闫芙蓉，胡雪源，崔 芳

(河南理工大学 土木工程学院， 河南 焦作 454000)

非饱和黄土抗剪强度特性试验研究

闫芙蓉，胡雪源，崔 芳

(河南理工大学 土木工程学院， 河南 焦作 454000)

为了研究黄土滑坡的发生机理及剪切破坏特征，用探井法在延安滑坡体取样，进行了室内控制吸力的固结排水剪切试验，本次试验共做了10组(Q3、古土壤各5组)。试验结果表明：两种黄土存在不同剪切破坏面，古土壤颗粒中由于黏粒含量比较高，所以没有明显的剪切面；而Q3黄土由于其大孔隙发育，结构疏松，没有黏滞性，所以剪切面上有擦痕，存在明显的剪切面；抗剪强度参数会随着实验过程中基质吸力的改变而改变，黏聚力随着基质吸力的增加而增加，二者为线性关系；而内摩擦角的变化很小，几乎不随吸力的改变而改变；随着含水率的增加，吸力和黏聚力均呈现下降趋势，吸力的减小降低了土颗粒之间的有效应力，从而使土的抗剪强度降低。

非饱和土；黄土；基质吸力；抗剪强度

土的两个重要的抗剪强度指标(黏聚力和内摩擦角)，作为最重要的基本力学参数,无论进行土坡稳定性分析、还是地基承载力评价都得到最广泛的应用。黄土是典型的非饱和土，早期研究土体力学是以饱和土的强度理论为基础(颗粒和水两相介质)，而非饱和土进入了气体介质，这就导致非饱和土的力学性状远比饱和土复杂。至今有很多研究人员对非饱和土进行研究，试图提出非饱和土的抗剪强度公式，但由于非饱和土的复杂性，其计算公式差强人意。关于非饱和土抗剪强度理论的研究，其中最具代表性的，主要可以分为两种Bishop和Fredlund的抗剪强度公式[1-2]。

1960年，Bishop等提出了非饱和土抗剪强度表达式：

τf=c′+[(σ-ua)+χ(ua-uw)]tanφ′

(1)

式中：c′为饱和土的有效黏聚力；ua为破坏时在破坏面上的孔隙气压力；uw为破坏时在破坏面上的孔隙水压力；σ为破坏时在破坏面上的法向总应力；φ′为与净法向应力(σ-ua)有关的内摩擦角；χ是经验系数，与土的类型有关，其值确定较为困难，需要考虑非饱和土的影响、应力路径以及土体的饱和度。因而使该公式的推广受到限制。

目前被广泛接受的，应用最多的是Fredlund的理论，认为非饱和土的抗剪强度可以用扩展的Mohr圆表示，其表达式为：

τ=c′+(σf-ua)ftanφ′+(ua-uw)ftanφb

(2)

式中：c′和φ′代表土体的有效黏聚力和有效内摩擦角，可以由饱和土的三轴试验中得出，其值并不受非饱和土中吸力的影响；(σf-ua)f为土体破坏时，其破坏面上的法向应力值；φb为随基质吸力变化的内摩擦角，即为因基质吸力增加而引起抗剪强度增加的曲线的倾角；(ua-uw)f为破坏时在破坏面上的基质吸力；第三项为吸力对强度的贡献。

为了研究黄土滑坡的发生机理及剪切破坏特征，用探井法在延安某一滑坡体中取样，进行了室内控制吸力的固结排水剪切试验，本次试验共做了10组(Q3黄土、古土壤各5组)。通过力学参数的变化来研究非饱和黄土的强度特性。

1 试验设备及方法

1.1 试验设备

研究非饱和黄土强度特性，可以进行室内三轴试验，也可以进行室内非饱和土直接剪切试验，由于非饱和土的渗透系数小，在三轴试验中达到破坏所需的时间可能特别长，而直剪试验因为试样的排水路径短，而且简单、实用、省时，所以特别适用于非饱和土[3-4]。鉴于此，在室内进行了非饱和土的直接剪切试验，试验所用仪器设备为江苏溧阳市永昌工程试验仪器设备有限公司生产的4FDJ-20型四联非饱和土直剪仪，法向压力为0～2 MPa，水平剪力为0～6 kN，剪切速率范围在0.0024 mm/min～1.2000 mm/min之间。

为了在试验中有效的量测和控制吸力，在直剪试验仪的剪切盒底部配备高进气值陶土板，控制进气压值为500 kPa。采用内径4 mm的尼龙管作为排水量测装置。在仪器上设置一个拉杆，然后将尼龙管和最小刻度为1 mm的钢尺一起附在拉杆上，通过钢尺刻度来观察水位的变化。当排水管中当水位对应钢尺刻度发生1 mm的变化时，其对应于水体积变化是0.012 cm3。

