张晴波，郑世华

（中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，上海 200120）

重塑淤泥质土抗剪强度主要影响因素

张晴波，郑世华*

（中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，上海 200120）

结合室内直接剪切、三轴剪切试验，探讨在不同剪切条件下含水率对重塑淤泥质土抗剪强度影响，结果表明重塑淤泥质土存在临界含水率，土体含水率小于临界含水率时，黏聚力随含水率增加而增加，土体含水率大于临界含水率时，黏聚力随含水率增加而逐渐减少，内摩擦角则随含水率增加而逐渐降低。引入黏聚力强度函数和内摩擦角强度函数，对重塑淤泥质土抗剪强度进行分析，得到了不同剪切条件下重塑淤泥质土的抗剪强度计算公式。

重塑淤泥质土；含水率；抗剪强度；剪切速率

0 引言

淤泥质土体广泛分布于我国东南沿海及内陆湖泊地区，对工程的设计与施工有着重要的影响。由于季节降雨量的变化，淤泥质土体抗剪强度随着季节而变化，对其上的建筑物、基础、高速公路、填土、隧道和堤岸的稳定性造成严重威胁[1-2]。因此，如何减轻这一系列问题就显得极其重要，其中确定土体抗剪强度是一个重要环节。

邵玉娴[3]基于室内重塑淤泥质土样，对不同含水量和干密度的试样进行了不同环境温度下的直剪试验，获得了南京地区重塑土非饱和抗剪强度与温度的关系。黄志全[4]以郑州新区淤泥质土样为研究对象，在室内对原状土样、部分重塑土样、完全重塑土样进行不固结不排水实验，研究了土体结构性对淤泥质土样抗剪强度的影响。张晴波[5]采用直接剪切试验、三 轴剪切试验研究含水率对非饱和土抗剪强度影响，拟合出了计算非饱和土抗剪强度计算公式。

然而这些公式主要停留在实验室阶段，主要研究结构性及含水率对土体抗剪强度的影响，而忽略了实验中剪切条件变化对土体抗剪强度的影响。本文按照不同剪切条件下不同含水率土体进行剪切试验，得到重塑淤泥质土抗剪强度指标，对试验结果进行分析和研究，总结出考虑剪切速率、含水率因素的重塑淤泥质土抗剪强度计算公式，对实际工程具有一定指导意义。

1 剪切试验

1.1 试样分析

为了研究含水率对重塑淤泥质土抗剪强度的影响，试验中将影响土体抗剪强度的其他因素如干密度、液限、塑限等均设定为相同。试验用土取自武汉某湖泊疏浚干化土，土体物理性质指标如表 1 所示。本次试验的含水率控制在 0~wL。

表1 土体基本性质参数Table 1 Basic property parametersof soil

1.2 直接剪切试验

根据不同含水率土体的力学性状不同，将整个含水率分成 3 个区间，即 0~wp/2、wp/2~wL10、wL10~wL17。

图 1 为含水率 27.8%土样在 100 kPa 垂直压力下，不同剪切速率下的应力-应变关系曲线。通过直接剪切试验得到不同含水率重塑淤泥质土抗剪强度指标见表2。

图1 不同剪切速率土体应力-应变曲线Fig.1 Curve of stress-strain under different shear rate

表2 不同剪切状态下土体抗剪强度Table2 Soilshear strengthunder differentshear condition

由试验结果可知，对于同一土样的直接剪切试验，剪切速率越快，黏聚力越大，内摩擦角变化较小，这是因为在冲击荷载下，土体的黏聚力强度一般有所提高，应变速率提高一个数量级，强度提高 10%左右。剪切速率越快，剪切过程中产生的孔隙水压力也就越大，水分会对土颗粒之间产生润滑作用，颗粒之间的锁嵌作用就越弱，土体的内摩擦角相应的减小。

含水率对土体抗剪强度影响较大，当含水率较小时黏聚力随着含水率增加而增加，当含水率大于临界含水率时黏聚力随着含水率增加而减小。这是因为土的黏聚力主要来源于土粒间的相互吸引、水膜联结及颗粒间的胶结等，其中土颗粒间的水膜联结和胶结作用对黏聚力的产生具有重要的影响，因而土的黏聚力随着含水率的不同变化较大。含水率较小时，颗粒间排布紧密，粒间斥力较大，水膜连接作用较弱，土体主要表现为摩擦特性；随着含水率的增大，水膜联结力逐渐增强，颗粒间引力逐渐增大，土体黏聚力得到发挥，当含水率在塑限附近时，土体黏聚力达到峰值；随着含水率进一步增大，颗粒间出现自由水，粒间胶结矿物逐渐溶解，颗粒胶结作用逐渐丧失[6]，土体黏聚力逐渐减小，直至完全丧失。

1.3 三轴剪切试验

三轴试验采用不固结不排水试验（UU）和固结不排水剪试验（CU），其他条件和直剪试验相同。三轴剪切试验过程中，轴向应变达到 15%则认为试样已经剪坏。采用含水率为 10.9%、18.9%、50.2%土样分别进行 UU、CU 试验，其中含水率18.9%土样的主应力差-轴向应变关系曲线见图 2。通过三轴试验得到重塑淤泥质土抗剪强度指标见表3。

