直剪试验下保山地区黏土抗剪强度分析

丁勇， 蒋玉， 起光磊， 赵兴泽， 刘兴灿， 李俊辉

（保山学院工程技术学院，云南 保山 678000）

0 引言

土作为一种工程材料，直接与建筑物或构筑物相连接，并且承受建筑物或构筑物传来的荷载，因此土体的稳定性十分重要。当土体受到荷载作用的时候，会产生抵抗荷载作用的能力，当荷载作用的能力超过土体最大的抵抗荷载作用的能力时，就会产生破坏。抵抗荷载作用产生的最大能力称为抗剪强度。

在实际的工程中，土体含水率对其抗剪强度有着巨大的影响，国内外的学者对此进行了大量的试验。张培培等［1］对不同含水率的红黏土进行抗剪强度试验，结果表明土体粘聚力随含水率的增大呈二次多项式形式减小，土体内摩擦角随含水率的增大呈幂函数形式降低；李海龙［2］则通过分别对高液塑限红黏土、低液塑限红黏土在不同含水率的情况下进行直剪试验，结果表明两种黏土发生的破坏方式是不同的，液塑限红黏土发生的是塑性破坏，高液塑限红黏土发生脆性破坏变为塑性破坏，且当含水率不断增加时，高液塑限红黏土的粘聚力变化趋势呈现的是单峰，而另外一种红黏土变化趋势呈现的是双峰，并且其粘聚力最大是出现在塑限含水率左右；王中文等［3］以广梧高速云浮段红粘土为试样进行试验，表明其抗剪强度在高含水率和低含水率相差较大其中粘聚力随含水率的增加，呈一阶指数衰减，内摩擦角随含水率的增加呈现分段函数的特征。

文中在综合分析前人研究的基础上，以云南省保山市东城区的黏土为试样，按照GB/T 50123-2019《土工试验方法标准》［4］，运用南京土壤仪器有限公司的ZJ型应变控制式直剪仪（四联剪）进行试验，通过南京土壤仪器有限公司土工试验数据采集处理系统进行数据采集以及Excel处理，对比分析得出原状土样的抗剪强度以及重塑土样的抗剪强度与含水率的关系。

1 试样制备与方案设计

1.1 试样制备与试验仪器

原状土样：依据《土工试验方法标准》将原状土样制备成环刀试样。

试验仪器：南京土壤仪器有限公司的ZJ型应变控制式直剪仪（四联剪）。

环刀：高2cm，直径6.18cm。

数控电动击实仪：电热鼓风干燥箱（温度保持在60℃～70℃）。

天平：量程200g。

其他：调土刀、凡士林、保鲜膜、毛巾、2mm直径筛子。

1.2 试验方案设计

试样取自云南省保山市东城区黏土，共取8个钻孔点样品进行试验，取土深度均为2.0～3.0m，原状土样按照GB/T 50123-2019《土工试验方法标准》制成环刀试样，每组制备4个。

重塑土样由天然土体削成片状（整块烘干磨碎困难）烘干磨碎，过2mm筛子后四分法取样（1500克为一份土样），按照20%、22.5%、25%、27.5%、30%、35%、40%、45%含水率进行试样配置，通过电动击实仪压实，分两次压实，每次压实15次，一共30次，制成环刀试样，分别在垂直压力为100、200、300、400kPa进行直剪试验，试验前称量计算各组换刀试样的密度，密度小的试样放置于垂直压力小的位置，得到试样破坏时的抗剪强度，通过Excel进行数据处理［5］，确定土样的抗剪强度。

2 试验数据分析

2.1 室内常规试验数据

依据《土工试验方法标准》，对黏土进行一系列的室内常规试验，得出该黏土的基本物理指标，试验的结果数据见表1。根据该土体的基本物理指标可知，该原状土是饱和状态下的粉质黏土。

表1 原状土样与重塑土样物理力学指标

2.2 原状土抗剪强度指标分析

由表1数据可知，含水率相当的条件下，原状土体抗剪强度相差幅度较大，其粘聚力C最大值是最小值的3.5倍之多，内摩擦角Φ值相对稳定，最大值是最小值的1.22倍，总体来看原状土内摩擦角较低时粘聚力相对较大，反之，内摩擦角较大时，粘聚力相对较小。说明该天然土体的抗剪强度指标具有不稳定性，离散性较大。

2.3 重塑土抗剪强度指标分析

由于该原状土在天然条件下，含水率基本不变的情况下，粘聚力C和内摩擦角Φ离散性很大，故在不同含水率条件下对其重塑土样进行直剪试验，以确定其重塑状态下的抗剪强度指标特性。土体重塑以后，含水率降低，其抗剪强度指标相对原状土，粘聚力整体上降幅较大，内摩擦角则有增加的趋势。

由图1重塑土中含水率与粘聚力、内摩擦角的关系可知，总体上看，随含水率的增加，粘聚力与内摩擦角都呈现出下降的趋势，但各自区段具有各自增减的特点，跳跃性较大。

图1 重塑土中含水率ω与粘聚力C、内摩擦角φ的关系曲线

（1）随着含水率的增加，内摩擦角曲线变化整体呈下降趋势，其中间区段较为跳跃，以波峰-波谷-波峰-波谷的形态出现，从上限29.21°下降到15.40°，总降幅为47.27%，且在含水率约为22.50%与30%时，出现两个比较明显的峰值拐点，从含水率30%到35%的增量看，内摩擦角的降幅为37.83%，可知在这段含水率变化区间，相当于占了总降幅的80.03%，起到了决定性的作用。

