DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.03.027
含水率和固结压力对非饱和重塑湖泥力学性质的影响
曹平，欧可，韩东亚，张科
(中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083)
摘要：基于江西省城门山铜矿湖底采矿特殊的工程背景，研究湖泥在堆土固结后力学性质的变化规律及影响因素。进行6组不同含水率和4组前期固结压力下非饱和重塑湖泥的直剪试验，分析不同含水率和前期固结压力对重塑湖泥抗剪强度的影响。研究结果表明：在相同的前期固结压力下，在试验研究的含水率范围内，重塑湖泥的黏聚力和内摩擦角均随着含水率的增大而减小，且黏聚力和含水率之间基本呈负线性相关关系，拟合相关系数＞0.92，与其他含水率范围相比，重塑湖泥抗剪强度在含水率为18.62%~21.76%范围内受其变化影响更大；在相同的最终含水率下，重塑湖泥黏聚力随前期固结压力呈幂指数函数关系，而内摩擦角的变化由于存在突变，并无一定的变化规律；不同初始含水率的重塑湖泥在300 kPa和400 kPa固结压力下固结96 h后，最终含水率都接近于塑限(18.5%)，反算得到最佳湖泥填土高度为14 m。
关键词：直剪实验；重塑湖泥；抗剪强度；含水率；固结压力
中图分类号：TU411 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2016)03-0923-06
Effects of water content and consolidation pressure on mechanical properties of remolded unsaturated lake mud
CAO Ping, OU Ke, HAN Dongya, ZHANG Ke
(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: Based on the particular engineering background of mining from the bottom of lake at Chengmenshan Copper Mine in Jiangxi Province, the change law and influence factors of mechanical properties of lake mud after consolidation were studied. The direct shear tests with six groups of water content and four groups of consolidation pressure were conducted to study the effects of these two variables on the shear strength of remolded lake mud. The results show that the shear strength and the internal friction angles of remolded lake mud decrease with the increase of water content under the same consolidation pressure in the scope of experiment water content, and cohesion decreases linearly with water content in the rangeability of lake mud. Within the scope of 18.62%-21.76%, the water content affects the shear strength of lake mud greater than others. Under the condition of the same final water content, cohesion and previous consolidation pressure have the power exponential function relationship, but the variation of internal cohesion angles shows mutation, and