由表3可知在不固结不排水剪试验过程中黏聚力随着含水率变化为先增大后减小，内摩擦角基本不变，黏聚力可较为真实反映土体抗剪强度指标。在固结不排水剪试验过程中黏聚力随含水率变化较小，内摩擦角随着含水率增大而减小，内摩擦角可较为直实反映土体抗剪强度指标。

2 试验结果分析

2.1 黏聚力发展规律

根据不同剪切条件下土样抗剪强度试验结果，得到不同的剪切速率土体黏聚力随含水率的变化规律如图3所示。从图中可以看出，土体的黏聚力随含水率的增加而增加，在达到塑限附近黏聚力到达最大值，随后随含水率的增加迅速减小，无限接近于0，土体存在一个临界含水率。

图2 主应力差-应变曲线Fig.2 Curve of principal stressd ifferencew ith strain

表3 三轴试验抗剪强度指标Table3 Soilshear strength of triaxial test

引入黏聚力强度函数 fc，即黏聚力/含水率，对上述实验结果进行归一化处理。从图4中可以看出，黏聚力强度函数与含水率关系可采用分段函数进行描述，拟合公式如式（1）、（2）所示。

式中：fc为黏聚力强度函数，无量纲；a，b，c，d、e 为参数，拟合得到： a=180v+2 103，b= 105v-110，c=2.7v+12.3，d=2.3，e=5.4v+ 18.2；v 为剪切速率。

图3 不同的剪切速率土体黏聚力和含水率关系图Fig.3 The soil cohesion againstwater contentvarying w ith shear rate

图4 不同的剪切速率土体黏聚力强度函数和含水率关系曲线Fig.4 Thesoil cohesion intensity function againstwater contentvarying w ith shear rate

2.2 内摩擦角变化规律

根据不同剪切条件下土样抗剪强度试验结果，得到土体的内摩擦角随剪切速率的变化规律图，如图5所示。从图中可以看出，土体的内摩擦角随含水率的增加而减小。

图5 不同的剪切速率土体内摩擦角和含水率关系图Fig.5 The soilinternal friction angle againstwater content varying w ith shear rate

引入内摩擦角强度函数 fφ，即内摩擦角/含水率，对上述实验结果进行归一化处理。从图6中可以看出，黏聚力强度函数与含水率关系可采用指数函数进行描述，拟合公式如式（3）所示：

fφ=gwh+i （3）

式中：fφ为内摩擦角强度函数，无量纲；g，h 和 i为参数，拟合得到 g=-12.6v+67.5，h=-0.82，i=17.5v-101.4；v 为剪切速率。

图6 不同的剪切速率内摩擦角强度函数与含水率的关系曲线Fig.6 The soilinternal friction angle intensity function againstwater contentvaryingwith shear rate

根据上述拟合公式，将参数 a，b，c，d，e，g，h，i分别代入式（1）、（2）、（3），可得黏聚力和内摩擦角计算公式，如式（4）、（5）、（6）所示。

3 结语

1） 重塑淤泥质土存在临界含水率，当土体含水率小于临界含水率时，黏聚力随含水率增加而增加，土体含水率大于临界含水率时，黏聚力随含水率增加而逐渐减少，内摩擦角则随含水率增加而逐渐降低。

2） 当含水率 wwp时，黏聚力强度函数 fc与含水率 w 呈指数关系。内摩擦角强度函数 fφ与含水率 w 呈指数关系。

3） 采用归一化处理方式得到了重塑淤泥质土的黏聚力和内摩擦角随含水率、剪切速率的变化规律，并给出了相应的计算公式。在实际工程中针对类似土体（如基坑降水、土方回填等），就可以根据含水量变化情况、相应的试验条件确定其抗剪强度指标，具有一定的工程指导意义。

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M ain influence factors for shear strength of rem olded mucky soil

ZHANGQing-bo,ZHENGShi-hua*
（CCCCNationalEngineeringResearch CenterofDredging Technology and EquipmentCo.,Ltd.,shanghai200120,China）

Based on direct shear and triaxial test,we investigated the influence of different shear condition on the shear strength induced by water content for remoldedmucky soil.The results show that the criteria water contentexists in the remolded mucky soil.When the water content is smaller than the criteria water content,the cohesion is increasing with water content.A decrease isobserved once the water content is larger than the criteriawater content.However,the friction angle always decreases with water content.Introduction of cohesion and internal friction angle intensity function,a dimensionlessmethod for the shear strength of remolded sludgewas accepted,which obtains the shear strength formula of remolded mucky soilunder differentshear condition.

remoldedmucky soil;water content;shear strength;shear rate

U655.54

A

2095-7874（2014）10-0017-04

10.7640/zggw js201410005

2014-08-22

张晴波 （1972 — ），男，江苏靖江人，硕士，高级工程师，副经理，总工程师，港口与航道工程专业。* 通讯作者：郑世华，E-mail：zshhu1002@163.com