董倩，侯龍，趙寶云

(1. 重慶科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，重慶，401331；2. 重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶，400045；3. 美國科羅拉多礦業(yè)大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)部，美國 戈?duì)柕牵?0401)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，各地工程建設(shè)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，所面臨的非飽和土問題越來越多。而近年來有關(guān)非飽和土抗剪強(qiáng)度的理論研究取得了長足發(fā)展，其理論和方法為分析土的工程特性和變形穩(wěn)定提供了新途徑，但是已有的研究多是以非飽和黏土為對象，非飽和砂土和非飽和粉質(zhì)砂土方面的研究開展較少，對砂性土主要從應(yīng)力路徑、密度等方面進(jìn)行研究，忽視了吸力對其變形和強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。研究結(jié)果表明：當(dāng)砂土的含水率處于非飽和狀態(tài)時，水、氣和砂土三相共存于同一體系中，其抗剪強(qiáng)度規(guī)律完全不同于飽和時或干燥時的情形。Donald的砂土抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)指出[1?2]：當(dāng)含水率較高時，非飽和無黏性砂土的抗剪強(qiáng)度隨含水率降低、基質(zhì)吸力的增大而漸漸增大，當(dāng)含水率繼續(xù)下降到某一程度、基質(zhì)吸力超過相對應(yīng)的某一閥值時，抗剪強(qiáng)度開始隨基質(zhì)吸力的增大而減小。那么對于含有較大比例粉土和黏土、包含有粉粒組和細(xì)粒組的非飽和粉質(zhì)砂土，其抗剪強(qiáng)度是否也會隨含水率和吸力的變化呈現(xiàn)類似的變化規(guī)律，由此影響著相應(yīng)工程的安全性和可靠度呢？由于土的強(qiáng)度是土的一個重要力學(xué)性質(zhì)，涉及諸如擋土結(jié)構(gòu)物的土壓力，地基承載力，洞室和邊坡、滑坡的穩(wěn)定性等許多與土體強(qiáng)度有關(guān)的工程問題，并確保工程的合理設(shè)計和評價。而且在我國目前的工程建設(shè)中，非飽和粉質(zhì)砂土分布廣泛，大量出現(xiàn)在洞室、邊坡、堤壩以及人工開挖的坑、槽等工程實(shí)踐中，所以，深入開展非飽和粉質(zhì)砂土力學(xué)性質(zhì)的研究非常迫切，除理論意義外，還具有較大的工程實(shí)用價值。因此，本文作者將以非飽和粉質(zhì)砂土為研究對象，對其抗剪強(qiáng)度隨含水率和吸力的變化規(guī)律進(jìn)行研究和探討。

1 非飽和粉質(zhì)砂土的土?水特性分析

非飽和土不同于飽和土的本質(zhì)原因就在于基質(zhì)吸力的存在，基質(zhì)吸力是控制非飽和土抗剪強(qiáng)度的關(guān)鍵指標(biāo)，直接影響非飽和土的力學(xué)性質(zhì)。非飽和土的基質(zhì)吸力是隨著含水量的變化而變化，含水量和基質(zhì)吸力的關(guān)系曲線稱為土?水特征曲線(Soil?water characteristic curve，SWCC)，研究含水量對非飽和土力學(xué)性質(zhì)的影響，就是研究非飽和土力學(xué)性質(zhì)與基質(zhì)吸力以及土?水特征曲線的相互關(guān)系。因此，土?水特征曲線對于研究非飽和土的物理力學(xué)特性至關(guān)重要，只有首先分析非飽和粉質(zhì)砂土的土?水特性，通過土?水特征曲線并結(jié)合飽和土抗剪強(qiáng)度參數(shù)，才可達(dá)到直接或間接地預(yù)測非飽和土的抗剪強(qiáng)度的目標(biāo)[3?4]。

土?水特征曲線(SWCC)反映土體吸力與體積含水量、質(zhì)量含水量或飽和度之間的關(guān)系，是衡量土體持水能力的重要指標(biāo)。目前非飽和土的土?水特征曲線模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式通常采用對數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)或多項(xiàng)式函數(shù)等形式[2]，不同類型的土所得出的數(shù)學(xué)模型也不盡相同，其中Fredlund & Xing模型、van Genuchten模型與Hillel模型是比較常用的土?水特性曲線模型，根據(jù)已有研究表明，對于砂性土，van Genuchten模型的擬合程度好，比較適用[4?8]。van Genuchten模型是采用冪函數(shù)形式，表達(dá)式如下：

