采用环剪仪对重塑黄土抗剪强度特性的研究

2022-10-28毕庆涛范肖肖董文萍

水利与建筑工程学报 2022年5期

毕庆涛，范肖肖，董文萍

(华北水利水电大学地球科学与工程学院, 河南郑州 450046)

土体对由外荷载所引起的剪应力的抵抗能力称为土的抗剪强度。土的抗剪强度是土的主要力学性质之一，也是土力学一直研究的一个重要课题。许多建筑物的地基以及边坡问题都与土的抗剪强度特性有关[1]。我国黄土分布范围广，集中分布在西北、华北一带。在我国的发展战略中，西部的发展是重中之重，在全新的发展思路和总体规划下，西部地区的基础设施建设和生态环境的保护，都与黄土有着非常紧密的联系[2]。因此，黄土抗剪强度特性的研究具有重要的实践意义。

测定土体剪切强度的方法有很多，环剪试验是其中一种方法。环剪仪的设计、构造以及试验功能都是独特的，环剪仪可以保持在连续的剪切位移下进行剪切试验，并且始终保持剪切面总面积不改变，由于环剪仪的独特优势，在土力学试验中，经常使用环剪仪进行连续剪切位移下的试验。通过使用环剪仪获得土体的抗剪强度和强度指标，可以为黄土地区的地质灾害的评价和治理提供直接有效的科学依据，有很重要的工程和实际研究意义[3]。对比分析单剪仪和直剪仪[4]，环剪仪可以在大剪切位移下进行试验，并且保持剪切时剪切面面积恒定不变，由此可见，环剪仪是获得土的残余强度参数的较好的试验设备[5]。Skempton[6]指出，在对土样进行较小剪切速率下的环剪试验时，剪应力-剪切位移曲线达到峰值之后，随着剪切位移的增加，剪切强度逐渐下降，并达到最小稳定值，该稳定值即为土体的残余强度。Hvorslev[7]认为，使用室内剪切仪器——环剪仪获取的土的残余强度效果最好。戴福初等[8]认为，相比直剪仪和其它剪切仪器，采用环剪仪获得土体的残余强度效果更好。

目前许多学者通过设置不同的试验条件对不同土体的残余强度进行研究。孙涛等[9]采用环剪仪来研究超固结饱和黏土在不同剪切速率下的抗剪强度特性，得出剪切速率和土样的峰值强度之间存在线性相关性-正相关性，残余强度和剪切速率之间的关系则不明显的结论。吴迪等[10]采用环剪仪来研究残积土的残余强度在不同含水率条件下的变化特征，研究发现含水率对残积土的抗剪强度影响较大。李文可[11]采用环剪仪，研究泾阳南塬黄土在不同法向应力和剪切速率下的抗剪强度特性，得出剪切速率越大，土样的抗剪强度越小的结论。许成顺等[12]采用环剪仪研究了不同塑性指数的饱和黏性土在不同试验条件下的剪切试验，重点给出了大变形条件下的抗剪强度指标随塑性指数的变化规律及实用公式。丁红丽等[13]采用HJ-1型环剪仪进行环剪试验，研究3个不同区域的黄土，其残余强度在4个不同影响因素(含水率、干密度、剪切速率及法向应力)下的变化规律，得出对黄土残余强度影响较大的因素是法向应力，而含水率、剪切速率、干密度对黄土的残余强度的影响程度依次递减。王炜等[14-15]通过使用环剪仪进行连续剪切位移下的试验，得出采用单级剪切方式获得的试验结果更好的结论。

本文在总结众多学者对土体抗剪强度研究的基础上，采用德国Wille Geotechnik公司生产的全自动静态环剪仪，对黄土进行连续剪切位移下的试验，研究重塑黄土在不同含水率、干密度、剪切速率条件下的抗剪强度及强度指标变化规律，为黄土地区的滑坡防治提供理论依据。

1 试验仪器及方案

1.1 试验土样

本次试验所用土样为山西太原的非饱和原状黄土。该黄土的基本物理性质指标见表1，试验土样的塑性指数10

表1 试验黄土基本物理性质指标

图1 试验黄土的颗粒级配曲线

1.2 试验仪器

环剪试验是环状试样沿着圆周方向进行的旋转剪切试验。试验时，试样剪切面的总面积大小不变，剪切位移保持连续且可以无限增大，与直剪试验测定土的残余强度相比，环剪仪可以有效克服剪切过程中剪切盒对试样的扰动干扰以及剪切面上应力分布不均匀的现象。试验过程中，上剪切盘不移动，下剪切盘以恒定的剪切速率匀速转动，在剪切力的作用下，试样出现剪切裂纹，这些裂纹逐渐贯通形成连续的剪切面，直到剪切破坏，破坏面在上下剪切盒分界处。

本次试验采用全自动静态环剪仪，该环剪仪与Bishop[16]环剪仪的内部结构构造和工作原理基本相同，如图2所示。仪器有法向加荷部件、上下剪切环、多孔环形板、高分辨率数据采集系统以及传感器等，通过数据采集系统得到土体的剪应力-剪切位移曲线，经过数据处理后，可得到土体的抗剪强度指标。本次试验剪切环尺寸选用100 mm/50 mm(外径100 mm，内径50 mm)。剪切后的试样如图3所示。