整个试验过程中由微机进行数据采集(见图1)，其采集试样数据的结果有土体的竖向位移和土体的水平位移，以及在试样上加载的竖向、水平应力。

图1 4FDJ-20型四联非饱和土直剪仪及数据采集处理系统

1.2 试验方案

试验用土取自延安方塔水库周边一滑坡体，探井取样，土样制备规格尺寸为⟩61.8×20 mm，面积A=30 cm2。本次试验共做了10组(Q3、古土壤各5组)共40个试样的控制吸力的固结排水剪切试验，试验中吸力分别控制为5个不同的定值(0 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa)，而后逐级加大轴向应力(50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa)，具体方案见表1。试验过程包括固结和剪切两个阶段，土样装入剪切盒后，先加基质吸力，这时候土样固结排水，待土样的排水及体积变化都达到稳定之后，然后施加轴向应力使土样继续固结，土样变形稳定以后再加横向剪切速率进行剪切。土样变形稳定的标准是：每2 h变形量不超过0.01 mm。

表1 试验研究方案

1.3 剪切速率的选择

非饱和土的抗剪强度试验一般说来应该是以相对较慢的速率进行的，以保证孔隙水压力的均匀消散，参照以往经验，剪切速率选择为0.0035 mm/min(一般为0.003 mm/min～0.004 mm/min之间)，直到出现剪应力峰值或剪切位移达10 mm时试验就可以停止。

2 试验结果整理

2.1 天然状态下的剪切破坏形式

图2为马兰黄土和古土壤剪切破坏后的图，从图2中可以看出，古土壤颗粒中由于黏粒含量比较高，存在显著的黏滞性，所以出现土颗粒呈现为被“拖拽”似的排列，没有明显的剪切面，而Q3黄土由于其大孔隙发育，结构疏松，没有黏滞性，所以剪切面上有擦痕，存在明显的剪切面。

图2天然状态下黄土的破坏形式

2.2 强度参数的确定

(1) 有效黏聚力c′和有效内摩擦角φ′的确定。根据实验数据整理出不同吸力条件下的剪应力-竖向应力关系曲线，近似线性关系，则直线在y轴上的截距为有效黏聚力c′，直线的倾角为有效内摩擦角φ′(见图3)。

图3关系曲线

(2)φb的确定。当吸力不同时，得到的抗剪强度也是不同的，过(0，c′)和(usi，τi)连线倾角可得吸力为usi时的φb。对于同一种土样，可以认为有效黏聚力的差别不大，近似为一常数，即c′不变。在同一种吸力情况下，可以通过(0，c′)和(us，c)这两个点的连线的倾角确定φb(见图4)。

图4c-us关系曲线

根据实验数据可以整理出五种吸力条件下的竖向应力和剪应力关系曲线(见图5)，从图5中可以看出，剪应力会随着竖向应力的增大而增大，二者近似为线性关系。利用最小二乘法线性拟合，得到不同吸力条件下的抗剪强度参数列表如表2所示。

图5 不同吸力条件下的剪应力-竖向应力关系曲线

2.3 含水率对强度参数的影响

由图6可以看出，随着含水率的增加，结合水膜的黏滞阻力减小，使得颗粒间的摩擦力随之降低，所以吸力和黏聚力均呈现下降趋势，吸力的下降降低了土颗粒之间的有效应力，从而使土的抗剪强度减小。内摩擦角受含水率的影响变化不是很大，从而可以看出，水对土体抗剪强度的影响主要是对黏聚力c值的影响。

图6强度参数随含水率的变化曲线

2.4 吸力对强度参数的影响

由饱和土抗剪强度公式τf=c′+(σ-uw)ftanφ′可以看出，饱和土的强度由有效黏聚力和颗粒间的摩擦力两部分组成。而从非饱和土的抗剪强度公式τ=c′+(σf-ua)ftanφ′+(ua-uw)ftanφb可以看出，其强度参数主要包括基质吸力、颗粒间摩擦力以及土体的效黏聚力。将两个公式进行对比，当吸力(ua-uw)为零时，两个公式表达一致。所以非饱和土的强度特性研究则主要是侧重于基质吸力对强度的影响。

另外，非饱和土抗剪强度公式τ=c′+(σf-ua)ftanφ′+(ua-uw)ftanφb

进一步可改写为：

τf=c+s′tgφ′

(3)

其中，c=c′+stgφb；s′=σ-ua；s=ua-uw

由上式可以看出，非饱和黄土的黏聚力c是由基质吸力引起的抗剪强度stgφb和饱和状态时的黏聚力c′两部分组成。黏聚力c′是黄土处于饱和状态时由颗粒间分子引力、黏土矿物颗粒的黏结力和水膜的物理化学作用所形成的。从吸力与黏聚力间的关系(见图7)中可以得到本次试验所用土的c′为3.46 kPa，这与文献[5-7]的研究结果比较吻合。φb说明抗剪强度随基质吸力的变化情况，从c=c′+stgφb可以得到其表达式为：

