含水率對非飽和原狀黃土強度的影響

張寧寧，駱亞生，沙 磊

（1.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌712100；2.中國石油長慶油田分公司 第五采氣廠，內蒙古 烏審旗017312）

黃土在世界范圍內分布廣泛，分布總面積約為1 300km2，占陸地面積的9.3%，黃土地區地下水位一般埋藏較深，因此黃土多處于非飽和狀態。非飽和狀態的土質地疏松，孔隙大，垂直節理發育，可溶鹽含量高，具有濕陷性［1］，然而隨著黃土中含水率的增加，其強度與穩定性都逐漸降低，從而給黃土地區的工程建設帶來隱患。因此，合理、全面地掌握非飽和黃土的工程性質，特別是研究非飽和黃土變形和強度隨含水率變化的規律，對工程建設具有重要的意義與參考價值。

許多工程結構在長度方向斷面形狀不變，荷載情況也不變，如路堤、河堤、土石壩、擋土墻、地下隧道、碼頭駁岸、機場跑道等，土體的應力變形狀態為平面應變問題［2］。采用平面應變試驗進行土體變形和強度的研究要比常規三軸試驗更符合土體實際受力狀態，所得的強度也更加接近土體的實際強度。朱思哲等［3］采用平面應變試驗和常規三軸試驗測得同一種土的強度，試驗結果表明平面應變下土體的強度要比常規三軸下的強度要高出30%左右。目前有許多學者對平面應變條件下的不同材料進行了試驗研究，其結果均證明平面應變對材料的影響是不可忽視的［4－10］。

本文對陜西子洲原狀非飽和黃土進行了平面應變試驗，探究了不同含水率下原狀非飽和黃土的變形和強度特性，為實際工程提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

土樣取自陜西省子洲縣距“3·10”滑坡現場不遠處某坡體斷面。取土深度3m左右，屬晚更新世Q3黃土，天然含水率7.0%，天然干密度1.45g／cm3，顆粒相對密度2.70，輕型擊實試驗測得最優含水率16.2%，最大干密度1.70g／cm3，該土樣物理性質指標見表1。

表1 黃土土樣的物理性質指標

1.2 試驗裝置

對日本谷騰機械工業株式會社生產的TS-526真三軸儀進行了改造，用有機玻璃替換真三軸儀壓力室的中主應力剛性加壓部件，使得該中主應力加壓面為零應變面，試樣受力狀況如圖1所示。為了在試驗過程中能夠測試非飽和黃土的孔隙氣壓力和孔隙水壓力，在原真三軸室的試樣冒上安裝上了管路并在管路末端安裝了孔隙氣壓力傳感器；用嵌有陶土板的底座替換了原真三軸室的底座，并在底部安裝有孔隙水壓力傳感器；其孔隙氣壓力與孔隙水壓力裝置圖如圖2所示。

圖1 三軸試驗土樣受力狀況（σ為圍壓）

圖2 傳感器示意圖

1.3 試驗制備與試驗方法

（1）試樣制備。試樣制備依據《土工試驗規程》規定的步驟進行，將取回來的大塊土樣，先用削土刀將土塊削成110mm×110mm×50mm的小塊，分土時要注意土塊的原位上下方向，再將土樣迅速削成試驗所需尺寸88.9mm×88.9mm×35.56mm，并在制樣過程中所有試樣的干密度保持一致，其值為1.45g／cm3，試樣制備完成后測量試樣尺寸，其誤差不能超過0.1mm，并稱其質量，若二者之一不能滿足，則該土樣作廢。根據試驗所需的含水率w10%，13%，16%，21%，24%，27%，用水膜轉移法配制不同含水率的試樣，其試樣含水率誤差不能超過1%，否則重新配制。

（2）試驗方法。試驗中采用初始固結圍壓σc分別為50，100，200kPa來模擬土體原位時的應力狀態。根據試驗目的，試驗結束的條件是控制軸向應變達到試樣固結后高度的16%～20%，過程中還要兼顧量力環的最大量程，即量力環變形不超過2.5mm，但是在強度特性分析過程中，考慮到土樣的應力—應變曲線皆為硬化性曲線，所以選擇軸向應變為15%作為破壞條件。

根據Roscoe平面內應力定義，作以下約定：偏應力q＝0.5（σ1－σ3），體應變εv＝（ε1＋ε3）［11］。式中：ε1——試樣的軸向應變（%）；ε3——試樣的側向應變（%）。