there is no certain change rule. After consolidation of 96 h on different water contents of remolded soils with 300 kPa and 400 kPa, all of the final water contents are close to 18.5%, which is the plastic limit of the remold lake mud. The best height of soil slope is 14 m by back calculation, which can be used in engineering application for reference.
Key words: direct shear test; remolded lake mud; shear strength; water content; consolidation pressure
土的抗剪强度是反映其力学性质最重要的参数之一。在工程建设中，边坡稳定、挡土墙压力计算等都涉及土的抗剪强度，而抗剪强度主要受土体矿物成分、结构以及含水率的影响[1-5]。对于边坡而言，降雨、渗流等因素都将引起土体含水率的变化，进而导致土体抗剪强度减小，造成边坡失稳等现象[5-8]。近年来，为研究含水率对土体抗剪强度的影响，国内外学者开展了较多的试验和理论推导。COKCA等[9]分析了非饱和黏土的抗剪强度及基质吸力与含水率的关系，并通过试验探究了不同含水率对安卡拉黏土抗剪强度的影响；SADEK等[10]在研究不同含水率和正应力条件下的砂土剪切力学性质时发现，在一定含水率范围内，砂土越密、含水率越低，砂土抗剪强度越大；林鸿州等[11]以北京粉质黏土等3种土为研究对象，制备了6组初始含水率的试样并进行直剪试验，发现在一定含水率范围内，强度随含水量的增大而减小；李建中 等[12]采用单轴固结试验和三轴剪切试验对饱和、湿润、风干以及烘干的藤森黏土进行了应力-应变特性研究，分析了不同含水率黏土在不同试验条件下的应力-应变特性；凌华等[13]选择含水量代替吸力作为变量，研究了非饱和土强度随含水量的变化，建立了非饱和土的实用强度公式；汪东林等[14]从固结压力等5个方面研究了重塑非饱和黏土的土-水特征曲线的影响因素。以上研究成果主要运用非饱和土理论或试验方法分析含水率这个单一变量对非饱和土力学参数的影响，但对于不同含水率和逐级固结压力条件下非饱和重塑土的研究至今尚未成熟，仍需不断完善。为此，本文作者在综合分析前人关于不同条件与土体抗剪强度关系的试验研究的基础上，针对城门山湖泥边坡特殊的土质和工程条件，通过对不同含水率的重塑湖泥进行前期固结和直剪试验研究，分析重塑湖泥的力学特性及变化规律。
1 工程背景
城门山铜矿是江西铜业公司所属建设中的大型矿山，采区矿坑三面环湖，采区内湖泥面积为7 417万m2，占采区面积的45%。矿体埋藏浅，绝大部分位于湖水水位以下，湖泥厚15~30 m，适宜露采。后期拟在露采境界外缘堆土固结湖泥，并在约30 m深厚湖泥软基上拦水筑坝，而湖泥固结过程必将导致其含水率发生变化，因此，通过对不同含水率和固结压力下湖泥的物理、力学性质进行研究，选取合适的堆土高度和露采边坡角，具有重要的现实意义和经济价值。
2 试验土样和方案
2.1 试验土样的基本性质
研究所用土样取自露采终了境界内废石填埋的湖区，取土深度为6.5~37.4 m，按GBJ 145—1990“土的分类标准”[15]关于土的工程分类规定，试验用土属Q4低液限黏土(CL)。土料特征为：灰褐色，软塑，含水量高，非饱和，黏性大，可塑性强，主要由黏粒等组成；韧性低，切面较光滑。根据GB/T 50123—1999“土工试验方法标准”[16]的规定，采用轻型击实仪、密度计、液塑限联合仪等进行相关土物理、力学指标测定。湖泥的主要物理性质指标如表1所示。试验表明：所用湖泥最优含水率为20.2%，最大干密度为1.82 g/cm3，且颗粒级配良好，可用来作为试验研究用土。
2.2 试验方案
设计6组不同初始含水率的重塑湖泥，分别为20%，22%，24%，26%，28%和30%，对每组土样，通过大直径固结仪在固结压力为100，200，300和400 kPa下加载，固结成型，测定固结后土样的含水率。并通过直剪(快剪)试验测定抗剪强度，具体试验步骤如下。
