非饱和重塑粉质黏土抗剪强度变化规律研究.docx

? ? 非饱和重塑粉质黏土抗剪强度变化规律研究 ? ? 任增成REN Zeng-cheng；倪振强NI Zhen-qiang （①山东三山公路工程监理咨询有限公司，聊城 252000；②聊城大学建筑工程学院，聊城 252000） 0 引言 非饱和土的基质吸力、水力特性、抗剪强度与含水量（饱和度）变化密切相关。随着含水量增加，会造成非饱和地基沉降、湿陷，土体渗透性增大，抗剪强度降低而引发坡体滑塌等地质灾害。因此，研究不同含水量下非饱和土的抗剪强度对工程建设具有重要意义。 以往学者通过结合实际工程从土壤学引入基质吸力的概念，通过建立非饱和土滞回循环计算模型与实测数据进行拟合，推导了以连续函数表达的水土特征曲线（SWCC）[1]。Bishop 等[2]提出孔隙气压力减孔隙水压力s=uauw基质吸力的概念；Fredlund 等[3]提出了基于双应力变量的扩展摩尔-库伦准则非饱和土抗剪强度公式；Lu Ning等[4]提出吸应力σs的概念以代替有效应力参数χ、假想内摩擦角φb这些参数，提高了公式的工程应用性。 本文以工程特性较差的鲁西平原粉质黏土为研究对象，分析抗剪强度参数随基质吸力变化的规律与原理，研究基质吸力与抗剪强度之间的关系，既从理论上明确土粒间相互作用力的物理意义，也从应用上确定其适用性。因为工程中遇到的土力学问题大多是非饱和土问题，例如非饱和土自然斜坡及公路、铁路建设形成的人工土质边坡的稳定性分析，路基和大坝的沉降变形分析，基坑开挖过程中的土压力变化，特殊土的湿胀干缩性能等。因此，研究非饱和重塑粉质黏土的抗剪强度变化规律具有重要的理论与应用价值，既可以作为理论研究的补充，也可以作为工程应用的指导。 1 试验方案及过程 1.1 试验用土的物理特性及试样制备 试验用土取自聊城大学在建综合试验教学楼基坑深4.5~5.0m 处，土体呈褐黄色，土粒以粉粒为主，含有深褐色高岭土黏粒；土体光泽性一般，层理性较差，摇震反应不明显。基本物理性质指标见表1。 表1 试验用土物理性质指标 1.2 研究方法 土水特征曲线-SWCC 采用滤纸法测定，采用采用双圈牌NO.203 型慢速滤纸和温度为20°C 的MgCl2溶液，用压实试样干密度ρd=1.60g/cm3的方法测定[5]。 直剪试验试样同样以ρd=1.60g/cm3的干密度控制，土样直径61.8mm，高度20mm。分别进行固结快剪和不固结快剪试验，剪切速率均为0.8mm/min，正应力采用50kPa，100kPa，150kPa，200kPa。为保证接近真实工况，根据伏斯列夫真抗剪强度理论，固结快剪时取固结压力为200kPa。试样的初始含水量分别为0%，3.5%，5.4%，7.6%，9.7%，10.6%，11.7%，13.3%，16.8%，18.6%，20.9%，22.8%，26.1%。 2 试验结果及分析 2.1 基质吸力-土水特征曲线（SWCC） 测得SWCC 后，为验证其正确性利用RETC 软件的VG 模型对实测数据进行拟合验证： 式中：θ 为体积含水量，θr为残余体积含水量，θs为饱和体积含水量，h 为土壤负压水头，α、n、m 为经验拟合参数，其中m=1-1/n。先用Matlab 中的fminsearch 函数对参数求解，将得到的参数再代入RETC 软件进行数据拟合，求得经验参数为：α=0.1986，n=1.2354，均方差为9.44e-04。将体积含水量转换为饱和度，将负压水头转换为基质吸力，如图1 所示，拟合数据和实测数据契合性较好，拟合度R2=0.9884。因此，可以按实测值进行分析，进气值为5kPa，对应饱和度为92%；残余值为157.4kPa，对应饱和度为49%。 图1 土水特征曲线 由图1 可以看出，饱和度与基质吸力的关系根据水、气在土中的存在状态，可将其分为四个区段：边界效应区、过渡区（包括主要和次要过渡区）和残余区。根据SWCC，划分0~5kPa 为边界效应区，饱和度大于92%，此时土体基本处于饱和状态，土体结构为气封闭，5kPa 为进气值；5~10000kPa 为过渡区，根据塑限和缩限的饱和度，又可细分为主要过渡区0~157.4kPa、饱和度为92%~49%，次要过渡区157.4~10000kPa、饱和度为49%~22%，此时土体结构为双开敞，基质吸力升高幅度大；10000kPa 以上为残余区，饱和度小于22%，此时土体结构为水封闭，基质吸力进一步增大。 2.2 直剪试验结果 每组抗剪强度参数确定由4 个试样的结果作出，库伦公式直线拟合度在0.99 以上。将含水量换算为基质吸力，直剪试验得到的抗剪强度参数与基质吸力的关系见图2、图3。 图2 内摩擦角与基质吸力的关系 由图2 可以看出：固结快剪与不固结快剪内摩擦角都随着基质吸力的增大而增大，在基质吸力较小时变化幅度