图2 全自动静态环剪仪

图3 试样剪切后的状态

1.3 试验方案

Skempton[17]指出，土的初始结构和应力历史对土的残余强度影响不大，此结论为采用重塑土样得到土的残余强度提供了理论依据。本次试验土样用重塑黄土制成。试验前先将黄土置于105°C下的烘干箱内烘干24 h以上；再把干燥后的土碾碎并过2 mm筛，用过完筛的黄土制成所需含水率状态的实心圆柱状土样，并用保鲜膜密封24 h；将配置好的圆柱状土样放入剪切仪器中，切去中间圆柱部分，即制成环剪试验所需的环状土样；最后，将装有土样的剪切盒移动到环剪仪上进行试验。根据剪应力随剪切位移变化曲线，当剪应力达到稳定值时，可停止试验。对不同含水率、不同干密度的试样在不同的法向应力及剪切速率条件下进行的单级剪切试验，具体试验方案见表2。

2 试验结果分析

2.1 剪切速率对重塑黄土试验结果的影响

通过环剪试验使土体发生剪切破坏，以此得到土体的剪应力-剪切位移曲线，该曲线出现的峰值点可确定为土体的峰值强度。曲线达到峰值点之后，随着剪切的继续，剪切强度逐渐下降，到达某一最小稳定值，该稳定值即为土体的残余强度。

剪切速率与残余强度的关系是比较复杂的[18]。本次试验选取3种不同的剪切速率来研究不同剪切速率下黄土的剪切强度变化特征，为确保试验结果的可靠性，以3组不同法向应力来进行平行环剪试验。如图4所示，相同试验条件下，试样的强度呈现出应变软化状态，剪切速率愈大，土样的峰值强度亦愈大，这一规律同现有结论是一致的。在3种不同的剪切速度下，土样的峰值强度在小范围内变化，残余强度则差别不大。

关于剪切速率对残余强度的影响结论目前是不一致的。在本次试验中，不同剪切速率的试样在相同条件下完成固结后开始剪切，在达到各自的残余强度时，残余强度数值相差很小，可认为土体的残余强度受剪切速率影响不明显。

2.2 含水率对重塑黄土试验结果的影响

图5是其它试验条件相同，含水率不同的试样在3组不同法向应力下的剪应力随剪切位移变化曲线。可以看出，在同一试验条件下，含水率愈大，土样的峰值强度和残余强度均愈小，且随着法向应力的增加，试样的抗剪强度随之增加。不同含水率下，土体结构的变化影响着土体的抗剪强度参数，同时，土体结构的变化也是残余强度降低的主要原因。

含水率的大小直接影响土的应变软化性。含水率较小时，试样应变软化现象不明显，推断是由于土样含水量不大时，试样本身较干燥密实，土颗粒之间的结合力较弱，土样进行剪切后，孔隙中存在的孔隙水变化不明显，因此，含水率低的试样没有出现明显的应变软化现象。在ω=15%、20%的情况下(σ=200 kPa、300 kPa、500 kPa)，试样均出现应变软化现象，推断认为是由于含水量的升高，土样表面附着的结合水膜变厚，且填充在土骨架间的孔隙水含量也随土样本身含水率的增加而增加，这些孔隙水向剪切面附近移动，致使土样中水分分布不均匀，水分不承受剪切应力，这部分孔隙水起到润滑和软化的作用，从而减少土颗粒间的摩擦，使土颗粒间的联结作用减弱，粒间阻力减小，破坏了土样的原有结构，最终使土体的剪切强度降低。因此，含水率高的土样表现出明显的应变软化现象。

图4 不同剪切速率下黄土剪应力-剪切位移关系曲线

2.3 干密度对重塑黄土试验结果的影响

图6表示其它试验条件相同，干密度不同时，重塑黄土的剪应力随剪切位移变化曲线。可以看出，峰值强度、残余强度同干密度之间存在正相关性。干密度大的土样其剪应力随剪切位移变化曲线的峰值点，即峰值强度越大，达到峰值强度的剪切位移越小，表现为曲线开始较陡，斜率较大，剪应力增长较快，密度大的试样表现出应变软化特性。当剪切继续进行时，试样的剪应力在很小的范围内浮动，逐渐达到稳定值。

图5 不同含水率下黄土剪应力-剪切位移关系曲线

存在于单位体积土体内的固体颗粒的数量称为土体的密实度，干密度是表示土体密实度的重要指标之一。土体中土颗粒含量越多，土就越密实，强度越高。干密度愈大，试样的峰值强度亦愈大，推断认为干密度大的土样，土体的压实性越大，土体的孔隙比越小，土颗粒之间相互靠近，进而土颗粒间的联结作用更强，在剪切试验中，破坏这种土颗粒之间的结合力需要的剪应力也就越大。干密度低的土样中，土体较疏松，气体和孔隙水填充在土颗粒之间，在进行试验时，土体先经历前期的固结过程被压实，而后在被剪切破坏，由于干密度小的土体其承载能力较弱，土体对由外荷载所引起的剪应力的抵抗能力也就越弱。因而，干密度愈小，土样的峰值强度愈小。