固结对黏性土抗剪强度的影响研究

肖 健 (江苏城乡建设职业学院 土木工程学院，江苏 常州 213147)

我国广泛分布着软黏土，随着我国经济的迅速发展，现代化建设的步伐不断加快，沿海地区是我国经济相对发达地区，许多大型工程（如高速公路、铁路、隧道、机场和码头等）不可避免建设在这些软黏土地基之上[1]。由于软黏土地基排水固结缓慢、稳定性差、沉降问题突出，在外荷作用下土体破坏表现出较大的突发性，给工程建设造成极大危害，因此必须要对软黏土的工程力学性状有一个全面和深入的认识。

土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力，是土体的重要力学特性之一。工程实践中，与土的抗剪强度直接相关的工程问题主要有三类：第一，是土作为建筑材料构成的土工构筑物的稳定性问题；第二，是土作为建筑物地基的承载力问题，如果建筑物下的地基土产生整体滑动或局部剪切破坏而导致较大的地基变形，都会造成上部结构的破坏或影响其正常使用。由此看来，土的抗剪强度是土力学中非常重要的内容之一，在很大程度上影响土体的性状，对其强度指标的研究也尤为重要。

经典土力学理论对土的抗剪强度研究主要是围绕饱和重塑土[2]。国内外学者围绕土的抗剪强度指标开展了大量的研究工作，主要集中重塑土在直剪切或三轴固结不排水试验[3-10]，但对原状土的抗剪强度指标的研究开展的比较少。本文中通过获取天然沉积土原状样，开展三轴固结和不固结不排水剪切试验，探索固结对天然沉积土抗剪强度及其指标的影响。

1 土样基本特性

试验所需的土样取自江苏省南京市马群、清莲、鱼嘴、宁句线、仙新路、天保街六处工程场地的原状土试样，首先将取回的土样按照土工试验方法标准GB/T 50123-2019进行室内试验，测定其基本物理指标，测得的数据如表1中所示。根据试验结果，绘制土的塑性图，如图1所示。从图中可以看出，试验获取的土样位于A线上方，B线左侧，依据土的工程分类标准，土样属于低液限黏性土。

土的基本物理指标 表1

图1 试验土样的塑性图

2 试验方案

试验的试样采用切土器平行制备，每组三轴原状样尺寸：直径为3.91 cm，高度为8 cm。运用TKA系全自动应力路径三轴仪分别进行固结不排水剪切与不固结不排水剪切试验。具体试验时，首先对土样进行反压饱和(围压210kPa，反压 200kPa)，待 B值(孔压系数)检测达到0.95后进行下阶段试验。不固结不排水剪切试验，在原状土试样不固结的情况下施加轴向力进行剪切，剪切过程中不排水；固结不排水剪切试验，在原状土试样固结施加围压和反压后，待孔隙水压力消散，试样固结完成后施加轴向压力进行剪切，剪切过程中不排水，剪切速率都设为0.073 mm/min。

3 试验结果分析

对原状土试样进行试验时，考虑试样之间存在误差，对相同区域的原状土试样进行12组重复试验，计算有效试验数据的平均值。图2为试样的孔隙比与初始含水率的关系图。由图可以看出，土样的孔隙比与初始含水率呈线性关系，随着初始含水率的增加试样的空隙比增大。土样在受竖向压力压缩过程中土样中的孔隙体积先被压缩，孔隙中的水和空气因受挤压排出，当试样的初始含水率降低时，孔隙比随之降低，图2所示含水率低的试样的孔隙比高于含水率高的试样的孔隙比。

图2 孔隙比与初始含水率关系图

图3、图4为试样固结不排水剪切试验与不固结不排水剪切试验得到的抗剪强度与初始含水率的关系曲线图，可看出不论试样在加载前是否固结，土样的抗剪强度都随着初始含水率的增加而减小，当初始含水率低于30%时，土样的抗剪强度随着含水率的减小而下降明显，此时土样含水率较低，土中孔隙相对较小，试样受压后土体内部主要表现为固体颗粒之间被压缩，土样被压缩得更密实，当试样受剪时抗剪强度更大。当土样初始含水率高于30%时，土样的抗剪强度随含水率的变化逐渐趋于平缓，原因是土样内部孔隙含水量较大，当土样受压后孔隙中的水分被压缩排出，这时土样主要表现为内部的水被排出而固体颗粒间的几乎没发生相对位移，土样抵抗变形的能力较小，抗剪强度相对较小。

