黃土無側限抗壓強度的試驗研究

高建偉，余宏明，李 科

（中國地質大學工程學院，湖北 武漢430074）

黃土高原地區(qū)，黃土是應用廣泛的建筑材料之一，對其性質的研究很多，如黃土的濕陷性、蠕變性、非飽和性和震陷性［1］等。在諸多工程建設中，如地基沉降和路基承載力問題，黃土的物理力學性質都對其安全產(chǎn)生重要的影響，特別是黃土的抗壓強度問題。現(xiàn)今對黃土的無側限抗壓強度的研究多數(shù)集中于改良后的黃土，如石灰改良土［2］、水泥改良土［3］、固化劑改良土［4］等的無側限抗壓強度的研究，反而對黃土自身的無側限抗壓強度研究較少。黃土作為建筑填料時，其無側限抗壓強度除不能滿足高標準的工程需求外，是否能夠滿足一般工程要求的問題一直未得到重視，使得工程建設中處理問題過于保守，造成大量資源的浪費。因此，對黃土無側限抗壓強度性質的研究具有重要的實踐意義。

本文對黃土無側限抗壓強度進行了室內(nèi)試驗研究，主要研究了黃土試樣的密度和含水率對其無側限抗壓強度的影響規(guī)律，同時分析了黃土試樣的彈性模量隨含水率、干密度變化的規(guī)律，旨在為黃土作為建筑填料的施工提供科學依據(jù)。

1 黃土試樣制備與試驗方法

1.1 黃土試樣制備

試驗黃土土樣取自山西省河曲縣，將土樣混勻風干、研磨，過5mm篩，并通過試驗測定土樣的物理力學性質指標，見表1。

表1 土樣的物理力學指標Table 1 Physical indexes of soil samples

黃土試樣制備采用三軸儀飽和器，試樣尺寸為39.1mm（直徑）×80mm（高度）。制樣前將土樣烘干24h，烘干后稱取一定土樣，按含水率配比加入一定質量蒸餾水，攪拌均勻后用保鮮袋密封并置于保濕缸內(nèi)24h，使土體中水分均勻分布。采用三軸儀飽和器制樣時，在銅質模具內(nèi)涂抹少量凡士林，以減小試樣與筒壁之間的摩擦，按質量將制備試樣土體分成3份，每一份裝入模具內(nèi)后等高度擊實，最后將試樣脫模并放入保濕缸內(nèi)養(yǎng)護24h。

由擊實試驗得黃土試樣的最大干密度為1.85 g/cm3，最優(yōu)含水率為15.8%。為了研究含水率和干密度（壓實度）對黃土無側限抗壓強度的影響，結合工程實踐中不同等級工程對黃土壓實度的要求［5］，本試驗黃土試樣干密度分別取1.5g/cm3、1.6g/cm3、1.7g/cm3和1.8g/cm3（壓實度分別為81%、87%、92%和98%）4種；同時，為了模擬黃土實踐工程狀態(tài)，黃土試樣含水率應控制在天然含水率與飽和含水率之間，并考慮試驗黃土的最優(yōu)含水率，因此本試驗設計試驗含水率分別為10%、12%、14%、16%、18%和20%6種。

1.2 試驗方法

試驗儀器采用應變式無側限壓縮儀，嚴格按照相關試驗規(guī)程［6］的要求進行操作。本試驗采用人工操作，百分表精度為0.001mm，應變速率為1.33×10－2mm/s。具體試驗過程如下：在應變式無側限壓縮儀的上、下傳壓板上均勻涂抹少量凡士林，將養(yǎng)護24h的黃土試樣迅速放入儀器，調(diào)整儀器，在勻應變速率下進行單軸無側限抗壓強度試驗，并記錄數(shù)據(jù)。當試樣破壞，即試驗記錄數(shù)據(jù)出現(xiàn)拐點后，視試樣破壞情況繼續(xù)進行試驗，試樣破壞達到一定程度后停止試驗，計算出試樣對應的應力、應變，并繪制應力－應變曲線。

