非飽和土的抗剪強度與含水率關系的試驗研究

黃 琨，萬軍偉，陳 剛，曾 洋

（中國地質大學（武漢） 環境學院，武漢 430074）

1 引 言

土的抗剪強度是表征土體力學性質的一個重要指標，抗剪強度主要受土體的種類、結構以及含水率的影響。工程實踐中，一定區域內土的質地和結構一般不會發生太大變化，然而在天然情況下，受降雨、蒸發、灌溉等因素的影響，土體的含水率變化很大，土體的強度主要因含水率的變化而變化。由于傳統土力學所描述的對象主要是飽和重塑土，對于非飽和土的強度則難以解釋和預測，于是非飽和土力學的研究開始受到重視并不斷發展。特別是在引入土壤學中基質吸力的概念后，許多學者建立起非飽和土的抗剪強度的理論公式和本構模型[1－3]。而室內土工試驗作為一種最直觀、可靠的方法，可以通過控制試驗狀態來獲取不同條件下土體的抗剪強度參數，并檢驗理論公式的正確性。因此，本文在綜合分析前人關于含水率與土體抗剪強度關系的試驗研究的基礎上，以廣西南丹縣瑤寨洼地中的第三系欠固結粉砂土為研究對象，土的顆分試驗結果見表 1，通過不同含水率條件下原狀土和重塑土的直剪試驗來研究土體抗剪強度與含水率的關系。

表1 土的顆分試驗結果Table1 Particle distribution of soils

2 既有研究成果綜述

關于含水率與抗剪強度關系的試驗研究很多，其中以重塑土為研究對象的居多，但由于制樣過程中控制含水率方法的不同，試驗的初始狀態條件不同，試驗的結果也有較大差異。

2.1 原狀土直剪試驗

羅小龍[4]以贛州某公路邊坡花崗巖殘坡積砂質黏性土為研究對象，取7組原狀土樣進行直剪試驗。結果表明：含水率增大，土的抗剪強度降低，土的黏聚力和內摩擦角均減小。

2.2 重塑土直剪試驗

進行重塑土直剪試驗是研究土體含水率與抗剪強度關系最常見的方法，根據控制含水率方法的不同分為兩種：一種是根據干密度和添加的水量來控制含水率，另一種是制成土樣后通過浸泡時間來改變含水率。

林鴻州等[1]以北京粉質黏土等3種土為研究對象，每個土樣分別制備初始含水率約為0%、5%、10%、15%、20%、25%及飽和的試樣進行直剪試驗，試驗結果表明：無論何種土，在含水率較低時其黏聚力隨含水率增加而增加，當含水率增加至一定值后，黏聚力隨含水率增加而逐漸減少，內摩擦角則隨含水率增加而逐漸降低。梁斌等[5]通過不同含水率的重塑紅黏土的直剪試驗研究也得出了類似的結論，即黏聚力隨含水率增加到一定值后開始下降。

繆林昌[6]、姜獻民[7]等研究了膨脹土的抗剪強度和含水率的關系，先按一定含水率配制土樣，然后通過浸泡時間來改變土樣的含水率，從而保證在改變含水率的同時，土的體積、壓實度等不變，直剪試驗結果均得出以下結論：隨著含水率的增加，土體的抗剪強度下降；含水率的增加對黏聚力的影響比對內摩擦角的影響要大,當膨脹土的含水率增加時，黏聚力的降低程度要大于內摩擦角的降低程度，并通過統計分析推出lgc和lgφ與含水率之間的關系方程分別為 lgc=a1-b1w 、lgφ=a2-b2w。

上述直剪試驗的研究結果表明，由于控制含水率的方法不同，土的抗剪強度隨含水率變化的規律也不同。通過控制干密度，添加水量來控制土樣含水率的直剪試驗結果存在一個臨界含水率。小于臨界含水率時，抗剪強度隨含水率增加而增加；大于臨界含水率時，抗剪強度隨含水率增加而降低。而通過浸泡方式改變含水率的重塑土試驗與原狀土的直剪試驗結果則是隨著含水率的增加，抗剪強度降低，并沒有出現臨界含水率，那么兩種不同結果的原因是什么？由于既有的研究中，都只對重塑土或者原狀土進行直剪試驗，并且所取土的類別也不同，難以分析產生上述結果的原因。因此，為了保證試驗結果具有對比性，本研究采取的試驗方案是對原狀土以及兩種不同控制含水率方法的重塑土樣同時進行直剪試驗，以研究含水率對土的抗剪強度的影響。

