非饱和压实高液限红粘土抗剪强度与含水量的关系*

林丽萍， 贺建清， 罗 婉

(湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭 411201)

非饱和压实高液限红粘土抗剪强度与含水量的关系*

林丽萍， 贺建清*， 罗 婉

(湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭 411201)

为研究非饱和压实高液限红粘土的强度特性，通过控制基质吸力的非饱和三轴试验研究了基质吸力变化对非饱和土抗剪强度的影响.研究发现：Fredlund非饱和土强度公式适用于非饱和高液限红粘土，其总粘聚力随基质吸力的增加而增大，基质吸力对其内摩擦角影响甚微.基于一定应力状态下的土水特征试验，得到了非饱和压实高液限红粘土的土水特征曲线.研究结果表明：高液限红粘土具有较好的持水性能；在低基质吸力范围内，重力含水率与基质吸力呈指数关系，其关系表达式为：w=aebs.由重力含水率与基质吸力的关系式，推导出引入含水量的非饱和土抗剪强度公式，该公式由土层含水量确定强度，简单实用.

高液限红粘土；非饱和三轴试验；土水特征曲线；基质吸力；含水率

高液限红粘土作为路基填料难以压实，在高温暴晒下干缩，极易产生开裂，遇到水等自然因素作用，容易引发路堤边坡失稳、路面开裂、翻浆等多种工程病害，存在严重的工程隐患[1].在干旱半干旱及地下水深埋条件下，压实高液限红粘土常常处于非饱和状态，其抗剪强度指标强烈地依赖于含水量[2].因此，研究非饱和高液限红粘土抗剪强度与含水量的关系及变形性状，有利于指导高液限红粘土路基的设计与施工，预防和控制路基病害的发生.

现阶段主要的非饱和土强度公式，如Bishop有效应力强度公式[3]和Fredlund双应力变量强度公式[4]，均含有吸力项，它反映了吸力对强度的贡献.工程实际中，吸力的确定很不容易，控制吸力的非饱和土三轴试验费资耗时，现场测定土体基质吸力尤为困难，理论分析和数值计算涉及到现阶段仍不成熟而且比较复杂的非饱和土固结模型[5～7].由于吸力获取困难，将吸力作为变量的非饱和土强度公式未能得到广泛的实际运用.

实际工程中，土的含水量(或饱和度)非常容易确定.近年来有学者提出了通过土水特征曲线确定非饱和土的强度的实用方法[8].但这种方法没考虑土水特征曲线的诸多影响因素，特别是土体的应力状态[9～11].本文拟采用控制基质吸力的非饱和三轴固结排水试验研究非饱和高液限红粘土的强度特性，并结合一定应力状态下非饱和高液限红粘土的土水特征曲线，基于Fredlund非饱和强度理论推导出引入含水量的非饱和土强度公式.

1 非饱和土抗剪强度理论及土水特征曲线

1.1 非饱和抗剪强度理论

国内外有许多学者提出过不同的非饱和土抗剪强度理论.目前得到岩土工程界广泛认可的有两类.

一类是Bishop非饱和强度理论为代表的单应力状态变量强度理论.Bishop将有效应力原理引入到非饱和土力学中，提出了非饱和土有效应力强度公式：

τf=c′+(σn-ua)tanφ′+χ(ua-uw)tanφ′,

(1)

式中：c′、φ′分别为有效粘聚力和有效内摩擦角；(σn-ua)为净法向应力；(ua-uw)为基质吸力；χ为与土的饱和度有关的参数.

另一类是Fredlund的双变量公式：

τf=c′+(σn-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb,

(2)

式中：φb为吸力内摩擦角.

Fredlund非饱和土强度公式是饱和土抗剪强度公式的引申.与饱和土公式相比，该公式引入了净总应力差和基质吸力两个应力状态变量，并把φb吸力摩擦角作为强度指标.

1.2 土水特征曲线

土水特征曲线可用于计算描述非饱和土特性的不同参数，解决非饱和土的诸多问题，如土的抗剪强度、渗透系数、扩散系数等[12].土水特征曲线方程反映土中含水量与吸力的关系，体现了土的持水性能，具有实际的使用价值.方程中土中水的变化通常用含水量(重力含水量w、体积含水量θ或饱和度Sr来表示；土中吸力是基质吸力(也称为毛细压力(ua-uw))，也可以是总吸力.Fredlund典型土水特征曲线见图1[13].

