擊實黃土抗剪特性的試驗研究

李立軍 劉春玲 金勝國

(1.吉林省地質環(huán)境監(jiān)測總站，吉林長春 130021;2.吉林省第六地質調查所，吉林長春 133001)

黃土在我國西北地區(qū)有著廣泛的分布范圍，與一般粘性土相比，黃土因其顆粒組成以及自身天然結構的雙重特殊性，使之成為一種特殊種類的土［1］。對于天然結構的黃土，目前已有大量的試驗研究資料，而擊實以后黃土的工程性質如何，目前缺乏系統(tǒng)的研究。為此，本文取現場土體在室內用常規(guī)擊實方法制備不同夯擊能量下的土樣，進行一系列相關試驗，以掌握不同擊實功下擊實黃土的變形及強度特性［2，3］。

1 土樣的基本性質試驗

天然的黃土土樣取自某河岸堤壩工程附近，本次試驗所用的黃土依據塑性圖被定名為低液限粘土，該黃土為淺棕黃色，具有低塑限、粉粒含量高的特點。試驗所用的粘土取自黃土取樣處的附近，將所得的粘土經過篩分后得到粘粒，然后作為摻入到天然黃土土樣的材料。黃土的基本物理性質試驗結果如表1所示。

表1 天然黃土和粘土的基本物理性質參數

為了評價不同粘粒含量對黃土的力學性質的影響，本文根據篩分試驗制取具有不同粘粒含量(10%，20%，25%和30%)的黃土土樣，制樣方法如下所述:天然黃土的粘粒含量為21.15%，可將天然黃土近似為粘粒為20%的黃土土樣，粘粒為10%的黃土土樣利用篩分法在天然黃土中去除一定的粘粒制得，粘粒為25%和30%的黃土土樣是將在附近所得的粘土經過篩分后得到粘粒，然后按照一定的配比摻入到天然黃土土樣得到的。對所制得的4個土樣進行了顆粒分析試驗，得到的結果如圖1所示。

圖1 不同粘粒含量的黃土顆粒分析曲線

2 擊實試驗

本文對取自某河岸堤壩工程附近的天然黃土土樣進行了擊實試驗，擊實試驗根據GB/T 50123-1999土工試驗方法標準進行，本文采用重型擊實試驗，其單位體積擊實功約2 684.9 kJ/m3，得到最大干密度和最優(yōu)含水率的曲線。同時，對于另外3個加入不同含量粘粒的土樣進行相同的擊實試驗，得到的結果如圖2所示。

圖2 不同粘粒含量的黃土擊實得到的最大干密度與最優(yōu)含水率關系曲線

通過擊實試驗分析可得:粘粒含量為10%時，得到的最優(yōu)含水率為14.83%，對應的最大干密度為17.23 kN/m3;粘粒含量為20%時，得到的最優(yōu)含水率為15.17%，對應的最大干密度為16.95 kN/m3;粘粒含量為25%時，得到的最優(yōu)含水率為16.73%，對應的最大干密度為16.85 kN/m3;粘粒含量為30%時，得到的最優(yōu)含水率為19.22%，對應的最大干密度為16.80 kN/m3。通過這4組粘粒含量不同的土樣得到的數據對比可以發(fā)現:在相同的擊實功作用下，土樣的粘粒含量越高，對其的壓實越困難，得到的最優(yōu)含水率越大，最大干密度最小。因此對于壓實黃土作為建筑物地基或填充材料時，應充分考慮黃土的物質組成，盡量選擇粘粒含量較少的土進行地基處理，以保證工程的穩(wěn)定性。

3 直剪試驗

直剪試驗根據GB/T 50123-1999土工試驗方法標準進行，所用的土樣與擊實試驗所用的土樣相同，分別為:粘粒含量為10%的黃土以及粘粒含量為20%的黃土(天然黃土)、粘粒含量為25%的黃土、粘粒含量為30%的黃土。為了衡量黃土在擊實條件下作為基礎或構筑物填充材料時的剪切性能，本文在上述擊實試驗的基礎上，選取擊實后最優(yōu)含水率的土樣作為直剪試驗的樣本。直剪試驗的法向應力分別為50 kPa，100 kPa和200 kPa，得出各個土樣在不同法向應力下的剪應力與位移之間的關系曲線如圖3～圖6所示。

圖3～圖6反映了各個土樣剪應力與剪應變之間的關系。從圖中可以看出:對于粘粒含量相同的土樣，隨著法向應力的增加，其剪應力峰值隨之提高。對于粘粒含量不同的土樣，在相同法向應力下，隨著土樣中粘粒含量的增加，剪應力峰值消失，土樣的受力性能由應變軟化逐步過渡到應變硬化。

圖3 粘粒含量為10%剪切曲線

圖4 粘粒含量為20%剪切曲線

圖5 粘粒含量為25%剪切曲線

圖6 粘粒含量為30%剪切曲線

通過直剪試驗可以確定土的內聚力和內摩擦角，分析不同法向應力對應的殘余剪應力組成的點可得到土樣的內聚力和內摩擦角，得到的結果見圖7和表2。通過圖7和表2可以看出當粘粒含量為20%和30%時，二者的內摩擦角相同，都為32.7°，但粘粒為20%的土樣內聚力較大。粘粒含量為10%時內摩擦角最大為36.9°，但內聚力較小，為28.1 kPa。粘粒含量為20%時，內聚力最大為33.4 kPa。內聚力與內摩擦角隨粘粒含量的變化不遵循一定的規(guī)律。

圖7 各土樣抗剪強度曲線

表2 各土樣直剪試驗得到的內聚力和內摩擦角

通過對比各個土樣的直剪試驗的剪應力與水平位移曲線、剪應力與法向應力的抗剪強度曲線可以看出:粘粒含量的改變可以改變黃土的受力性能，即隨著粘粒含量的增加，土樣的受力性能由應變軟化向應變硬化逐漸過渡，但是對土的抗剪強度參數(內聚力和內摩擦角)影響不大。

4 結語

通過以上土的基本性質試驗、擊實試驗、直剪試驗可以得出以下幾點結論:

1)取自某河岸堤壩工程附近的黃土土樣為低液限粘土，其塑限為23.4%，液限為33.5%，塑性指數為10.1%。

2)通過擊實試驗可以得出:在相同的擊實功作用下，土樣的粘粒含量越高，對其的壓實越困難，得到的最優(yōu)含水率越大，最大干密度最小。

3)粘粒含量的改變可以改變黃土的受力性能，即隨著粘粒含量的增加，土樣的受力性能由應變軟化向應變硬化逐漸過渡，但是對土的抗剪強度參數(內聚力和內摩擦角)影響不大。

［1］劉祖典.黃土力學與工程［M］.西安:陜西科學技術出版社，1997.

［2］張洪亮，胡長順，劉保健，等.壓實石灰黃土力學特性試驗［J］.交通運輸工程學報，2003，3(4):13-16.

［3］關文章.濕陷性黃土性能新篇［M］.西安:西安交通大學出版社，1992:23-35.