式中：α，n和m為非線性回歸系數(shù)，m=1?1/n；(ua?uw)為基質(zhì)吸力；θ為體積含水率；θs和θr分別為飽和含水率和殘余含水率。

1.1 試驗(yàn)用土基本物性指標(biāo)

為研究非飽和粉質(zhì)砂土的抗剪強(qiáng)度，選用了庫區(qū)某邊坡粉質(zhì)砂土作為試驗(yàn)土樣分析其土?水特性，土樣的基本物理性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)用土的基本物性參數(shù)Table 1 Basic physical properties of soils

1.2 土?水特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

土樣的土?水特性分析采用了壓力板儀試驗(yàn)法，通過試驗(yàn)得到的對應(yīng)土樣基質(zhì)吸力和含水率的數(shù)據(jù)如表2所示。然后以所得到的吸力值與相應(yīng)的含水率為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，依據(jù)van Genuchten模型進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合分析得到所研究土樣的土?水特征曲線(SWCC)，土樣土?水特征曲線如圖1所示，對應(yīng)van Genuchten模型參數(shù)為：n=2.1，θs=35.6%，θr=3.7%，α=0.248 kPa?1。

從研究所得的試驗(yàn)結(jié)果可以看到：粉質(zhì)砂土在常規(guī)含水量變化范圍內(nèi)所產(chǎn)生的基質(zhì)吸力較小，所以在下述強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究中考慮采用較小的吸力值作為控制吸力。

表2 試驗(yàn)所得土樣基質(zhì)吸力和含水率Table 2 Water content and matric suction of soils

圖1 土樣水?土特征曲線Fig.1 Soil?water characteristic curve of soils

2 控制吸力的直剪試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)為控制吸力的直剪試驗(yàn)，根據(jù)基質(zhì)吸力不同做了3組共12個試樣，控制吸力分別為0(即飽和土體)，5，10及 15 kPa，法向應(yīng)力分別為 120，250和380 kPa。為使得保持基質(zhì)吸力不變的條件下的進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置中用一密閉的玻璃罩扣住儲存土體的實(shí)驗(yàn)容器，玻璃罩上下兩端面連接導(dǎo)管，上面的導(dǎo)管可用于施加高壓氣體，下面的導(dǎo)管上安有閥門，并將該管與一置于電子天平上的儲水容器相接，對土體施加壓力氣體時，這樣就可通過電子天平上的讀數(shù)來判斷土體含水量是否趨于穩(wěn)定，從而確?；|(zhì)吸力不變。該試驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Test device schemes

另外，為最大程度上避免外界作用力作用對試驗(yàn)結(jié)果造成的不利影響，土樣剪切試驗(yàn)時通過控制剪切速率為0.03 mm/min，最大剪切位移為6.5 mm，來確保土樣含水量和基質(zhì)吸力在試驗(yàn)過程中保持恒定。

2.2 試驗(yàn)步驟

(1) 土樣下面墊上一高進(jìn)氣值陶瓷板，在真空儲水容器里使土樣飽和。

(2) 對土樣施加預(yù)定的垂直荷載，土樣達(dá)到穩(wěn)定壓縮狀態(tài)后，對密閉玻璃罩中的土樣施加預(yù)定壓力值的氮?dú)猓敝镣翗优潘Y(jié)束(一定時間段內(nèi)，電子天平讀數(shù)不再變化，就認(rèn)為排水結(jié)束)，此時土樣處于非飽和狀態(tài)，其基質(zhì)吸力在數(shù)值上就等于氣壓值。

(3) 關(guān)閉排水管閥門，對土樣施加水平剪切力，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(4) 采用新試樣，在不同垂直壓力和基質(zhì)吸力的條件下，重復(fù)上述步驟。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