2 試驗結果

2.1 黃土試樣的應力－應變曲線

黃土試樣的應力－應變曲線反映了土樣的變形破壞過程。圖1為干密度ρd＝1.5g/cm3、含水率w＝12%黃土試樣的應力－應變曲線。由圖1可見，曲線AB段呈凹形，試樣土體處于壓密階段，孔隙變小；曲線BC段基本呈直線，試樣土體處于彈性變形階段，彈性模量E數(shù)值上等于曲線BC段直線的斜率；曲線CD段呈凸形，試樣土體屈服，產(chǎn)生鼓脹、微裂紋；曲線D點為曲線峰值，是試樣的單軸無側限抗壓強度值；曲線DE段呈下降趨勢，試樣產(chǎn)生大裂縫，試樣破壞。

圖1 黃土試樣的應力－應變曲線Fig.1 Stress－strain curve of the loess sample

2.2 不同干密度黃土試樣的應力－應變曲線

干密度是影響黃土試樣應力－應變曲線的重要因素。圖2是含水率為14%時不同干密度黃土試樣的應力－應變曲線。圖2中曲線表明在含水率不變時，隨著試樣干密度的增加，試樣應力－應變曲線具有與巖石試樣相似的性質，特別是當試樣干密度達到1.8g/cm3時，試樣的脆性破壞現(xiàn)象顯著［7—8］；同時，隨著試樣干密度的增加，試樣應力－應變曲線的彈性變形階段的變形范圍和直線段斜率變大。

2.3 不同含水率黃土試樣的應力－應變曲線

圖2 含水率為14%時不同干密度黃土試樣的應力－應變曲線Fig.2 Stress－strain curves of loess samples of different kinds of dry density and 14%water content

通過分析同一干密度不同含水率條件下黃土試樣的應力－應變曲線變化情況（見圖3），可以看出試樣的應力－應變曲線峰值隨含水率的增加而不斷降低，試樣彈性階段的斜率明顯隨含水率的增加而降低，特別是當試樣含水率達到20%時，試樣的應力－應變曲線沒有明顯的峰值。

圖3 干密度為1.5g/cm3時不同含水率黃土試樣的應力－應變曲線Fig.3 Stress－strain curves of loess samples of different kinds of water content and 1.5g/cm3 dry density

3 試驗結果分析

根據(jù)試驗所得各黃土試樣的應力－應變曲線，取各曲線峰值作為試樣的無側限抗壓強度值，得到不同含水率、干密度試樣的無側限抗壓強度值見表2。

表2 不同含水率、干密度黃土試樣的無側限抗壓強度統(tǒng)計結果Table 2 Unconfined compression strength statistics of loess samples of different kinds of water content and dry density

3.1 黃土試樣干密度與無側限抗壓強度的關系分析

根據(jù)表2可見，在含水率不變情況下，隨著試樣干密度（ρd）的增加，試樣無側限抗壓強度值（q）不斷增加，通過作試樣干密度與無側限抗壓強度的關系曲線（見圖4）可見，一定干密度范圍內(nèi)試樣無側限抗壓強度的增長呈近線性增長趨勢［9］，即有

式中：q為試樣的無側限抗壓強度值（kPa）；ρd為試樣的干密度（g/cm3）；a、b為擬合參數(shù)。

圖4 黃土試樣干密度與無側限抗壓強度的關系曲線Fig.4 Relationship curves between dry density and unconfined compression strength of loess samples

擬合參數(shù)a表示線性擬合的增長速率。圖5為擬合參數(shù)a與黃土試樣含水率的關系曲線。由圖5可見，隨著試樣含水率的不斷增加，線性擬合的增長速率呈線性降低規(guī)律，即試樣含水率越大，其無側限抗壓強度隨干密度線性增長的速率越小。無側限抗壓強度隨干密度線性增長的原因主要是由于干密度增加改變了試樣土體的結構，試樣土體更加密實，土體孔隙變小，土顆粒連接緊密程度增加，土顆粒之間的黏聚力和咬合力變大，抵抗變形破壞的能力增加，從而提高了試樣的無側限抗壓強度值［10］。

圖5 擬合參數(shù)a與黃土試樣含水率的關系曲線Fig.5 Relationship curve between fitting parameters（a）and water content of loess samples

3.2 黃土試樣含水率與無側限抗壓強度的關系分析

在干密度不變條件下，試樣含水率（w）的大小是影響試樣無側限抗壓強度（q）大小的關鍵因素。圖6為黃土試樣含水率與無側限抗壓強度的關系曲線。由圖6可見，試樣無側限抗壓強度值隨著含水率的增加而以二次函數(shù)的形式衰減［11］，即有

