青海地區(qū)非飽和黃土強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究

常立君，張吾渝，馬艷霞，王萌

(1．青海大學(xué)土木工程學(xué)院，青海西寧810016;2．青海大學(xué)地質(zhì)工程系，青海西寧810016)

青海地區(qū)非飽和黃土強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究

常立君1，張吾渝1，馬艷霞1，王萌2

(1．青海大學(xué)土木工程學(xué)院，青海西寧810016;2．青海大學(xué)地質(zhì)工程系，青海西寧810016)

青海地區(qū)的黃土常處于非飽和狀態(tài)，其強(qiáng)度特性與飽和土有所不同。本文基于室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)，研究其強(qiáng)度隨含水率及干密度的變化規(guī)律。結(jié)果表明:隨著含水率的增加，抗剪強(qiáng)度有減小的趨勢;在最優(yōu)含水率左右，含水率與黏聚力的關(guān)系可分別用線性和二次多項(xiàng)式表達(dá)，內(nèi)摩擦角隨含水率增加線性減小;在含水率一定的情況下，抗剪強(qiáng)度隨干密度增加而增長的趨勢不明顯。

非飽和黃土 含水率 干密度 抗剪強(qiáng)度

黃土是在干燥氣候條件下形成的具有柱狀節(jié)理的區(qū)域性分布的土類，由于其特定的生成環(huán)境，具有明顯的大孔隙結(jié)構(gòu)和水敏性。青海地處我國濕陷性黃土主要分布地區(qū)的西部邊緣，黃土分布面積為2.48萬km2，占全國黃土分布總面積的3.9%。受氣候條件影響，青海地區(qū)的黃土常處于非飽和狀態(tài)，其強(qiáng)度特性較飽和土復(fù)雜，而強(qiáng)度又與本地區(qū)的工程建設(shè)密切相關(guān)，是地基工程、邊坡工程等計算的重要參數(shù)。因此研究本地區(qū)非飽和黃土的強(qiáng)度特性極為重要。

含水率和干密度是影響黃土強(qiáng)度特性的主要因素，特別是含水率的影響很大［1］，因?yàn)榉秋柡忘S土本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對水有著特殊的敏感性，另一方面對非飽和土而言，含水率的變化會直接影響非飽和土的一個重要指標(biāo)——基質(zhì)吸力。為了證明試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，本文基于室內(nèi)常規(guī)三軸試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，探討不同的含水率及干密度對青海地區(qū)非飽和黃土強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)土樣與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)土樣取自青海省西寧市一基坑工程，取土深度5.0 m左右，土樣呈褐黃色，質(zhì)地均勻。其物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。

本次試驗(yàn)采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的應(yīng)變控制式三軸儀和直剪儀，進(jìn)行不固結(jié)不排水試驗(yàn)和快剪試驗(yàn)，測試不同含水率和干密度條件下非飽和黃土的強(qiáng)度指標(biāo)。試驗(yàn)時依據(jù)室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)的結(jié)果制備了5種不同含水率(12%，14%，16%，18%，20%)和4種不同干密度(1.40 g/cm3，1.50 g/cm3，1.60 g/cm3，1.64 g/cm3)下的重塑試樣，共20組。試驗(yàn)時先將所取土樣烘干、碾碎、過篩后，加水配置成設(shè)計水分狀態(tài)的散狀土樣，然后密封在多層塑料袋中，在恒溫恒濕的條件下放置不少于2 d，以便土中水分充分運(yùn)移、混合均勻。直剪試驗(yàn)采用擊實(shí)儀進(jìn)行制樣，形成的試樣尺寸為10 cm (直徑)×2 cm(高);三軸試驗(yàn)采用三軸儀自帶的三瓣模進(jìn)行制樣，土樣分5次擊實(shí)，形成的試樣尺寸為3.91 cm(直徑)×8 cm(高)。土樣制備時干密度采用不同的錘擊數(shù)及每層的擊實(shí)厚度來控制。

表1 土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

通過直剪試驗(yàn)，測定出不同垂直壓力下的抗剪強(qiáng)度，按照庫侖定律，得到不同初始條件下(不同的含水率及干密度)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，見表2。

通過三軸試驗(yàn)，得到不同圍壓下的摩爾應(yīng)力圓，按照摩爾—庫侖強(qiáng)度理論，得到不同初始條件下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，見表3。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 非飽和黃土抗剪強(qiáng)度與含水率的關(guān)系

1)含水率對黏聚力的影響

兩種試驗(yàn)方法下不同干密度時黏聚力隨含水率的變化曲線見圖1。

表2 不同初始條件下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(直剪試驗(yàn))