所得的試驗(yàn)結(jié)果分別繪制于圖3和圖4中。圖3描述了不同基質(zhì)吸力時土樣的抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力的關(guān)系情況。由圖3可知：基質(zhì)吸力的存在，在總體上確實(shí)會使得粉質(zhì)砂土樣的抗剪強(qiáng)度得以增加，與飽和土相比，圖3中采用非飽和土所得的抗剪強(qiáng)度包線會產(chǎn)生較為明顯的上移，但上移的幅度不一，這是由于基質(zhì)吸力產(chǎn)生的強(qiáng)度貢獻(xiàn)不同所造成的，其中相應(yīng)于實(shí)驗(yàn)Ⅱ(基質(zhì)吸力為 5 kPa)的強(qiáng)度包線位于圖中最上方。若把4條強(qiáng)度包線均朝法向應(yīng)力為0的方向延長，直至與縱軸相交，則可得到不同吸力條件下，未被壓縮土樣的黏聚力，此時非飽和土樣的黏聚力也均大于土樣飽和時的黏聚力，基質(zhì)吸力為5 kPa時所對應(yīng)的黏聚力最大，約為57 kPa。

圖3 吸力不同時的土樣抗剪強(qiáng)度特性Fig.3 Shear strength properties of soil with different suctions

圖4描述了不同法向應(yīng)力條件下，土樣抗剪強(qiáng)度與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系形式。由圖4可知：圖中3條關(guān)系曲線均呈現(xiàn)出了土樣抗剪強(qiáng)度會在吸力不斷增加時，出現(xiàn)峰值的現(xiàn)象。對于曲線1和2而言(法向應(yīng)力分別為120和250 kPa的條件)，此峰值強(qiáng)度出現(xiàn)在吸力為5 kPa的時候，而曲線3(法向應(yīng)力為380 kPa)的強(qiáng)度峰值則會出現(xiàn)在吸力為10 kPa的時候。此后抗剪強(qiáng)度會隨著吸力增加而逐漸減小，這說明對于本實(shí)驗(yàn)所用土樣而言，基質(zhì)吸力的增加并不始終對土體強(qiáng)度產(chǎn)生正比例增加的影響。另外，曲線峰值點(diǎn)出現(xiàn)時所對應(yīng)的吸力不同，也說明了土樣所處的應(yīng)力環(huán)境(對單軸直剪實(shí)驗(yàn)而言，指的是對土樣所施加的法向應(yīng)力[9])不同時，基礎(chǔ)吸力對強(qiáng)度產(chǎn)生增大和減小的影響也將發(fā)生改變[10]。

圖4 法向應(yīng)力不同時的土樣抗剪強(qiáng)度特性Fig.4 Shear strength properties of soil with different direct stresses

3 抗剪強(qiáng)度特性機(jī)理分析

從上述試驗(yàn)可以看到：非飽和粉質(zhì)砂土在低含水率下存在某一閥值，當(dāng)基質(zhì)吸力小于該閥值時，隨基質(zhì)吸力的增大，抗剪強(qiáng)度增大；當(dāng)基質(zhì)吸力超過相對應(yīng)的某一閥值時，隨基質(zhì)吸力的增加抗剪強(qiáng)度開始減小，出現(xiàn)“峰值現(xiàn)象”。由于土體的微觀結(jié)構(gòu)決定著土體的賦水性能，為從微觀角度分析此現(xiàn)象出現(xiàn)的機(jī)理，把實(shí)驗(yàn)所用粉質(zhì)砂土制作成含水量分別為 30%(飽和度約為0.84)和20%(飽和度約為0.56)的薄層土樣，然后用可拍照式電子顯微鏡掃描拍照，為便于闡述最基本的規(guī)律、現(xiàn)象，將拍照得到的信息繪成了較為理想化的草圖，見圖5(a)和5(b)。