式中：q為試樣的無側限抗壓強度值（kPa）；w為試樣的含水率（%）；A、B、C為回歸曲線擬合參數(shù)。

A表示試樣無側限抗壓強度隨含水率的衰減速率，其值越大表明無側限抗壓強度衰減越快；擬合參數(shù)C表示的物理意義為干燥狀態(tài)下試樣的無側限抗壓強度值（kPa）。試樣無側限抗壓強度值之所以隨著含水率的增加而衰減，這是由于試樣含水率的增加致使土體孔隙大量充水，起到了潤滑、溶解作用，降低了試樣土體的內(nèi)聚力和土顆粒之間的摩擦力，從而降低了試樣無側限抗壓強度值。此時，由圖6可見，當試樣含水率增加到16%以上時，各組試樣的無側限抗壓強度值不再明顯隨含水率增加而衰減降低，這時孔隙水效應對試樣強度衰減的作用變小，試樣無側限抗壓強度值基本保持在同一水平。

圖6 黃土試樣含水率與無側限抗壓強度的關系曲線Fig.6 Relationship curves between water content and unconfined compression strength of loess samples

3.3 黃土試樣彈性模量與干密度、含水率的關系分析

黃土試樣的彈性模量（E）是衡量土體產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標，在試樣應力－應變曲線中指試樣彈性變形階段，即曲線直線段的斜率，其值越大表明在相同的變形條件下，土體產(chǎn)生破壞的可能性越小，因此研究土體彈性模量與干密度、含水率的關系對工程實踐有重要意義。

根據(jù)試樣的應力－應變曲線，可得到試樣的彈性模量（E＝σ/ε）。通過研究發(fā)現(xiàn)不同干密度時，黃土試樣彈性模量隨干密度增加而增加（見圖7），其增長趨勢呈線性函數(shù)關系，即有

圖7 黃土試樣彈性模量與干密度的關系曲線Fig.7 Relationship curves between elastic modulus and dry density of loess samples

式中：E為試樣的彈性模量（kPa）；ρd為試樣的干密度（g/cm3）；m、n為擬合參數(shù)。

擬合參數(shù)m為線性增長關系的增長速率，其隨著試樣含水率的不斷增加而呈線性降低規(guī)律（見圖8），即含水率越大，試樣彈性模量隨干密度增加的增長速率越小。試樣的彈性模量與干密度呈線性增長關系，這是因為試樣干密度增加后，土體變得密實，顆粒之間的內(nèi)聚力、咬合力等力學指標變大，使得試樣抵抗彈性變形的能力增加，提高了土體的彈性模量。

圖8 擬合參數(shù)m與黃土試樣含水率的關系曲線Fig.8 Relationship curve between fitting parameters（m）and water content of loess samples

黃土試樣彈性模量與含水率的關系見圖9。由圖9可見，試樣彈性模量隨含水率的增加而以線性函數(shù)的形式降低，即

式中：E為試樣的彈性模量（kPa）；w為試樣的干密度（%）；M、N為擬合參數(shù)。

擬合參數(shù)M代表試樣彈性模量隨含水率增加的變化速率，其隨著試樣含水率的不斷增加而呈線性降低規(guī)律（見圖10），即試樣干密度越大，其彈性模量隨含水率增加而降低的速率越大；擬合參數(shù)N代表的物理意義為干燥狀態(tài)下試樣的彈性模量（kPa）。

圖9 黃土試樣彈性模量與含水率的關系曲線Fig.9 Relationship curves between the elastic modulus and water content of loess samples

圖10 擬合參數(shù)M與黃土試樣干密度的關系Fig.10 Relationship curve between fitting parameters（M）and dry density of loess samples

試樣彈性模量之所以隨著含水率的增加而呈線性衰減，這是由于試樣含水率的增加，使易溶鹽溶解量增加，降低了試樣土體的力學指標值，進而降低了試樣抵抗彈性變形的能力，從而使試樣的彈性模量降低。

由試樣的無側限抗壓強度、彈性模量分別與其干密度、含水率的關系可知，無側限抗壓強度與彈性模量隨試樣干密度、含水率的變化趨勢具有相似性，進一步分析發(fā)現(xiàn)（圖11），兩者具有良好的線性相關性。根據(jù)彈性模量的定義分析知，當彈性模量越大時，試樣抵抗彈性變形的能力越強，使試樣發(fā)生屈服時所需要的應力就越大，導致了試樣具有較大的無側限抗壓強度。

