重塑黃土強度及變形特性的試驗研究

王 輝 郭鳳芝

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司, 天津 300251)

黃土作為一種特殊土,除了具有一般土體的所有力學特征以外,還具有自身的特殊性[1]。近年來,重塑黃土的抗剪強度特性與變形特性的研究引起人們的廣泛關注。黃土本身作為建筑材料大量的用于工程之中，這些工程中所使用的黃土是重塑黃土。重塑黃土不同于原狀黃土,壓實作用使其改變了原有的結構和物理、力學狀態。因此，對于重塑黃土強度特性及變形規律研究的具有極其重要的作用.對指導工程勘察及工程實踐具有現實價值。

對黃土地區工程上影響較大的壓實黃土做了大量試驗,為了研究該地區重塑黃土的抗剪強度及變形特性,進行了針對不同含水量和不同干密度下的重塑黃土的直剪試驗,并對試驗結果進行了深入的分析，探討了不同狀態下重塑黃土的抗剪強度特性及變形特性。

1 試驗參數選取及分組情況

試驗土樣取自石太客運專線西段東凌井車站,直剪試驗采用南京土壤儀器廠SDJ-1型三速電動等應變直剪儀。試驗中重塑黃土控制干密度為1.60 g/cm3,含水率分別為7.2%、10.2%、11.4%、14.6%、17.2%的試樣,以及控制含水量為14.6%,干密度分別為1.40 g/cm3、1.50 g/cm3、1.60 g/cm3、1.70 g/cm3、1.78 g/cm3,直接以0.8 mm/min速度剪切,到剪切位移為6 mm時,結束試驗。其加荷等級為：50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa[2]。

2 重塑黃土的抗剪強度特性及變形特性分析

2.1 剪應力和剪切變形的關系

干密度為1.60 g/cm3不同含水量下的試驗結果表明，在土體含水量較小的情況下,剪應力與變形的關系曲線出現峰值,其中含水量越小表現出的峰值越明顯。隨著含水量的增加,其剪應力與變形關系曲線不再出現峰值。在小壓力、低含水量的條件下,重塑黃土的剪應力與剪切變形曲線出現峰值,在含水量為11.4%左右,其剪應力與剪切變形曲線分布在一個緊密的區間內,而較低含水量(w=7.2%)和較高含水量(w=17.2%)的剪應力與剪切變形曲線的分布則偏離這個緊密的區間。在高含水量、高壓力條件下,其剪應力與剪切變形曲線呈加工硬化型[3]。干密度較大的重塑黃土,在剪切變形較小時剪應力與剪切變形曲線呈線彈性關系,特別是含水量較低的試樣。在線彈性關系破壞后,曲線呈現出塑性變形特征,這一階段剪應力完全由重塑黃土摩擦作用形成。

當含水量為14.6%不同干密度條件下的試驗結果表明，在低干密度條件下，無論壓力多大,其剪應力與剪切變形曲線均呈加工硬化型；相反,在高干密度條件下、無論壓力多大,其剪應力與剪切變形曲線均呈加工軟化型。同時干密度越大的重塑黃土其峰值剪應力與破壞后的殘余剪應力的差值也越大。

2.2 剪應力和垂直變形的關系

通常人們認為土的變形是彈塑性的。其中,彈性變形源于土顆粒之間的彈性接觸變形,封閉氣泡或者可壓縮彈性流體的彈性變形等；而塑性變形主要源于顆粒間的相對運動和顆粒的破碎。土的剪脹變形一般是由于相互咬合的土顆粒間相對運動引起的,所以通常被歸入塑性變形。實際上,伴隨著剪脹常常發生由于土顆粒的相對滑動及轉動引起的爬升、翻滾,剪脹時剪應力使顆粒從低位能的穩定狀態轉變為高位能的不穩定狀態[4]。

土的剪脹性實質上是由于剪應力引起土顆粒間相互位置的變化,使其排列發生變化,加大顆粒間的孔隙,從而發生了體積變化。通過對試驗數據的分析得出,研究區重塑黃土在一定條件下會發生剪脹現象,并且剪脹現象的發生與重塑黃土的干密度、含水量、加載條件等有密切關系。

(1)含水量為14.6%不同干密度條件下的關系

試驗結果表明，在含水量一定的條件下,加載剪切過程中,干密度越大、垂直壓力越小的情況下,黃土越容易發生剪脹現象；在試驗中當垂直壓力為50 kPa,而干密度大于1.50 g/cm3時,重塑黃土即發生剪脹現象,并且剪脹起始點隨著干密度的增加而增加,隨著垂直壓力的增加而增加的趨勢,其具體變化情況見表1；當干密度大于1.70 g/cm3時,在各級垂直壓力下黃土均發生剪脹現象。一般而言,土剪脹時顆粒起動后對應著峰值強度,而剪脹穩定時對應著土的殘余強度,但試驗結果表明峰值強度點并未對應著剪脹起始點,而是在剪脹過程中出現的。