表3 不同初始條件下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(三軸試驗(yàn))

圖1 黏聚力與含水率的關(guān)系曲線

從圖1可以看出，兩種試驗(yàn)方法下黏聚力的變化趨勢大致接近，隨著含水率的增加非飽和黃土的黏聚力總體呈遞減趨勢，但存在一特征含水率［2］，在特征含水率的左側(cè)，隨含水率的增大黏聚力急劇減小，呈單調(diào)減小的趨勢;在特征含水率右側(cè)，隨含水率的增大黏聚力相對平穩(wěn)，呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。黏聚力在塑限(18.16%)附近達(dá)到極大值然后減小，兩者之間呈非線性關(guān)系。

從圖1可知此特征含水率在最優(yōu)含水率附近(本土樣的最優(yōu)含水率通過擊實(shí)試驗(yàn)測得為15.88%)，當(dāng)含水率小于最優(yōu)含水率時，隨著含水率的增大非飽和黃土的黏聚力呈現(xiàn)出明顯的減小趨勢，黏聚力對水的變化比較敏感;當(dāng)含水率超過最優(yōu)含水率時，隨著含水率的增加黏聚力反而有增加的趨勢，黏聚力在塑限附近達(dá)到峰值，超過塑限后隨著含水率的增加黏聚力重新表現(xiàn)出減小的趨勢，說明在最優(yōu)含水率附近因?yàn)閴好軐?dǎo)致黏聚力增加的效果最好。

黏聚力和含水率之間的關(guān)系可借助最優(yōu)含水率分段描述，對最優(yōu)含水率ω1左側(cè)和右側(cè)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 黏聚力與含水率關(guān)系擬合曲線(直剪試驗(yàn))

圖3 黏聚力與含水率關(guān)系擬合曲線(三軸試驗(yàn))

兩種試驗(yàn)方法得出的黏聚力隨含水率的變化規(guī)律相同，在最優(yōu)含水率左側(cè)可用直線進(jìn)行擬合，右側(cè)可用二次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，相關(guān)性較好。可用公式表示為:當(dāng)含水率ω＜ω1時，c=Aω+B;當(dāng)含水率ω≥ω1時，c =aω2+bω+C。式中A，B，a，b，C為試驗(yàn)參數(shù)。

2)含水率對內(nèi)摩擦角的影響

兩種試驗(yàn)方法下內(nèi)摩擦角隨含水率的變化曲線見圖4。

圖4 兩種試驗(yàn)方法下內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系

由圖4可知，不管采用何種試驗(yàn)方法，在干密度一定的條件下，隨著含水率的增加內(nèi)摩擦角總體均呈現(xiàn)遞減的趨勢［3］，曲線變化較黏聚力緩，說明其受含水率的影響較黏聚力小。

為了進(jìn)一步分析內(nèi)摩擦角和含水率之間的關(guān)系，對表2、表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見圖5。青海地區(qū)非飽和黃土的內(nèi)摩擦角與含水率之間的關(guān)系可近似用直線來擬合，這與陳偉［4］得出的結(jié)論一致。可用公式表示為φ=dw+e，其中d，e為試驗(yàn)參數(shù)。

圖5 兩種試驗(yàn)方法下內(nèi)摩擦角與含水率關(guān)系擬合曲線

含水率對非飽和黃土抗剪強(qiáng)度的影響主要是由于含水率的變化引起了土中基質(zhì)吸力變化所致。非飽和土與飽和土的區(qū)別在于非飽和土中存在基質(zhì)吸力。研究表明［5-10］非飽和土的基質(zhì)吸力與土的含水率有關(guān)，基質(zhì)吸力隨含水率的增大而單調(diào)減小。當(dāng)土中含水率低時，土體飽和度小，土體因基質(zhì)吸力大而表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度。當(dāng)土中含水率逐漸增大時，水分的存在減弱了土顆粒間的聯(lián)結(jié)力，土中基質(zhì)吸力因飽和度的增加而降低，從而引起黏聚力和內(nèi)摩擦角不同程度的減小。

2.2.2 非飽和黃土抗剪強(qiáng)度與干密度的關(guān)系

兩種試驗(yàn)方法下得出的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨干密度的變化曲線見圖6、圖7。由圖可知兩種試驗(yàn)方法得出的結(jié)論基本一致。當(dāng)含水率保持不變時，黏聚力隨干密度的增大而增大，呈近似線性關(guān)系。含水率低時，黏聚力隨干密度的增大而增大的趨勢比較明顯，說明在低水分狀態(tài)下非飽和土的強(qiáng)度受干密度影響較大。當(dāng)含水率逐漸增大時，黏聚力隨干密度變化的趨勢減緩，說明此時土體的強(qiáng)度主要受含水率的影響，干密度的影響減小。當(dāng)含水率達(dá)到塑限(18.16%)附近時，不論土樣處于什么樣的密度狀態(tài)，其對應(yīng)的黏聚力基本上都是最大值，由上討論可知在相同的干密度下黏聚力也是在塑限附近達(dá)到峰值，這正是工程上把填土的含水率控制在此范圍的原因所在。隨干密度增加內(nèi)摩擦角變化幅度較小，說明干密度對內(nèi)摩擦角的影響不大。

