直剪試驗下保山地區黏土抗剪強度分析

丁勇， 蔣玉， 起光磊， 趙興澤， 劉興燦， 李俊輝

（保山學院工程技術學院，云南 保山 678000）

0 引言

土作為一種工程材料，直接與建筑物或構筑物相連接，并且承受建筑物或構筑物傳來的荷載，因此土體的穩定性十分重要。當土體受到荷載作用的時候，會產生抵抗荷載作用的能力，當荷載作用的能力超過土體最大的抵抗荷載作用的能力時，就會產生破壞。抵抗荷載作用產生的最大能力稱為抗剪強度。

在實際的工程中，土體含水率對其抗剪強度有著巨大的影響，國內外的學者對此進行了大量的試驗。張培培等［1］對不同含水率的紅黏土進行抗剪強度試驗，結果表明土體粘聚力隨含水率的增大呈二次多項式形式減小，土體內摩擦角隨含水率的增大呈冪函數形式降低；李海龍［2］則通過分別對高液塑限紅黏土、低液塑限紅黏土在不同含水率的情況下進行直剪試驗，結果表明兩種黏土發生的破壞方式是不同的，液塑限紅黏土發生的是塑性破壞，高液塑限紅黏土發生脆性破壞變為塑性破壞，且當含水率不斷增加時，高液塑限紅黏土的粘聚力變化趨勢呈現的是單峰，而另外一種紅黏土變化趨勢呈現的是雙峰，并且其粘聚力最大是出現在塑限含水率左右；王中文等［3］以廣梧高速云浮段紅粘土為試樣進行試驗，表明其抗剪強度在高含水率和低含水率相差較大其中粘聚力隨含水率的增加，呈一階指數衰減，內摩擦角隨含水率的增加呈現分段函數的特征。

文中在綜合分析前人研究的基礎上，以云南省保山市東城區的黏土為試樣，按照GB/T 50123-2019《土工試驗方法標準》［4］，運用南京土壤儀器有限公司的ZJ型應變控制式直剪儀（四聯剪）進行試驗，通過南京土壤儀器有限公司土工試驗數據采集處理系統進行數據采集以及Excel處理，對比分析得出原狀土樣的抗剪強度以及重塑土樣的抗剪強度與含水率的關系。

1 試樣制備與方案設計

1.1 試樣制備與試驗儀器

原狀土樣：依據《土工試驗方法標準》將原狀土樣制備成環刀試樣。

試驗儀器：南京土壤儀器有限公司的ZJ型應變控制式直剪儀（四聯剪）。

環刀：高2cm，直徑6.18cm。

數控電動擊實儀：電熱鼓風干燥箱（溫度保持在60℃～70℃）。

天平：量程200g。

其他：調土刀、凡士林、保鮮膜、毛巾、2mm直徑篩子。

1.2 試驗方案設計

試樣取自云南省保山市東城區黏土，共取8個鉆孔點樣品進行試驗，取土深度均為2.0～3.0m，原狀土樣按照GB/T 50123-2019《土工試驗方法標準》制成環刀試樣，每組制備4個。

重塑土樣由天然土體削成片狀（整塊烘干磨碎困難）烘干磨碎，過2mm篩子后四分法取樣（1500克為一份土樣），按照20%、22.5%、25%、27.5%、30%、35%、40%、45%含水率進行試樣配置，通過電動擊實儀壓實，分兩次壓實，每次壓實15次，一共30次，制成環刀試樣，分別在垂直壓力為100、200、300、400kPa進行直剪試驗，試驗前稱量計算各組換刀試樣的密度，密度小的試樣放置于垂直壓力小的位置，得到試樣破壞時的抗剪強度，通過Excel進行數據處理［5］，確定土樣的抗剪強度。

2 試驗數據分析

2.1 室內常規試驗數據

依據《土工試驗方法標準》，對黏土進行一系列的室內常規試驗，得出該黏土的基本物理指標，試驗的結果數據見表1。根據該土體的基本物理指標可知，該原狀土是飽和狀態下的粉質黏土。

表1 原狀土樣與重塑土樣物理力學指標

2.2 原狀土抗剪強度指標分析

由表1數據可知，含水率相當的條件下，原狀土體抗剪強度相差幅度較大，其粘聚力C最大值是最小值的3.5倍之多，內摩擦角Φ值相對穩定，最大值是最小值的1.22倍，總體來看原狀土內摩擦角較低時粘聚力相對較大，反之，內摩擦角較大時，粘聚力相對較小。說明該天然土體的抗剪強度指標具有不穩定性，離散性較大。

2.3 重塑土抗剪強度指標分析

由于該原狀土在天然條件下，含水率基本不變的情況下，粘聚力C和內摩擦角Φ離散性很大，故在不同含水率條件下對其重塑土樣進行直剪試驗，以確定其重塑狀態下的抗剪強度指標特性。土體重塑以后，含水率降低，其抗剪強度指標相對原狀土，粘聚力整體上降幅較大，內摩擦角則有增加的趨勢。

由圖1重塑土中含水率與粘聚力、內摩擦角的關系可知，總體上看，隨含水率的增加，粘聚力與內摩擦角都呈現出下降的趨勢，但各自區段具有各自增減的特點，跳躍性較大。

圖1 重塑土中含水率ω與粘聚力C、內摩擦角φ的關系曲線

（1）隨著含水率的增加，內摩擦角曲線變化整體呈下降趨勢，其中間區段較為跳躍，以波峰-波谷-波峰-波谷的形態出現，從上限29.21°下降到15.40°，總降幅為47.27%，且在含水率約為22.50%與30%時，出現兩個比較明顯的峰值拐點，從含水率30%到35%的增量看，內摩擦角的降幅為37.83%，可知在這段含水率變化區間，相當于占了總降幅的80.03%，起到了決定性的作用。