2 結果與分析

2.1 不同含水率下非飽和黃土的應力應變曲線特性

不同含水率在圍壓σ3＝50kPa下的偏應力與軸向應變的關系曲線如圖3所示，以及圍壓σ3＝50kPa下的偏應力與體應變的關系曲線如圖4所示。

（1）由圖3可以看出，土體的偏應力與軸向應變的關系曲線均表現為硬化或者強硬化型，在剪切初期，剪應力增加很快但變形發展較慢，曲線較陡；隨著軸向應變的繼續增加，土體剪切應力也隨之增加，曲線的斜率變緩。含水率（w）對偏應力的影響規律較為明顯，表現為隨著含水率的增加達到同一軸向變形所需的偏應力值越小；在圍壓為σ3＝100kPa，σ3＝200kPa，土樣含水率從10%變化到21%時，其含水率對土體強度的影響不明顯，達到同一軸向應變時所需的偏應力沒有明顯變化，而在含水率為24%，27%時，土樣的強度顯著減少，規律性較好。為了便于觀察將不同含水率下土樣破壞時的偏應力值列于表2中。

圖3 偏應力與軸向應變ε的關系曲線

表2 破壞偏應力與含水率關系

（2）由圖4可以看出，土體的偏應力與體應變的關系曲線存在明顯的拐點，拐點之前土體表現為壓縮，拐點之后土體則表現為剪脹。在圍壓σ3＝50kPa下，隨著含水率從13%增加到21%，曲線出現拐點的趨勢越來越早，即隨含水率增大，土體越容易向兩側膨脹擠出。為更直觀地看到含水率對曲線拐點出現早晚的變化規律，將不同圍壓下曲線拐點處所對應的體積應變值和偏應力列在同一表中（表3）。在σ3＝50kPa，σ3＝100kPa時，隨著含水率的增加，拐點處的體積應變值在含水率小于21%之前呈現減小趨勢，而在含水率為24%時曲線拐點的體積應變值增大，當含水率為27%時土樣的壓縮量減小；在σ3＝200kPa時，土樣的壓縮量隨著含水率的增加略呈上升趨勢，在含水率為27%時土樣的壓縮量顯著降低，而相應的偏應力隨含水率的增加呈下降趨勢。

圖4 偏應力與體應變關系曲線（σ3＝50kPa）

表3 土體剪脹時含水率、偏應力、體變之間的關系

2.2 原狀非飽和黃土的抗剪強度

不同含水率下原狀非飽和黃土的工程特性參數如表4所示。

表4 非飽和黃土的工程特性參數

從表4可以看出，非飽和原狀黃土的抗剪強度參數受含水率的影響較為明顯，隨著土體含水率的增大其總凝聚力與內摩擦角均降低。在含水率為27%時，土樣的凝聚力為4.9kPa，內摩擦角為33.4°，較含水率在10%情況下的凝聚力和內摩擦角均降低15.6kPa和7.3°，這可以更進一步地說明非飽和黃土的強度要高于飽和土的強度。平面應變試驗下得到的內摩擦角均比較大，這是因為在土體處于平面應狀態時始終限制ε3的變形為零，在實際工程中土體多處于平面應變狀態，因此得出的參數能較好地反映土體真實的強度。隨著含水率的增加，土體抗剪強度c，φ值依次降低，這也說明了土體含水率的變化對其強度有很大的影響，對于不同含水率的土樣，土樣抗剪強度的凝聚力和內摩擦角均有不同的變化。原因是含水率的增加，使土樣中流動的水增加，流動的水促進了土顆粒之間的滑動，降低了土顆粒之間的摩擦力和機械咬合力，進而使得土體強度降低。因此，分析不同含水率下的非飽和黃土的抗剪強度對于研究非飽和黃土的工程性質十分重要。

3 結論

（1）在不同含水率下非飽和黃土的偏應力隨著軸向應變的變化的曲線皆為硬化或者強硬化型，偏應力與體變關系曲線存在明顯的拐點，在拐點之前土樣表現為受剪壓縮，拐點之后土樣表現為受剪剪脹，其原因是在拐點之前土樣隨壓力的增大而處于壓密狀態，而在拐點之后土樣開始破壞，所以呈現剪脹變化。

（2）非飽和黃土的抗剪強度隨含水率的變化呈明顯的變化，隨著含水率的增大，凝聚力與內摩擦角均降低；非飽和黃土的強度要高于飽和黃土的強度。在實際工程要充分考慮土體含水率的變化。

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