2 控制基质吸力的非饱和三轴固结排水试验

2.1 试样制备

试验土样取于郴宁高速公路K206+924附近，其基本物理性质指标见表1.颗粒级配曲线见图2.

按《公路土工试验规程》[14]进行击实试验，得高液限红粘土的最大干密度ρdmax=1.60 g/cm3，最佳含水率wop=20.6%.

表1 原土物理力学指标

模拟现场施工工艺，按文献[15]要求，土风干后捣碎，过2.5 mm筛，加蒸馏水拌制成一定含水率的土料，闷料24 h后，测定其含水率，按0.9的压实度控制干密度，利用三瓣饱和器分5层击实制成高H=8 cm，直径D=3.91 cm的试样.为了克服层与层之间的分层现象，各层接触面上均经过刮毛处理.击完最后一层，取出试样称量.每个试样密度的平行误差都小于0.02 g/cm3.对制备好的试样测量其直径和高度.击实成形的试样装入饱和器后，将饱和器装入真空抽气设备内进行抽气，使其接近一个大气压后再抽气2 h，然后徐徐地注入蒸馏水，抽气饱和后静置6昼夜以上.

2.2 试验设备及试验方案

试验采用南京土壤仪器厂生产的TFB-1型非饱和土应力应变式三轴仪.该仪器采用轴平移技术，能对基质吸力进行量测，或将基质吸力维持于目标值.轴平移技术是非饱和三轴仪控制基质吸力的关键性技术，它有效地解决了基质吸力控制难和测量不精确的问题.为实现轴平移技术，在土样底部设置了高进气值陶土板.高进气值陶土板的特点是隔绝空气，允许液体通过.在陶土板下设置孔隙水压量测、控制系统，在土样顶部设置孔隙气压量测、控制系统就能分别对孔隙水压和孔隙气压进行控制和测量.

为确定高液限红粘土的非饱和强度参数，采用TFB-1非饱和三轴仪进行控制基质吸力的非饱和三轴固结排水试验，试验过程中控制基质吸力、围压与净围压，试验采用等应变剪切，剪切速率为0.008 mm/min.具体试验方案见表2.

表2 非饱和三轴试验方案

2.3 试验结果与分析

2.3.1 应力应变关系 按试验方案，此次非饱和三轴固结排水试验历时120 d，取得了一系列试验数据.图3为同一基质吸力不同净围压下的主应力差与轴向应变的关系曲线，图4为同一净围压不同基质吸力下的主应力差与轴向应变的关系曲线.

由图3可知，同一基质吸力下，围压对土的抗剪强度具有增强作用，高液限红粘土具有压硬性.当主应力差相同时，净围压越大，轴向应变越小，围压限制了试样的轴向变形.由图4发现，同一净围压下，轴向应变相同时，基质吸力越高，主应力差越大.

2.3.2 抗剪强度指标分析 基于土样主应力差与轴向应变的关系曲线，取曲线峰值或者轴向应变为15%时对应的主应力差为破坏应力差，画摩尔圆，并对不同围压的三个摩尔应力圆两两绘切线，找出6个切点.利用origin使用最小二乘法对6个切点进行线性拟合，得出图5所示非饱和高液限红粘土在不同基质吸力下的抗剪强度包线.

根据Fredlund非饱和土强度公式，总粘聚力即破坏包线在剪应力τ轴上的截距可设为c1，则

(3)

由式(3)可得其强度指标，见表3.

表3 不同基质吸力下的抗剪强度指标

由试验结果可知，高液限红粘土的强度可由Fredlund非饱和土强度公式确定：c′=19.55kPa，φ′=27.17°，φb=18.89°.

3 一定应力状态下的土水特征试验

按2.1节方法，制备、饱和试样.利用FTB-1型非饱和三轴仪在一定净围压下对饱和试样进行基质吸力控制，使其在相应基质吸力下脱湿，最终达到水土平衡，平衡条件参照文献[16]标准：试样排水量在2 h内小于0.012 cm3.通过烘干法测得试验后试样含水量，得基质吸力与含水量的对应关系，即土水特征曲线.具体试验方案见表4.