（2）對于粘聚力來說，整體上也同樣呈現出下降的趨勢，但其變化曲線較為陡峭，僅呈現一個波峰形態，下降幅度大于內摩擦角下降的幅度，從上限42.41kPa，下降到18.00kPa，總降幅為57.56%，相當于內摩擦角隨含水率降幅的1.22倍。

（3）含水率在25%～27.5%之間范圍內，粘聚力與內摩擦角呈現出對比性較強的波峰與波谷的形態，粘聚力出現波峰，與下限相差約為57.56%；內摩擦角出現了波谷，與上限相差約為31.53%。

具體分析可知：①含水率促使土體顆粒結構發生變化，導致粘聚力C值隨含水率的增加而先增后減，當含水率在25%左右時，粘聚力達到最大值，當含水率逐漸增加，粘聚力的3個組成部分結構吸力、收縮膜張力、基質吸力都會變小，所以粘聚力迅速減小。粘聚力C在含水率27.5%～30%之間下降較快，減少了20%，主要因為此時土體內部的水分子與顆粒結合比較充分，形成穩定的結合關系，水主要以結合水的形式存在，當含水率增加時，土體內部顆粒之間的結合水膜破壞，此時水主要由結合水轉變為自由水，粘聚力大幅減小，當含水率在30%～40%時，粘聚力基本保持不變，而含水率在40%～45%時，粘聚力發生下降；②含水率對該土體的的影響表現為：粘聚力和內摩擦角都隨含水率的增加而呈現一種凹凸變化。內摩擦角Φ值在含水率為22.5%～30%之間呈現先減后增的趨勢，最大值與最小值相差為29%；粘聚力C值在含水率為22.5%～30%之間呈現先增后減的趨勢，最大值與最小值相差為25%。說明該土體在含水率為22.5%～30%之間，內摩擦角的變化程度稍微大于粘聚力的變化程度。土體顆粒結構發生了改變，顆粒表面的自由水含量增多，導致顆粒表面變得光滑，從而促使內摩擦角減小，在含水率增加到30%以后，產生了內摩擦角快速下降的趨勢，且此時的含水率，接近于塑限，說明土體內摩擦角與塑限有關［6］。整體來看，當含水率增加時，土體不能保持原先的狀態，由軟塑逐漸轉變為流塑甚至流動，導致內摩擦角減小。當含水率增加到35%之后，內摩擦角變化幅度不大，呈現穩定趨勢。含水率在30%～45%之間，內摩擦角先減小后趨于穩定，而粘聚力則先趨于穩定后減小。說明土體抗剪強度指標在一定的含水率條件下，粘聚力和內摩擦角都呈現減小的趨勢，主要是由于土親水性強、透水性差、土中水分不易被擠出［7］。

2.4 不同含水率下重塑土體的抗剪強度包線

由圖2可知在不同含水率條件下，土體呈現出隨含水率增加，其抗剪強度降低的趨勢，在同一含水率下，隨著垂直壓力的增加，土體抗剪強度總體呈現增加的趨勢。在含水率為20%～30%之間，土體隨著垂直壓力的增加，相同垂直壓力下兩者的抗剪強度差值逐漸增加；在含水率為30%～45%之間，土體隨著垂直壓力的增加，其抗剪強度總體逐漸增加，但增幅較上一區間的增幅較小，結合表2可知，在垂直壓力不變的情況下，該重塑土體在含水率為22.5%時，抗剪強度呈現出最大值，隨著含水率的增加抗剪強度雖有部分突變，但總體趨勢是逐漸削弱。

圖2 不同含水率條件下抗剪強度與垂直壓力關系曲線

在垂直壓力為100～200kPa之間與300～400kPa之間，不同含水率條件下垂直壓力與抗剪強度呈現出的線性形態比較明顯，而在200～300kPa中間垂直壓力區段，大部分曲線則呈現出非線性變化的形態。說明該土體的抗剪強度隨垂直壓力的增加具有明顯的分段性，即在低高垂直壓力的條件下線性擬合度比中垂直壓力區段下擬合度較高。

3 結語

（1）該土體是一種高液限的有機質土，采用直剪試驗下，同一含水率條件下原狀土樣的抗剪強度變化離散性大，具體表現為粘聚力C變化幅度較大，內摩擦角Φ變化略小。

（2）對于重塑土體來看，含水率對土體的抗剪強度有著明顯的影響，表現為內摩擦角Φ和粘聚力C都隨含水率的變化而變化，在含水率小于30%區段，粘聚力與內摩擦角呈現出反向變化，前者先增后減，后者先減后增；含水率大于30%區段，則呈現出同減趨勢。總體上，粘聚力與內摩擦角對于含水率的多少較為敏感，粘聚力C變化幅度較大，內摩擦角Φ變化較小，說明該土體的抗剪強度主要是由粘聚力C來控制的。

（3）直剪試驗下，該重塑粉質黏土的抗剪強度隨垂直壓力的增加具有明顯的分段性，抗剪強度包線線性擬合度并不高，摩擦角Φ與粘聚力C隨含水率的變化也具有一定跳躍性。