1) 制备土样。制备给定干密度和含水率范围的扰动土样，土样为直径70 mm、高约100 mm的土柱。由于本文研究所采用的湖泥试样配制方法相同，因此，本次试验所用湖泥试样的制配均按以下方法进行：将现场所取土样进行烘干、碾碎、过1 mm筛后拌匀，充分破坏其固有结构，按配比量取相应质量的蒸馏水并用喷壶均匀喷洒于土样上，同时充分搅拌土样，从而配制成6种不同含水率的土样；土样配制后用双层塑料袋封装，置于恒温保湿箱内不少于48 h，以便土体内水分充分运移而混合均匀。要说明的是：在试验过程中，发现随着固结压力的不同，相同初始含水率的土样在不同固结压力下，固结后最终含水率会有所浮动，因此，以100 kPa固结压力下6组土样最终含水率为基准含水率，最后实测含水率分别为18.62%，19.78%，21.76%，23.59%，25.34%和27.21%。在不同固结压力作用下，要配制最终含水率最相近的重塑土，只能在配置初始含水率时，适当增加水的含量，这个过程需要多次试配。
2) 切取土样。用定制的特殊环刀切取土样。环刀刃口向下对准圆柱土样中心，慢慢垂直下压，边压边削切土样使土样成锥台形，直至土样伸出环刀顶面为止，将环刀两边余土削去修平，擦净环刀外壁。
3) 将上一步骤试验用土装入专门的加载设备中，在正向应力为100，200，300和400 kPa作用下固结稳定24 h，固结成型后按同一卸载比进行卸载。
4) 安装土壤并进行剪切。直接剪切试验在南京土壤仪器厂生产的 SDJ－1型应变控制式直剪仪上进行，试验方法为快剪法，竖向应力分别取100，200，300和400 kPa，试验控制剪切速率为0.8 mm/min，读取不同正向应力条件下量力环测微表读数，具体实验步骤按照GB/T 50123—1999“试验方法标准”[16]中直接剪切试验进行。依下式计算各级垂直压力下所测得破坏剪应力c：
式中：n为试样数；
为第i个试样所加的法向应力；
为第i个试样的抗剪强度；
为土的抗剪强度；C为测力计率定系数；R为测力计量表读数。用最小二乘法直接计算黏聚力和内摩擦角，据式(1)得到抗剪强度曲线方程：
。不同含水率时重塑湖泥抗剪强度见图1，试验重塑湖泥物理力学性质见表1。
图1 不同含水率时重塑湖泥抗剪强度包线
Fig. 1 Shear strengths of remolded lake mud samples with different water contents
表1 试验重塑湖泥物理力学性质
Table 1 Physical and mechanical properties of soil sample
3 试验结果分析
3.1 控制含水率的直剪试验结果分析
图2所示为不同含水率、不同预压下重塑湖泥的破坏剪应力与垂直压力之间的关系。通过线性回归，得出非饱和重塑湖泥的抗剪强度包线是1条直线。由图2可知：在最终含水率、前期固结压力都相同的条件下，在一定垂直压力作用下，重塑湖泥破坏剪应力呈线性增加趋势；在相同的最终含水率下，随着前期固结压力的增大，在相同垂直应力作用下重塑湖泥的破坏剪应力也逐渐增大；将前期固结压力从100 kPa增加至200 kPa与从300 kPa增加至400 kPa的固结过程相对比，发现前一固结过程抗剪强度增幅约为后者的2倍，表明固结压力增加至300 kPa后，再增加固结压力对土体抗剪强度增幅作用影响减小，并且随着最终含水率的增加，固结压力对破坏剪应力增幅作用越明显；前期固结压力增量越大，重塑土失水越多，而后期实验也表明无论前期固结压力多大，当最终含水率超过27.21%，土样在垂直应力为200 kPa时，土样立刻破坏，从直剪仪上、下剪切盒之间挤出，无法开展后期直剪试验，表明此时重塑湖泥抗剪强度急剧下降，湖泥的黏聚力几乎为0 kPa。
3.2 控制前期固结压力的直剪试验结果分析
在相同固结压力下，对重塑湖泥黏聚力与含水率之间的关系进行线性拟合，结果见图3。从图3可见：在试验研究的含水率范围内，不同前期固结压力下湖泥黏聚力和含水率之间基本呈负线性相关的关系，拟合相关系数＞0.92，具有较高可信度；而重塑湖泥的内摩擦角虽然并无此变化趋势，但也随含水率的增大而减小，且黏聚力减小的幅度较内摩擦角减小的幅度更加大，这说明含水率对黏聚力的影响更大；当前期固结压力为100 kPa且含水率ω较低如18.62%时，试样黏聚力是含水率为27.21%时的137倍，而当前期固结压力为400 kPa且当含水率ω较低如18.62%时，试样黏聚力是含水率为27.21%时的3倍。上述试验结果表明前期固结压力对改良湖泥力学性质具有决定性的作用，究其原因是在相同含水率下，随着前期固结压力的增大，土体压密排水作用越明显，进而导致重塑湖泥抵抗变形的能力增大[17]，结果见图4。从图4可以看出：在相同最终含水率下，黏聚力与前期固结压力呈幂指数函数变化趋势，且重塑湖泥在含水率为18.62%~21.76%范围内受含水率变化影响最大；随着含水率增大，重塑湖泥的黏聚力变化幅度减小，而内摩擦角的变化由于存在突变，并不呈一定的变化规律。分析含水率和固结压力对重塑湖泥破坏剪应力的影响，可用以下3种观点进行解释。