3 直剪試驗

3.1 原狀土

原狀土的直剪試驗共做5組，每組6個樣，先用環刀將樣切好后放入真空飽和裝置進行飽和，然后分別放入烘箱在105°下烘不同時間，得到含水率w為 13.0%、18.0%、22.4%、24.0%和干土等 5組土樣。每組土樣中 4個用于直剪試驗，分別施加100、200、300、400 kPa的法向壓力進行固結快剪試驗,剪切速率控制為0.8～1.2 mm/min，2個用于測量土的含水率。直剪試驗的結果表明：隨著含水率的增加，剪應力降低（見圖1、表2），黏聚力隨含水率呈線性關系下降（見圖2），內摩擦角隨含水率增加而下降，但變化不大（見圖3），含水率對抗剪強度的影響主要是降低土的黏聚力。

圖1 不同含水率的原狀土樣的剪切強度曲線Fig.1 Shear strength curves of undisturbed soil samples with different water contents

表2 原狀土樣含水率與黏聚力和內摩擦角的關系Table2 Relationships among cohesion,friction angle and water content of undisturbed soil samples

圖2 原狀土含水率與黏聚力關系曲線Fig.2 Relationships between cohesion versus water content of undisturbed soil samples

圖3 原狀土樣含水率與內摩擦角關系曲線Fig.3 Relationships between friction angle versus water content of undisturbed soil samples

3.2 重塑土

重塑土的直剪試驗共設計2個方案，兩方案均控制重塑土的干密度與原狀土的干密度相同，第 1種方案通過添加水量來制備含水率w為 3.0%、6.0%、9.0%、12.0%、15.0%、18.0%、21.0%、24.0%、25.0%、26.0%、27.5%等11組土樣，每組樣4個，分別施加100、200、300、400 kPa的法向壓力進行固結快剪試驗，剪切速率控制為0.8～1.2 mm/min。第2種重塑土的試驗方案，是先按照原狀土的干密度制備含水率為 25.0%的土樣，然后放置烘箱中，通過烘烤不同時間來改變含水率，最后得到含水率為5.5%、12.2%、16.9%、19.5%、22.5%、25.0%及烘干土等7組土樣。每組6個土樣，4個用于固結快剪試驗，分別施加100、200、300、400 kPa的法向壓力，2個用于測量含水率。

第 1種方案的重塑土直剪試驗結果如圖 4～6所示。由圖4可見：含水率與黏聚力的關系曲線分為3段。當含水率w＜12%時，隨著含水率的增加，黏聚力也增大；當含水率12.0%＜w＜24.0%時，隨著含水率增加，黏聚力近似呈直線下降；當w＞24.0%時，黏聚力隨含水率增加，急劇下降。整體上隨含水率的增加內摩擦角變小，但沒有明顯的線性關系，內摩擦角的值在 27°～32°之間波動（見圖5）。與黏聚力類似，土的抗剪強度也隨含水率的增加先變大，然后逐漸降低（見圖6、表3）。

圖4 第1種方案重塑土樣含水率與黏聚力的關系曲線Fig.4 Relationships between cohesion and water content of remolded soil samples in the first scheme

圖5 第1種方案重塑土樣含水率與內摩擦角關系曲線Fig.5 Relationships between friction angle and water content of remolded soil samples in the first scheme

圖6 不同含水率下第1種方案重塑土樣的剪切強度曲線Fig.6 Shear strength curves of soil of remolded soil samples in the first scheme with different water contents

表3 第1種方案重塑土含水率與黏聚力和內摩擦角的關系Table3 Relationships among cohesion,friction angle and water content of remolded soil samples in the first scheme

第2種方案的重塑土直剪試驗結果表明，在保持土樣結構、密實度相同的條件下，通過烘烤的辦法來改變含水率的直剪試驗結果與原狀土的試驗結果有著相同的規律。由圖7可知，隨著含水率的增加，土的黏聚力不斷下降，含水率與黏聚力的關系曲線分為兩直線段，含水率較大的直線段斜率較大，說明在接近飽和含水率時，土的黏聚力急劇下降。含水率對內摩擦角的影響相對較小，整體上隨著含水率增加，內摩擦角也變小（見圖8）。隨含水率的增加，土的抗剪強度逐漸下降（見圖9、表4）。

圖7 第2種方案重塑土樣含水率與黏聚力的關系曲線Fig.7 Relationships between cohesion and water content of remolded soil samples in the second scheme