（2）对于粘聚力来说，整体上也同样呈现出下降的趋势，但其变化曲线较为陡峭，仅呈现一个波峰形态，下降幅度大于内摩擦角下降的幅度，从上限42.41kPa，下降到18.00kPa，总降幅为57.56%，相当于内摩擦角随含水率降幅的1.22倍。

（3）含水率在25%～27.5%之间范围内，粘聚力与内摩擦角呈现出对比性较强的波峰与波谷的形态，粘聚力出现波峰，与下限相差约为57.56%；内摩擦角出现了波谷，与上限相差约为31.53%。

具体分析可知：①含水率促使土体颗粒结构发生变化，导致粘聚力C值随含水率的增加而先增后减，当含水率在25%左右时，粘聚力达到最大值，当含水率逐渐增加，粘聚力的3个组成部分结构吸力、收缩膜张力、基质吸力都会变小，所以粘聚力迅速减小。粘聚力C在含水率27.5%～30%之间下降较快，减少了20%，主要因为此时土体内部的水分子与颗粒结合比较充分，形成稳定的结合关系，水主要以结合水的形式存在，当含水率增加时，土体内部颗粒之间的结合水膜破坏，此时水主要由结合水转变为自由水，粘聚力大幅减小，当含水率在30%～40%时，粘聚力基本保持不变，而含水率在40%～45%时，粘聚力发生下降；②含水率对该土体的的影响表现为：粘聚力和内摩擦角都随含水率的增加而呈现一种凹凸变化。内摩擦角Φ值在含水率为22.5%～30%之间呈现先减后增的趋势，最大值与最小值相差为29%；粘聚力C值在含水率为22.5%～30%之间呈现先增后减的趋势，最大值与最小值相差为25%。说明该土体在含水率为22.5%～30%之间，内摩擦角的变化程度稍微大于粘聚力的变化程度。土体颗粒结构发生了改变，颗粒表面的自由水含量增多，导致颗粒表面变得光滑，从而促使内摩擦角减小，在含水率增加到30%以后，产生了内摩擦角快速下降的趋势，且此时的含水率，接近于塑限，说明土体内摩擦角与塑限有关［6］。整体来看，当含水率增加时，土体不能保持原先的状态，由软塑逐渐转变为流塑甚至流动，导致内摩擦角减小。当含水率增加到35%之后，内摩擦角变化幅度不大，呈现稳定趋势。含水率在30%～45%之间，内摩擦角先减小后趋于稳定，而粘聚力则先趋于稳定后减小。说明土体抗剪强度指标在一定的含水率条件下，粘聚力和内摩擦角都呈现减小的趋势，主要是由于土亲水性强、透水性差、土中水分不易被挤出［7］。

2.4 不同含水率下重塑土体的抗剪强度包线

由图2可知在不同含水率条件下，土体呈现出随含水率增加，其抗剪强度降低的趋势，在同一含水率下，随着垂直压力的增加，土体抗剪强度总体呈现增加的趋势。在含水率为20%～30%之间，土体随着垂直压力的增加，相同垂直压力下两者的抗剪强度差值逐渐增加；在含水率为30%～45%之间，土体随着垂直压力的增加，其抗剪强度总体逐渐增加，但增幅较上一区间的增幅较小，结合表2可知，在垂直压力不变的情况下，该重塑土体在含水率为22.5%时，抗剪强度呈现出最大值，随着含水率的增加抗剪强度虽有部分突变，但总体趋势是逐渐削弱。

图2 不同含水率条件下抗剪强度与垂直压力关系曲线

在垂直压力为100～200kPa之间与300～400kPa之间，不同含水率条件下垂直压力与抗剪强度呈现出的线性形态比较明显，而在200～300kPa中间垂直压力区段，大部分曲线则呈现出非线性变化的形态。说明该土体的抗剪强度随垂直压力的增加具有明显的分段性，即在低高垂直压力的条件下线性拟合度比中垂直压力区段下拟合度较高。

3 结语

（1）该土体是一种高液限的有机质土，采用直剪试验下，同一含水率条件下原状土样的抗剪强度变化离散性大，具体表现为粘聚力C变化幅度较大，内摩擦角Φ变化略小。

（2）对于重塑土体来看，含水率对土体的抗剪强度有着明显的影响，表现为内摩擦角Φ和粘聚力C都随含水率的变化而变化，在含水率小于30%区段，粘聚力与内摩擦角呈现出反向变化，前者先增后减，后者先减后增；含水率大于30%区段，则呈现出同减趋势。总体上，粘聚力与内摩擦角对于含水率的多少较为敏感，粘聚力C变化幅度较大，内摩擦角Φ变化较小，说明该土体的抗剪强度主要是由粘聚力C来控制的。

（3）直剪试验下，该重塑粉质黏土的抗剪强度随垂直压力的增加具有明显的分段性，抗剪强度包线线性拟合度并不高，摩擦角Φ与粘聚力C随含水率的变化也具有一定跳跃性。