表1 含水量為w=14.6%不同干密度下剪脹起始點剪切位移 mm

(2)干密度為1.60 g/cm3不同含水量條件下的關系

試驗結果表明在干密度保持一定的條件下,加載剪切過程中,含水量較低(7.2%、10.2%、11.4%)的情況下重塑黃土均發生剪脹；在含水量為17.2%,垂直壓力為50 kPa時,重塑黃土才發生剪脹現象,在100 kPa、150 kPa、200 kPa壓力下發生剪縮,表明在含水量越大、垂直壓力越小的情況下重塑黃土才會發生剪脹。本試驗結果表明峰值強度點并未對應著剪脹起始點,而是在剪脹過程中出現的。

2.3 重塑黃土的抗剪強度與含水量及干密度的關系

(1)抗剪強度指標c、φ與含水量和干密度的關系[5]

從圖1中可以看出,含水量的變化對黃土的黏聚力和內摩擦角有較大的影響,隨著含水量的增加,黏聚力是減小的趨勢,而內摩擦角同樣也是逐漸減小的趨勢,只是存在個別不同變化點。但含水量的變化對內聚力的影響顯然要大于內摩擦角的影響。

圖1 黏聚力、內摩擦角與含水量w的關系

通過對黏聚力及含水量的關系曲線擬和(見圖2),可以擬合為指數函數,即,c=285.09e-0.180 3w。從其擬合關系式可以看出：黏聚力隨含水量的變化基本符合指數函數關系,而且擬和關系式的相關性較好,其相關系數為0.958 9。

圖2 黏聚力與含水量w的擬合關系

從圖3中可以看出,內摩擦角隨干密度變化其變化幅度較大,總體趨勢是隨著干密度增大而增大。但其內摩擦角的變化并不穩定,而是在某些條件下表現出了擺動性。

圖3 黏聚力、內摩擦角與干密度ρd的關系

通過對黏聚力及干密度的關系曲線擬合(見圖4),可以擬合為指數函數,即,c=0.219 7e2.912 1ρd。從其擬合關系式可以看出：黏聚力隨含水量的變化基本符合線性關系,而且擬和關系式的相關性較好,其相關系數為0.951 6。

圖4 黏聚力與干密度ρd的擬合關系

3 結論

該區域重塑黃土的抗剪強度及變形有著自身固有的特點,通過對重塑黃土在不同狀態下的直剪試驗的對比分析,得到該區域重塑黃土的抗剪強度特性及變形特性。根據其變化規律，得出如下的初步結論：

(1)由直剪試驗得到了在小壓力、低含水量的條件下,剪應力與剪切變形曲線才出現峰值,在含水量為11.4%左右,其剪應力與剪切變形曲線分布在一個緊密的區間內,而較低含水量(7.2%)和較高含水量(17.2%)的剪應力與剪切變形曲線的分布則偏離這個緊密的區間。

(2)對直剪試驗得到的應力與垂直變形的關系曲線進行分析，得到了重塑黃土的初始含水量越大、干密度越大、垂直壓力越小的條件下,在加載剪切時黃土越趨于發生剪脹現象；試驗結果同時也表明峰值強度點并未對應著剪脹起始點,而是在剪脹過程中出現的。

(3)重塑黃土的干密度ρd和含水量w對黏聚力c的影響的關系曲線可以用指數函數關系擬合,其擬合關系式分別為：c=285.09e-0.180 3w和c=0.219 7e2.912 1ρd,其相關性較好。 但由于土質和顆粒組成不同,式中的參數會有所不同。同時也為該地區工程施工中的壓實黃土的指標提供了一定的幫助[6]。

[1] 王永焱,林在貫.中國黃土的結構特征及物理力學性質[M].北京：科學出版社,1990

[2] 鐵道第一勘察設計院.TB10102—2004 鐵路工程土工試驗規程[S].北京：中國鐵道出版社,2004

[3] 黃文熙.土的工程性質[M].北京：中國水利水電出版社,1983

[4] 李廣信,郭瑞平.土的卸載體縮與可恢復剪脹[J].巖土工程學報,2000,22(2)：158-161

[5] 張 煒.黃土力學性質試驗中的若干問題[J].工程勘察，1995(6)

[6] 何春鋒.壓實黃土的工程性質及應用問題[D].西安：西北農林科技大學水利與建筑土程學院,2006