表4 非饱和三轴试验方案

通过试验，可得高液限红粘土在20 kPa净围压下低基质吸力范围内的土水特征曲线，其试验结果见表5，土水特征曲线见图7.由试验结果可以看出，土的基质吸力的大小取决于土的含水量，基质吸力影响了土的持水能力.高液限红粘土在低基质吸力下具有较高的含水量，证明高液限红粘土具有很好的持水性能，这使得高液限红粘土天然含水量较高.压实较好的高液限红粘土天然含水量可达34%以上.

表5 土水特征试验结果

受试验仪器精度的限制，本试验无法测得高液限红粘土的进气值，同时因高进气值陶土板的进气值为500 kPa，试验无法施加高于500 kPa的基质吸力，亦无法测得该土的残余含水量.因此，本试验无法得到完整的土水特征曲线.参照Fredlund[13]的典型土水特征曲线(图1)，重力含水率与基质吸力的关系见图7.

对图7中土的重力含水率与基质吸力的关系进行拟合，可得以下关系表达式：

w=aebs,

(4)

式中，s为基质吸力，s=ua-uw；a、b为常数：a=34.111，b=-0.000 6；拟合相关系数R2=0.958 1.由式(4)可知，重力含水率与基质吸力呈指数关系.

4 非饱和高液限红粘土抗剪强度的实用表达式

由于高液限红粘土具有很好的持水性能，郴宁高速公路沿线现场实际测定的天然含水率一般高于塑限，在26.1%～45.4%之间[17].因此，式(4)基本适用于现场工况.

由高液限红粘土重力含水率与基质吸力的关系式(4)及总粘聚力表达式(3)，可得到非饱和高液限红粘土实用化的总粘聚力表达式：

(5)

由式(5)、式(2)可得非饱和高液限红粘土抗剪强度实用化公式：

(6)

在实际操作中测量非饱和土的基质吸力并非易事，多数实验室无测量基质吸力设备，工程现场测定土体基质吸力尤为困难.但含水量的测定非常容易，钻孔取样后通过简单的烘干试验便可得到.因此，用式(6)确定非饱和高液限红粘土抗剪强度非常简单实用.

但是，影响非饱和土强度的因素很多，如土的种类、压实程度、温度、应力状态等，且受试验仪器的精度、试验方法的限制.建议在以后类似工程中，仿照本文方法，尽量模拟现场工况进行非饱和土三轴试验及土水特征试验，由试验结果建立非饱和土抗剪强度与含水量的关系式，以指导工程实践.

5 结 论

通过对非饱和高液限红粘土的强度特性及土水特征曲线的试验研究，可以得出如下结论：

(2) 在低基质吸力范围内，重力含水率与基质吸力呈指数关系，其关系表达式为：w=aebs.

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责任编辑：罗 联

Relationship between Shear Strength and Water Content for Unsaturated Compacted High Limit Laterite

LINLi-ping，HEJian-qing*，LUOWan

(School of Civil Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201 China)

In order to analyze the strength characteristics of unsaturated high liquid limit laterite, the effect of matrix suction on its strength was studied by unsaturated triaxial tests through controlling matrix suction. Studies show that Fredlund shear strength formula of unsaturated soil is suitable for unsaturated high liquid limit laterite, and the total cohesive force of high liquid limit laterite is bigger along with the increase of matrix suction, but matrix suction has trifling impact on its internal friction angle. The unsaturated triaxial apparatus was used for soil-water characteristic tests, and the soil-water characteristic curves under low confining pressure were obtained. The results of soil-water characteristic tests indicate that high liquid limit laterite has better water holding capacity, and the relation between water content and matrix suction can be expressed as follows:w=aebs.Basedontherelationbetweenwatercontentandmatrixsuction,thetotalstressstrengthformulaofunsaturatedsoilwasestablished.Thestrengthcanbeeasilydeterminedbytheaboveformulathroughmeasuringwatercontentofsoils,whichmakesthepresentedformulaconvenientandpractical.

high liquid limit laterite；unsaturated triaxial test；SWCC；matrix suction；water content

2015-03-20

2014年湖南科技大学研究生创新基金项目(S140009)

贺建清(1964— )，男，湖南 湘乡人，博士，教授.E-mail:hjqing2000@163.com

TU

A

1000-5900(2015)02-0061-08