，在含水量增加的過(guò)程中其摩擦角是處于下降狀態(tài)的，而在右邊卻無(wú)法得出一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)律[10]﹒

綜上所述，研究土的物理參數(shù)，則避不開要去研究其力學(xué)參數(shù)，二者之間是分不開的﹒由于外部環(huán)境的改變會(huì)導(dǎo)致土的力學(xué)參數(shù)發(fā)生變動(dòng)，而天然土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化也會(huì)導(dǎo)致土的力學(xué)參數(shù)發(fā)生變動(dòng)，因此，土的物理性能也會(huì)隨著上述因素的變化而變化﹒那么研究土體的核心就是去研究其本身的含水率與強(qiáng)度之間的關(guān)系﹒本文通過(guò)人工配置不同土體(黏土、粉土和砂土)，深入研究其物理力學(xué)參數(shù)與含水率變化規(guī)律，旨在為該方面的研究提供一定的參考﹒

1 試驗(yàn)方案及材料制備

從野外采集一定量的土體，將土體放入烘箱中將水分烘干；在不破壞土顆粒結(jié)構(gòu)的情況下利用橡膠錘將土體敲碎；根據(jù)規(guī)范要求選取不同孔徑的篩網(wǎng)，并通過(guò)振動(dòng)搖篩機(jī)篩出不同粒徑的土體；按照規(guī)范要求配置一定量的砂土、黏土和粉土，即分別按照13%，17%，21%和25%的含水率加入適當(dāng)?shù)乃瞥纱笮∫恢?，密度均勻的土樣，這些土體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)不同土體含水率見(jiàn)表1；放入直剪儀剪切，記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)﹒

通過(guò)把含水率不同的4 種土體放在100，200，300 和400 kPa 的豎向壓力作用下進(jìn)行直接剪切實(shí)驗(yàn)，得到了不同含水率下土體的抗剪強(qiáng)度﹒

2 結(jié)果與討論

2.1 含水率變化對(duì)黏土物理力學(xué)參數(shù)的影響

由圖1 可知，黏土的抗剪強(qiáng)度在豎向壓力增加過(guò)程中不斷增加，2 個(gè)參數(shù)之間呈正比關(guān)系；同時(shí)在含水率增加的情況下抗剪強(qiáng)度不斷變小，2個(gè)參數(shù)呈反比關(guān)系﹒黏土抗剪強(qiáng)度由400 kPa 垂直壓力下13.7%含水率所對(duì)應(yīng)的1.33 MPa 降至25.8%含水率所對(duì)應(yīng)的0.791 MPa﹒黏土抗剪強(qiáng) 度在13.7%～17.7%之間的下降幅度很小，而到了21.4%時(shí)其下降幅度迅速增加，則可以得出黏土存在一個(gè)界限含水率：17.7%～21.4%﹒在界限含水率以下時(shí)，含水量在不斷增加的狀態(tài)下，抗剪強(qiáng)度在不斷地下降，但是下降幅度并不大；而在界限含水率以上時(shí)，下降速度大大增加﹒

圖1 不同含水率下黏土抗剪強(qiáng)度與垂直壓力對(duì)比

圖2 不同含水率下黏土土體力學(xué)參數(shù)

由圖2 可知，隨著黏土含水率的增加，粘聚 力開始迅速下降﹒試驗(yàn)土樣在13.5%含水率條件下測(cè)得的粘聚力為0.93 kPa，而在25.8%的含水率條件下測(cè)得的粘聚力則降到了0.38 kPa，下降幅度達(dá)到了58.8%﹒黏土在含水率處于15%～20%之間時(shí)，粘聚力下降很快，而在含水率處于20%～25%時(shí)，粘聚力仍在下降，但是下降的速度明顯放緩，則可得出黏土在20%含水率以上時(shí)粘聚力下降速度很快，而在20%以下時(shí)，下降速度變緩﹒摩擦角處于緩慢下降狀態(tài)，由7.5°降至6.5°，變化幅度不大，也沒(méi)有變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)﹒由此可知，黏土含水率的變動(dòng)對(duì)于其摩擦角的變動(dòng)有一定的影響，但不大，可以忽略不計(jì)﹒

2.2 含水率變化對(duì)粉土物理力學(xué)參數(shù)的影響

由圖3 可以看出，粉土的豎向壓力增大后其抗剪強(qiáng)度也在變大，抗剪強(qiáng)度與垂直壓力呈正比關(guān)系；隨著水量的增大，抗剪強(qiáng)度卻在慢慢變小，粉土抗剪強(qiáng)度與含水率呈反比關(guān)系﹒粉土抗剪強(qiáng)度由400 kPa 垂直壓力下13.7%含水率所對(duì)應(yīng)的1.25 MPa 降至25.3%含水率所對(duì)應(yīng)的0.65 MPa﹒同時(shí)由圖3 可知，粉土抗剪強(qiáng)度在13.7%～17.1%，17.1%～21.9%，21.9%～25.3%之間變化的速度都很均勻，均處于23%左右的降幅，并沒(méi)有出現(xiàn)類似于黏土那樣的界限含水率現(xiàn)象﹒

圖3 不同含水率下粉土抗剪強(qiáng)度與垂直壓力對(duì)比

圖4 粉土不同含水率下土體力學(xué)參數(shù)