圖11 黃土試樣無側限抗壓強度與彈性模量的關系曲線Fig.11 Relationship curves between elastic modulus and unconfined compression strength of loess samples

綜上分析可見，黃土試樣無側限抗壓強度性質及其彈性模量受試驗土樣干密度及含水率的影響顯著。試驗得出壓實度由81%提高到98%，黃土無側限抗壓性質提高3倍以上，實際工程中黃土具有類似性質，干密度（壓實度）大小不同，黃土工程性質差異巨大。因此，在黃土路基施工、黃土地基處理等工程實踐中，需要特別注意黃土壓實過程中的含水率和壓實后的碾壓密度，含水率應控制在最優(yōu)含水率附近（wop±2%），同時為確保工程安全并考慮經(jīng)濟效益，建議壓實度一般應≥95%；此外，由試驗分析可知，黃土無側限抗壓強度由低含水率（10%）到高含水率（20%）降低60%以上，所以要格外注意工程完成后黃土的含水率狀態(tài)，確保其處于低含水率工況，以防止降雨大量入滲改變黃土的工程性質，影響工程質量和安全，造成經(jīng)濟損失。

4 結 論

（1）保持含水率不變改變干密度時，黃土試樣的無側限抗壓強度與干密度的關系可用線性函數(shù)關系式擬合，且干密度越高，黃土試樣的無側限抗壓強度值越高。同時，線性增長趨勢的增長速率，即擬合參數(shù)a隨著含水率的增加而線性降低。

（2）改變含水率而保持干密度不變時，黃土試樣的無側限抗壓強度與含水率的關系可用二次函數(shù)關系式擬合，且含水率越高，黃土試樣的無側限抗壓強度越低，當含水率達到16%以上時，各組黃土試樣的無側限抗壓強度值不再明顯隨含水率的增加而衰減降低，無側限抗壓強度值基本保持在同一水平。

（3）通過對黃土試樣應力－應變曲線的分析可知：含水率不變情況下，隨著干密度的增加，黃土試樣彈性模量呈線性增長，但是增長速率隨含水率的增加而線性降低；干密度不變時，黃土試樣的彈性模量隨著含水率的增加而呈線性衰減，衰減速率隨試樣干密度的增加而線性增大。同時，黃土試樣彈性模量與無側限抗壓強度具有良好的線性相關性。

（4）在工程實踐中，需根據(jù)工程等級要求，確保黃土碾壓密度，一般建議壓實度應≥95%；同時要確保工程土體處于低含水率狀態(tài)，以防止降雨大量入滲而改變土體性質，影響工程質量。

［1］李又云，謝永利，劉保健.路基壓實黃土動力特性的試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2009，28（5）：1037－1046.

［2］夏瓊，楊有海，耿煊.粉煤灰與石灰、水泥改良黃土填料的試驗研究［J］.蘭州交通大學學報，2008，27（3）：40－43，47.

［3］王毅敏，梁波，馬學寧，等.水泥改良黃土在高速鐵路路基中的試驗研究［J］.蘭州交通大學學報，2005，24（4）：28－31.

［4］樊恒輝，高建恩，吳普特，等.基于黃土物理化學性質變化的固化土強度影響因素分析［J］.巖土力學，2011，32（7）：1996－2000.

［5］張洪亮，王秉剛.黃土路基壓實標準研究［J］.公路工程，2008，33（5）：19－23.

［6］南京水利科學研究院.SL237—1999 土工試驗規(guī)程［S］.北京：中國水利水電出版社，1999：78－80.

［7］盧全中，葛修潤，彭建兵，等.三軸壓縮條件下裂隙性黃土的破壞特征［J］.巖土力學，2009，30（12）：3689－3694.

［8］方祥位，陳正漢，申春妮，等.原狀Q2黃土三軸剪切特性［J］.巖石力學與工程學報，2008，27（2）：383－389.

［9］樊恒輝，吳普特，高建恩，等.密度和含水率對固化土無側限抗壓強度的影響［J］.中國水土保持科學，2006，4（3）：54－58.

［10］柴壽喜，石茜.干密度和含水率對稻草加筋土強度與變形的影響［J］.煤田地質與勘探，2013，41（1）：46－49.

［11］尤明慶.試驗結果的數(shù)學擬合與力學模型［J］.巖石力學與工程學報，2008，27（2）：251－257.