淺析黃土強度參數的某些影響因素

李萍萍 郭江濤

（楊凌職業技術學院，陜西 咸陽 712100）

0 引言

土的強度理論是土中的應力狀態σij與材料瀕于破壞時的特征參數kf之間的關系[1-3]，那么，在有了強度準則之后，還必須有瀕于破壞時由試驗測得并與之相對應的強度參數，才能使強度理論在實際中得到應用。

長期的試驗相關研究表明，土的強度參數值受一系列復雜因素的影響[4]。這些因素既有空間因素也有時間因素。空間因素包括作為土性內在的粒度、密度、濕度、結構等影響因素和作為土性外在的受力特性、測試方法、擾動程度和環境條件等影響因素。時間因素包括“昨天”（應力應變歷史的影響）、“今天”（應力應變速率的影響）和“明天”（觸變、蠕變的影響）的不同變化。上述任何一種因素的變化都會影響土強度參數的數值大小。本文主要從粒度、密度、濕度、結構等幾個方面淺析黃土強度參數的影響因素，為強度理論在實際中的應用提供有關參考。

1 黃土強度參數的某些影響因素

1.1 粒度對土強度參數的影響

粒度因素，從廣義方面講，它是指土中固體顆粒的成分、大小、級配、形狀、粗糙度等諸多的方面。相關研究表明，級配的不均勻系數越大，內摩擦角φ就越高；顆粒為棱角狀時，內摩擦角φ大；礦物成分為云母時，內摩擦角φ低，為石英長石時，內摩擦角φ高，它們相差很小。根據土的粒度變化所引起的質變性差異可將土分為無粘性土和粘性土兩大類，它可以作為對強度研究的主線。

具體到黃土來說，它是一種低液限黏土，其粒度以黏粒為主，它的抗剪強度主要來自凝聚力、摩擦力和剪脹力。[2]凝聚力常在極小的應力下就發揮到最大，然后不再上升（凝聚力來自分子力時）或有些降低（凝聚力來自膠結力及分子力時），保持一個恒定的最小值；摩擦力隨應變的增加而增大，逐漸趨于恒定。剪脹力在應變增加時由零增高到最大，然后隨著咬合作用的喪失而消失。在此三種力、土的濕度與密度共同耦合下，粘性土可能有硬化破壞或軟化破壞，對后者就有了峰值強度與殘余強度之別。

1.2 密度對土強度參數的影響

密度是影響土強度的重要因素，其中對無黏性土更為顯著。在剪切過程中，松砂要變密（剪縮），一般出現硬化性的破壞；密砂會變松（剪脹），一般出現軟化性的破壞。在剪切的過程中既無剪縮，又無剪脹的密度，稱為臨界密度，表示為臨界孔隙比。它是固結圍壓σ3的函數，隨著σ3的上升而下降。為了衡量土體軟化性的大小，可用三軸不排水剪切條件下應力-應變曲線上的峰值點與終點處對應剪應力的差值與峰值點剪應力值之比表示，即：

式中IB稱為脆性指標，IB值越大，土的脆性越大。

應該注意，由于密度對強度的重要影響，必須要求在測試求得強度指標時保持或控制土在實際工作條件下的密度狀態，對黏性土應采用干密度控制。

1.3 濕度對土強度參數的影響

濕度對黏性土的強度有著非常顯著的影響。伴隨著飽和度的增加，粘性土強度的降低主要體現在c值的降低上，φ值的降低相對而言較小。對于水敏性的土，增濕時土強度的銳減主要體現在加固凝聚力的失水破壞上。不同含水量的土，無論是在固結過程中，還是在剪切過程中，土的變形都伴隨著孔隙壓力的變化，影響到土實際承受的有效應力，表現出不同的強度。對于方便測定孔隙水壓力的飽和土，常常可以模擬不同的固結程度和不同的剪切速率，由同時測量的孔隙水壓力確定強度有效應力指標。如果不測量孔隙水壓力，即可直接量測強度的總應力指標。兩類指標相比較，一般是總應力的c值比有效應力的大，φ值比有效應力的小。對于非飽和的土體，由于測定孔隙水壓力和孔隙氣壓力的比較困難，而且目前還沒有一個很好的有效應力原理及其表達式，其強度指標多由在固結程度和剪切速率兩方面盡可能模擬實際工作條件時測定的總應力指標來表示。

總體來說，對于非飽和土的強度，雖然現在已經有不少學者提出了多種強度的表達式，但它還需要進一步的相關研究。它的非線性及有增濕過程與干燥過程的土-水特征曲線的滯回性對強度的影響已得到了人們的重視。

1.4 結構對土強度參數的影響

完整的土結構指土的結構和組構。從土的結構出發，尤其對原狀土、高靈敏的粘土及軟粘土要注意保持試驗要求的結構狀態，否則，結構的破壞將導致土體強度的下降。當土有結構的各向異性時，剪切應注意剪切方向的影響，以反映實際工程下滑動面方向變化時可能的實際強度。裂隙性黏土是土的組構問題，裂隙的存在對強度有重要的作用影響。嚴格地說，土的強度要受到裂隙分布的范圍、間距、傾斜度、排列方向、形狀、裂隙面粗糙度、裂隙間土的性質、硬度及鉆探、采樣與試驗時應力的變化和歷時的影響，是一個尚需專門研究的問題。簡單地僅用一個折減的系數來處理時，這個系數既是一個變數，又難于測定。由于試驗尺寸與裂隙間距之比越大，室內試驗的土的強度與現場試驗土的強度相差就越小，所以常需控制試樣直徑與縫距之比在4.0以上，以便得到比較接近實際的試驗結果。對于壓實的黏性土，因其采用不同的壓實方法，即使達到了相同密度，也會因其結構情況不同而具有不同的強度。常用的壓實方法包括靜壓法、振動法、揉搓法（碾壓）。他們造成的剪應變容易使得土顆粒排列雜亂，形成凝聚的結構，強度較高。當含水量小于塑限時，各種方法都不能引起土的剪切變形，土的凝聚結構沒有或者很少遭到破壞，阻力大，孔壓低，強度高；當含水量大于塑限時，各種方法下會產生不同的剪切變形，顆粒有較大的分散結構，強度有不同的變化。對于有較大結構強度的土，例如固結應力沒有超過土的結構強度，則應力的增大并不會改變土的結構，此時盡管壓力有所增大，但強度變化的很小，而且剪切破壞多呈軟化型。只有固結壓力超過土的結構強度之后，土的強度將視初始結構性破壞與次生結構性增長作用的不同而不同，其抗剪強度曲線或在經過一段平緩之后再上升，或只有很小或不明顯的平緩段，基本上是呈現上升的趨勢。

2 總結

本文是以黃土為中心進行闡述，并且是針對于一般條件下的土強度測試而言，對于溫度因素、不同動力因素等特殊條件下強度參數與測試，必須要考慮它們各自的特點，采取對應的方法。

［1］謝定義,姚仰平,黨發寧.高等土力學[M].北京：高等教育出版社,2008,1.

［2］黃文熙.土的工程性質[M].北京：水利電力出版社,1983.

［3］張金貴.土的抗剪強度指標與主要因素[J].水利天地,2008(04).

［4］李廣信.高等土力學[M].北京：清華大學出版社,2004.