图2 重塑湖泥黏聚力和摩擦角随含水率变化
Fig. 2 Relationship between cohesion and internal friction angle of remolded lake mud under different water contents
图3 重塑湖泥黏聚力与摩擦角随前期固结压力变化关系
Fig. 3 Relationship among cohesion, internal friction angle of remolded lake mud and consolidation pressures
1) 水分的存在[18]。黏性土中含较多黏粒，黏粒含亲水矿物，黏性土含水率增大，结合水膜厚度增大，土颗粒之间的距离增大，黏聚力和内摩擦角减小。尤其在高含水率条件下，由于软化作用加强使得重塑湖泥结构强度急剧降低，从而导致湖泥抗剪强度大幅度降低。
2) 黏土颗粒-水-正负带电离子系统的相互作用形成了黏性土抗剪强度中的黏聚力[19]。黏聚力主要由静电引力、颗粒间胶结作用等组成。而由化学胶结所产生的黏聚力最显著，土体中水分可充当溶剂对胶结物质进行溶解。随着含水率增加，水分对胶结物质的溶解作用越来越强，土粒分子间的胶结作用被削弱，最终导致湖泥抗剪强度不断下降。
3) 在固结试验过程中也发现，预压固结时间对土的剪切强度有一定的影响，预压固结时间越长，土样产生的次固结越大，抗剪强度进一步得到提高。不同初始含水率的重塑湖泥在相同固结压力下，初始含水率越低，固结后含水率也越低，相同初始含水率的重塑湖泥在不同固结压力作用下，固结后含水率不同，但在300 kPa和400 kPa固结压力下固结96 h后，最终含水率都接近塑限(18.5%)。这说明固结压力并非越大越好，有1个临限固结压力，这为后期工程实践中确定湖泥填土高度提供了参考依据。
4 结论
1) 在相同的前期固结压力下，在试验研究的含水率范围内，重塑湖泥的黏聚力和内摩擦角均随含水率增大而减小，且黏聚力和含水率之间基本呈负线性相关关系。而内摩擦角无此变化规律。黏聚力减小幅度更明显，表明含水率对黏聚力的影响较内摩擦角更大。与其他含水率范围相比，重塑湖泥抗剪强度在含水率为18.62%~21.76%范围内受其变化影响最大。
2) 前期固结压力对改良湖泥力学性质具有决定性作用。在相同最终含水率下，黏聚力随前期固结压力增加而增大，并呈幂指数函数关系，而摩擦角的变化由于存在突变，并无一定的变化规律。前期固结压力的增量越大，重塑湖泥失水越多，但对重塑湖泥抗剪强度增幅作用影响减小。
3) 不同初始含水率的重塑湖泥在相同固结压力下，初始含水率越低，固结后含水率也越低，但在300 kPa和400 kPa固结压力下固结96 h后，最终含水率都接近塑限(18.5%)。这说明固结压力并非越大越好，有1个界限固结压力，如固结压力为300 kPa时反算得到的最佳湖泥填土高度为14 m，这为后期工程实践提供了参考依据。
4) 本文只进行了重塑湖泥抗剪强度的试验，对其他能反映土体性能的力学指标并未进行测量，且本文只针对湖泥这一特定的黏性土质进行了试验研究，其他土质是否具有相同规律有待进一步研究。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2015-01-10；修回日期：2015-03-20
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51174228，51274249)；国家博士点基金资助项目(20120162110009) (Projects(51174228, 51274249) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(20120162110009) supported by the National Doctoral Fund)
通信作者：曹平，教授，博士生导师，从事岩土工程理论、试验和数值计算研究；E-mail: pcao_csu@sina.com