圖8 第2種方案重塑土樣含水率與內摩擦角的關系曲線Fig.8 Relationships between friction angle versus water content of remolded soil samples in the second scheme

圖9 不同含水率下第2種方案重塑土樣的剪切強度曲線Fig.9 Shear strength curves of remolded soil samples in the second scheme with different water contents

表4 第2種方案重塑土含水率與黏聚力和內摩擦角的關系Table4 Relationships among cohesion,friction angle and water content of remolded soil samples in the second scheme

3.3 試驗結果分析

從本次原狀土和重塑土的直剪試驗結果可知，隨著含水率的增加，土的抗剪強度下降，含水率對抗剪強度的影響主要是降低土的黏聚力，對內摩擦角的影響較小。含水率與黏聚力之間的關系可以由兩個直線段描述，第2直線段的斜率要大于第1直線段，這表明，當含水率達到一定值（接近飽和含水率時），土的黏聚力急劇下降。

本次試驗中第1種方案的重塑土直剪試驗結果與前人的重塑土試驗結果具有相同的規律，即在含水率很低時，隨含水率增加土的抗剪強度也增加；當含水率達到一定值時，隨著含水率的增加，土的抗剪強度降低。而原狀土和第2種重塑土方案的直剪試驗結果則隨著含水率的增加，土的抗剪強度不斷下降，且可以用兩段直線來描述含水率與黏聚力之間的關系。

出現初期隨含水率增加，抗剪強度增加的重塑土試驗，由于其在制樣的方法是保持干密度不變，通過添加不同質量的水來控制含水率，不同含水率的土樣其壓實度不相同，土的抗剪強度的變化由含水率和壓實度共同影響。由于制作重塑土是使用烘干土壓實而成，干土的土顆粒之間沒有黏聚力，當含水率較低時，隨著含水率的增加，一方面使土樣的密度增大，另一方面土顆粒之間因水的吸附作用，使土具有一定的黏聚力而使得抗剪強度增大，但此時的強度很低，而隨著含水率的增加到一定值后，土顆粒間的結膜水厚度變大，孔隙水壓力造成有效應力降低，從而又使土體抗剪強度降低；而通過烘烤法改變含水率的原狀土，因其未改變土在沉積過程中形成的結構，隨著含水率的降低，土顆粒之間的孔隙水壓力消散，土的基質吸力變大，土的抗剪強度則增加。因此，出現最優含水率的重塑土直剪試驗，由于制樣方法在改變含水率的同時，還改變土樣的壓實度和結構，并未保證所有土樣在同一初始狀態下進行試驗，土的抗剪強度變化則是由含水率和其他因素共同影響，因此，其結果不能用于描述含水率與抗剪強度之間的關系。而原狀土和第 2種重塑土方案的直剪試驗，在制樣過程中保持所有土樣顆粒之間結構不變，通過烘烤法或浸泡法來改變含水率，其試驗結果可用于研究含水率與土的抗剪強度之間的關系。

4 結 論

（1）隨著含水率增加，土的抗剪強度降低，土的黏聚力和內摩擦角均下降，含水率對黏聚力的影響比內摩擦角要大。土的黏聚力與含水率的關系可以用兩段直線來描述，當含水率達到一臨界值時，黏聚力急劇下降。

（2）由于本文僅是對第三系的粉砂土進行研究，不同地區的土其強度與含水率的關系可能不盡相同，含水率還可以與黏聚力的對數呈線性關系，但綜合既有的研究成果，土的抗剪強度與含水率之間的關系總是可以通過直剪試驗的結果統計分析來求得。

（3）通過控制干密度，添加不同質量的水來改變土樣含水率的重塑土直剪試驗，其結果表明，在含水率較低時，隨含水率增加，土的抗剪強度也增加，但這并不能說明是因為含水率的增加提高了土的抗剪強度，而是由于制樣的方式在改變土的含水率的同時，還改變了土的結構，沒有保證試驗只有含水率是惟一變量。因此，在進行重塑土的土工試驗時，如何控制試驗的狀態，是獲取正確結果的關鍵。

（4）由于本文的研究僅僅是粉砂土，并只對干密度這一組試驗進行研究，未對不同干密度條件進行對比研究，因此，對于其他類型的土以及不同干密度條件下的土體抗剪強度與含水率的關系是否符合本文試驗所總結的規律尚未可知，還有待于進一步深入研究。尤其是對于原狀土的試驗研究相對較少，在控制含水率的方法上以及接近飽和含水率時，土的強度變化規律等都還需要進一步的探討和研究。

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