(4)

不同的s对应不同的c，由式子可以看出，φb不是一个常量，所以φb随s的改变而变化，这种结果与之前研究人员提出的试验结果是吻合的[8-10]。Schnellmann R等[11]试验证明土中吸力低于土的进气值时，φb=φ。当基质吸力超过某一吸力范围时，φb就不再是线性的，是一个变量[12-14]。摩擦力s′tgφ′只随接触面的法向应力而变化，随吸力变化不大，是由土颗粒接触面或颗粒与胶结物质接触面上的摩擦产生的。一般认为，黄土的强度受两种黏聚力所制约：(1) 原始黏结力，由颗粒间分子引力、黏土矿物颗粒的黏结和水膜的物理化学作用所形成的，原始黏结力不随外力的变化而变化，而与土的密度和含水率有关；(2) 加固黏聚力，由碳酸盐、石膏及其它包围在颗粒外部的盐类薄膜胶结而成的。

图7吸力对抗剪强度参数的影响分析曲线

由图7可以看出，在不变的轴向应力的作用下，并且在试验所设定的吸力大小中，黏聚力随着基质吸力的增加也有增加的趋势，内摩擦角则变化很小，几乎不变；由图7中吸力与黏聚力之间的关系曲线可以得到试验用黄土的吸力影响下的摩擦角φb为7.57°。吸力摩擦角是将基质吸力转换成系数来表达总吸力，表明抗剪强度随基质吸力变化而变化的情况，是随吸力变化的摩擦角。由此，试验结果在物理意义上得出，φb值有效的反映了在非饱和土中水和土两相介质之间的影响效应[15]。

2.5 古土壤强度参数的确定

参照马兰黄土，得到古土壤竖向应力和剪应力关系曲线(见图8)，同时得到不同吸力条件下的抗剪强度参数见表3。

图8古土壤竖向应力与剪应力关系曲线

由表3中的数据得到古土壤的吸力随黏聚力和内摩擦角的关系曲线见图9，抗剪强度随基质吸力的变化而增加，而内摩擦角变化很小，几乎不变。通过吸力和黏聚力之间的关系曲线得到古土壤的基质吸力影响下的内摩擦角φb为23.5°。

表3 古土壤抗剪强度参数

3 结 论

(1) 两种黄土存在不同剪切破坏面，古土壤颗粒中由于黏粒含量比较高，所以出现土颗粒呈现为被“拖拽”似的排列，没有明显的剪切面，而Q3黄土由于面上其大孔隙发育，结构疏松，没有黏滞性，所以剪切面上有擦痕，存在明显的剪切面。

(2) 不同吸力条件下的剪应力随着竖向应力的增大而增大，二者近似为线性关系。

(3) 在不变的轴向荷载作用下，且在试验所设置的吸力大小中，随着基质吸力的增加，土体黏聚力也随之增加，而内摩擦角只有很小的变化。

图9吸力与抗剪强度参数的关系曲线

(4) 随着含水率的增加，结合水膜的黏滞阻力减小，使得颗粒间的摩擦力随之降低，所以吸力和黏聚力均呈现下降趋势，吸力的减小降低了土颗粒之间的有效应力，从而使土的抗剪强度减少。

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ExperimentalStudyonShearStrengthCharacteristicsofUnsaturatedLoess

YAN Furong, HU Xueyuan, CUI Fang

(SchoolofCivilEngineering,He'nanPolytechnicUniversity,Jiaozuo,He'nan454000,China)

In order to analyze the mechanism of loess landslide and the shear failure features, we took samples by the exploratory method in Yan’an landslides, and carried out the indoor control suction consolidated drained shear tests. This test made 10 groups (Q3and paleosol each 5 groups) with a total of 40 samples. The test results showed that the two types of loess have different shear failure surface, and ancient soil particles due to high clay content. There is no apparent shear plane, But Q3loess for large pore development, loose structure, and no viscosity, there are obvious shear planes. Under the influence of a constant vertical stress, and within the scope of the test done by suction, with increasing matric suction increases, internal friction angle was almost unchanged and C value increased significantly. As the water content increases, viscous resistance combined with a water film is reduced, so that the friction between the particles decreases, and so the suction and cohesion show a downward trend, reducing the attraction of the effect between soil particles stress, and the shear strength of the soil is reduced.

unsaturatedsoil;loess;matricsuction;shearstrength

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.017

2017-05-12

2017-06-15

河南理工大学博士基金项目(72515/313)；深部矿井建设重点学科开放实验室基金项目(60705/001/013)

闫芙蓉(1975—)，女，陕西户县人，副教授，硕士生导师，主要从事土力学、基坑工程等方面的研究工作。

E-mail:yanfurong302@163.com

TU43

A

1672—1144(2017)05—0100—05