图3 不固结不排水抗剪强度与含水率关系

图4 固结不排抗剪强度与含水率关系

为了分析抗剪强度指标与初始含水率的关系，根据试验结果绘制试样的应力莫尔圆得出试样的抗剪强度指标粘聚力与内摩擦角。固结不排水剪切试验得出的抗剪指标与试样初始含水率的关系如图5和图6，不固结不排水剪切试验得到的抗剪强度指标与试样初始含水率的关系如图7和图8。由图5和图7可看出，不固结不排水与固结不排水剪切试验试样的黏聚力都与土样的初始含水率线性相关，随着初始含水率的增加而减小。当土样处于同一初始含水率时，固结的土样中部分水和气体已经排除，未固结的土样在受力后比固结完成的土样更容易压缩，土样更紧密，因此不固结不排水剪切试验土样的黏聚力略高于固结不排水剪切的黏聚力，两者黏聚力的差值随着初始含水率的增加逐渐变小。原因是土样的液限不同，土样液限越大，黏土由可塑状态变成流塑状态的分界含水率越大，在低含水率下土颗粒的之间的胶结力没有达到被破坏的极限值，固体颗粒直接的咬合摩擦强度较大，可以抵抗外部变形，随着含水率逐渐接近分界含水率，胶结力逐渐降低，固结颗粒逐渐松散，导致土样的黏聚力逐渐接近。

图5 固结不排水黏聚力与含水率关系

图6 固结不排水内摩擦角与含水率关系

图7 不固结不排水黏聚力与含水率关系

图8 不固结不排水内摩擦角与含水率关系

图6和图8显示随着含水率的增加，不固结不排水和固结不排水剪切试验土样的内摩擦角随着含水率的增加而降低，但变化范围不大，在0-2kPa之间，可看出相同含水率时固结方式对土样的内摩擦角影响不大。

为了更好地分析不同土样的力学性状，Hong等人收集了世界各地共115种重塑土样的不排水强度（不固结不排水）数据发现，采用含水率与液限的比值(w/wL)作为归一化指标，将不同液限的不排水强度指标进行很好地归一化处理，w/wL被称为归一化含水率w*，表示为w*，如公式（1）。

为了进一步分析固结不排水和不固结不排水剪切对原状土抗剪强度特性的影响，采用归一化含水率w*的理论将本试样的抗剪强度指标数据归一化，得到土样归一化含水率w*与抗剪强度指标的关系，如图9～图12所示。

图9 固结不排水Ccu与w/wL关系

图10 固结不排水φcu与w/wL关系

图11 不固结不排水C与w/wL关系

图12 不固结不排水φcu与w/wL关系

由图9、图11可以看出，固结不排水与不固结不排水剪切试验试样的黏聚力都与归一化含水率w*呈多项式关系，且随着归一化含水率w*的增加黏聚力降低，当归一化含水率w*达到一定数值时土样的黏聚力逐渐接近，这是因为土的黏聚力主要受土颗粒之间的胶结力的影响，随着含水率的增加，颗粒之间的胶结力逐渐降低，使得黏聚力不断降低，当胶结力降低到极限值后，不再受含水率的影响，趋于稳定。由此可看出，无论何种方式排水剪切不同液限的土样的黏聚力都与含水率相关，含水率高的土样的黏聚力低。图10、图12中固结不排水和不固结不排水剪切土样的内摩擦角随着归一化含水率w*的增加线性减小，从图中数据可看出归一化含水率w*的增加对内摩擦角的影响不明显。综合分析随着土样含水率的增加，黏聚力与内摩擦均降低，黏聚力变化明显。已有的文献中表明，土的抗剪强度受黏聚力和内摩擦的影响，综合图9～图12可看出，土的抗剪强度随着归一化含水率w*的增加而降低。

4 结论

①原状黏性土样固结不排水剪切试验与不固结不排水剪切试验得到的抗剪强度变化趋势相同，都随土样初始含水率的增加而降低，30%含水率后抗剪强度变化逐渐接近。

②初始含水率相同的原状黏性土不论何种固结方式黏聚力和内摩擦角都随着含水率的增加而降低，液限越高黏聚力越大且随着含水率的增加两者的黏聚力逐渐接近。

③不同固结方式导致原状土抗剪强度指标与归一化含水率w*的关系存在差异，黏聚力与归一化含水率w*呈现线性关系，随着w*的增加不断降低。