由圖4 可知，粉土的含水量在增加的過(guò)程中其黏聚力迅速下降﹒試驗(yàn)土樣在13.7%含水率條件下測(cè)得的粘聚力為0.69 kPa，而在25.3%的含水率條件下測(cè)得的粘聚力則降到了0.23 kPa，下降幅度達(dá)到了65.8%﹒由此可知，含水率變化對(duì)于粉土的粘聚力的變動(dòng)有很大影響，粉土在含水率處于15%～17%之間時(shí)，其粘聚力降低的速率很快；在含水率處于18%～21%時(shí)，其粘聚力下降趨勢(shì)均處于比較緩慢的狀態(tài)；當(dāng)含水率超過(guò)21%時(shí)，粘聚力下降速率又迅速增快﹒粉土的摩擦角在含水量增高的過(guò)程中在減小，由13.7%含水率的10°降至25.3%含水率的8°，但是減小的幅度并不大，且也沒(méi)有變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)，變化速度很平緩﹒由此可知，粉土含水率的變動(dòng)對(duì)于其摩擦角的變動(dòng)有一定的影響，但不大，可忽略不計(jì)﹒

2.3 含水率變化對(duì)砂土物理力學(xué)參數(shù)的影響

由圖5 可以看出，隨著豎向壓力的加大，砂土的抗剪強(qiáng)度也在變大，抗剪強(qiáng)度與垂直壓力呈正比關(guān)系；當(dāng)含水量變大時(shí)其抗剪強(qiáng)度卻在不斷地變小，二者呈反比關(guān)系﹒砂土抗剪強(qiáng)度由400 kPa 垂直壓力下13.3%含水率所對(duì)應(yīng)的1.20 MPa降至25.1%含水率所對(duì)應(yīng)的0.54 MPa﹒粉土抗剪強(qiáng)度在13.3%～17.6%，17.6%～21.4%，21.4%～25.1%之間變化的速度都很均勻，并沒(méi)有出現(xiàn)類似于黏土那樣的界限含水率現(xiàn)象﹒

圖5 砂土不同含水率下抗剪強(qiáng)度與垂直壓力對(duì)比

圖6 砂土不同含水率下的摩擦角

由圖6 可知，砂土的摩擦角在其含水量增加的過(guò)程中是處于減小狀態(tài)的，由13.3%含水率的12°降至25.1%含水率的9.5°，減小的幅度不大，且沒(méi)有變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)，變化速度平緩﹒可知，砂土含水率的變動(dòng)對(duì)于其摩擦角的變動(dòng)有一定的影響，但不大，可忽略不計(jì)﹒

2.4 含水率變化對(duì)土體物理力學(xué)參數(shù)的影響

由上述結(jié)果可知，含水率的變化對(duì)不同土體(砂土、粉土和黏土)內(nèi)摩擦角影響較小，可忽略不計(jì)，但對(duì)粘聚力影響較大﹒土體粘聚力隨含水率的變化幅度如圖7 所示﹒

從圖7 可看出，黏土在含水率為15%～18%時(shí)，其粘聚力處于平穩(wěn)的下降趨勢(shì)，下降的幅度并不大；當(dāng)含水率由18%增長(zhǎng)到19%時(shí)，其粘聚力迅速下降；當(dāng)含水率為20%～21%時(shí)，其粘聚力保持了大致相同的下降速率；當(dāng)含水率超出21%時(shí)粘聚力下降速率快速放緩，含水率為22%～25%時(shí)，粘聚力仍在下降，但下降速度明顯放緩﹒粉土含水率為15%～17%時(shí)，其粘聚力下降速度很快；當(dāng)含水率達(dá)到18%時(shí)，其粘聚力下降速率明顯放緩；在含水率為18%～21%時(shí)，下降趨勢(shì)均處于較慢的狀態(tài)；當(dāng)含水率超過(guò)21%時(shí)，粘聚力下降速率又迅速增快，隨著含水率的增加，下降速度也在不斷增加﹒綜上所述，含水率的增加對(duì)粉土粘聚力的影響要大于對(duì)黏土粘聚力的影響﹒

圖7 土體力學(xué)參數(shù)隨含水率變化

3 結(jié)論

1)含水率對(duì)于不同土顆粒配比的物理性能均有很大的影響，其中對(duì)于粘聚力的影響最大﹒含水率在增加的狀態(tài)下粘聚力會(huì)隨之迅速變小，不同土體的下降幅度處于不同的水平，黏土在20%含水率以上時(shí)粘聚力下降速度很快，而在20%以下時(shí)，下降速度變緩；粉土含水率超過(guò)21%時(shí)，其粘聚力下降趨勢(shì)迅速變快，并且隨著含水率的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)﹒

2)含水率對(duì)于摩擦角的影響非常小﹒含水率的增加對(duì)于無(wú)論哪種土顆粒配比的土樣均沒(méi)有太大幅度的下降，因而在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中可以忽略含水率對(duì)摩擦角的影響﹒在3 種土樣中，含水率增加摩擦角下降最多的是砂性土樣，粘性土與粉性土的下降幅度類似﹒

3)不同土顆粒配比的土樣在含水量增加的過(guò)程中其抗剪強(qiáng)度會(huì)變小，但是除了黏土含水率在17.7%～21.4%時(shí)下降速度明顯加快外，砂土與粉土均處于勻速下降的狀態(tài)﹒