從土樣的微觀結(jié)構(gòu)可以看到非飽和狀態(tài)時的土體內(nèi)部會產(chǎn)生很多自由水體氣?液交界面和彎月形水膜，基質(zhì)吸力就是通過這些狀態(tài)的水膜影響著土體強(qiáng)度：隨著含水率降低，粉質(zhì)砂土由最初的飽和狀態(tài)過渡到非飽和狀態(tài)時，在非飽和粉質(zhì)砂土水、氣、土三相共存的體系內(nèi)，空氣氣泡將會變大并與顆粒表面搭接，粒間彎月形水膜開始出現(xiàn)并相互獨(dú)立，此時，彎月形水膜內(nèi)的水壓和水體外的大氣壓兩者之間壓力差形成基質(zhì)吸力(ua?uw)并逐步升高，而且由于基質(zhì)吸力的作用，非飽和粉質(zhì)砂土的抗剪強(qiáng)度逐步提高。而當(dāng)含水率再繼續(xù)降低到一定程度時，粒間彎月形水膜的含量將達(dá)到最高，形成最大程度的基質(zhì)吸力作用面積，提高非飽和粉質(zhì)砂土的抗剪強(qiáng)度，此時非飽和粉質(zhì)砂土抗剪強(qiáng)度達(dá)到峰值。之后，雖然隨含水率的進(jìn)一步降低，基質(zhì)吸力還將逐步提高，但由于含水率進(jìn)一步降低的同時，粒間彎月形水膜將出現(xiàn)收縮和崩解，導(dǎo)致基質(zhì)吸力作用面積減少，與基質(zhì)吸力提高形成兩個相互消長的因素影響著非飽和粉質(zhì)砂土的抗剪強(qiáng)度，而且當(dāng)含水率減小到一定程度時，基質(zhì)吸力增大的速度將會趨緩，而基質(zhì)吸力作用面積隨著彎月形水膜的收縮和崩解而減小的速度將會增加，從而上升為主導(dǎo)因素，導(dǎo)致非飽和粉質(zhì)砂土的抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)出隨含水率的降低和基質(zhì)吸力的增大而減小的現(xiàn)出，最終形成“峰值效應(yīng)”。

圖5 土樣微觀結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Microcosmic structure of soil samples

值得注意的是：其一，當(dāng)土體中粉粒含量的顯著增加，土體內(nèi)部力鏈的形成和相互作用力的傳遞逐漸為粉粒所控制時，砂粒被粉粒包圍于其中而成為懸浮顆粒，故其相互不接觸或接觸很少，對土體性狀的影響很小。所以，只有在一定組分范圍內(nèi)非飽和粉質(zhì)砂土才存在峰值現(xiàn)象；其二，隨著細(xì)粒的增加，非飽和粉質(zhì)砂土的持水能力顯著增強(qiáng)。因此，在相同含水量的情況下，對含有較多細(xì)粒組分的粉質(zhì)砂土和細(xì)粒組分較少的粉質(zhì)砂土的抗剪強(qiáng)度所產(chǎn)生的影響是存在差異的[11]。

4 結(jié)論

(1) 非飽和粉質(zhì)砂土的抗剪強(qiáng)度不但與基質(zhì)吸力大小有關(guān)，還與土顆粒間彎月形水膜的面積大小有關(guān)。

(2) 隨含水率的減少，基質(zhì)吸力作用面積隨土顆粒間彎月形水膜的變化經(jīng)歷以下過程：隨彎月形水膜開始出現(xiàn)并相互獨(dú)立，形成基質(zhì)吸力→彎月形水膜數(shù)量達(dá)到最高時，形成最大的基質(zhì)吸力作用面積→彎月形水膜收縮和崩解，導(dǎo)致基質(zhì)吸力作用面積減少。這個過程與基質(zhì)吸力隨含水率減小而逐步增大成為兩個相互消長的因素，在兩因素綜合作用下，非飽和粉質(zhì)砂土抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力不斷增大，出現(xiàn)“峰值效應(yīng)”。

(3) 雖然對于很多類土，基質(zhì)吸力會對土體抗剪強(qiáng)度做出積極貢獻(xiàn)，但這種情況并不是絕對存在于各類土體中。在工程實(shí)踐中，如果沒有考慮隨含水率變化基質(zhì)吸力作用面積的改變，結(jié)合具體情況確定非飽和土的抗剪強(qiáng)度，就有可能高估或低估土體抗剪強(qiáng)度，一但土體含水率發(fā)生變化，就有可能造成安全隱患。

(4) 試驗(yàn)結(jié)果表明同一種土在不同正應(yīng)力條件，基質(zhì)吸力對抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)也不盡相同，因此，為了正確地描述非飽和粉質(zhì)砂土的抗剪強(qiáng)度，在基質(zhì)吸力對抗剪強(qiáng)度影響方面必須考慮正應(yīng)力的影響。

(5) 隨細(xì)粒成分增加，非飽和粉質(zhì)砂土峰值現(xiàn)象將逐漸消失，細(xì)粒含量在什么范圍內(nèi)粉質(zhì)砂土存在峰值現(xiàn)象是個值得探討的問題。

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