圖6 黏聚力與干密度的關(guān)系

圖7 內(nèi)摩擦角與干密度的關(guān)系

2.2.3 不同含水率和干密度時非飽和黃土的應(yīng)力—應(yīng)變特性

由圖8可見，當(dāng)干密度較小時，非飽和黃土樣表現(xiàn)出應(yīng)變硬化的特點(diǎn)，圍壓越大應(yīng)變硬化表現(xiàn)得越明顯;干密度達(dá)到最大干密度時又表現(xiàn)出應(yīng)變軟化的特點(diǎn)，圍壓越大軟化現(xiàn)象越明顯。這與楊雪輝等［11］得出的結(jié)論一致。應(yīng)力—應(yīng)變曲線隨干密度的變化規(guī)律與黃土的孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，當(dāng)密度較低時土中存在相互連通的大直徑單孔隙，在壓力作用下土樣被壓密，體積縮小，強(qiáng)度增加，主要表現(xiàn)出剪縮性、硬化的特點(diǎn)。在密度較高時土樣內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，大孔隙較少，在壓力的作用下其強(qiáng)度提高有限，因?yàn)橥令w粒的不可壓縮，土顆粒重新排列的結(jié)果使其表現(xiàn)出一定的剪脹及軟化特點(diǎn)。

圖8 不同干密度和含水率時非飽和黃土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線

3 結(jié)論

1)通過兩種試驗(yàn)方法均得出青海地區(qū)非飽和黃土的抗剪強(qiáng)度與含水率之間關(guān)系密切，說明試驗(yàn)結(jié)果具有一定的可靠性。隨著含水率的增加，土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c，φ總體上呈現(xiàn)出降低的趨勢。通過回歸分析得出:當(dāng)含水率小于最優(yōu)含水率時，c=Aω+B和φ= dω+e;當(dāng)含水率大于等于最優(yōu)含水率時，c=aω2+bω +C和φ=dω+e。將此表達(dá)式代入庫侖定律τf=c+ σtanφ中即可得出非飽和黃土隨含水率變化的強(qiáng)度值，從而可為青海地區(qū)的工程設(shè)計和安全監(jiān)測提供理論依據(jù)。

2)在含水率一定時，干密度對非飽和黃土強(qiáng)度的影響主要體現(xiàn)在黏聚力上，對內(nèi)摩擦角的影響不大。

3)青海地區(qū)黃土隨含水率和干密度的變化在應(yīng)變硬化和應(yīng)變軟化之間轉(zhuǎn)化，這主要和土體內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)有關(guān)。

［1］黨進(jìn)謙，李靖．含水量對非飽和黃土強(qiáng)度的影響［J］．西北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，1996，24(1):57-60．

［2］熊承仁，劉寶琛，張家生，等．重塑非飽和粘性土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)與物理狀態(tài)變量的關(guān)系研究［J］．中國鐵道科學(xué)，2003，24(3):17-20．

［3］王碩，劉占輝．非飽和重塑黃土抗剪強(qiáng)度影響因素的試驗(yàn)研究［J］．石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010，23 (3):86-93．

［4］陳偉，張吾渝，馬艷霞，等．青海地區(qū)重塑黃土力學(xué)性能影響因素分析［J］．鐵道建筑，2014(1):82-84．

［5］FREDLUND D G，RAHARDJO H．非飽和土力學(xué)［M］．陳仲頤，譯．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997．

［6］湯連生．從粒間吸力特性再認(rèn)識非飽和土抗剪強(qiáng)度理論［J］．巖土工程學(xué)報，2001，23(4):412-417．

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［8］熊承仁．重塑非飽和粘性土的強(qiáng)度習(xí)性研究［D］．長沙:中南大學(xué)，2005．

［9］熊承仁，劉寶琛，張家生．重塑粘性土的基質(zhì)吸力與土水分及密度狀態(tài)的關(guān)系［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24 (2):321-326．

［10］沈珠江．非飽和土力學(xué)實(shí)用化之路探索［J］．巖土工程學(xué)報，2006，28(2):256-259．

［11］楊雪輝，黨進(jìn)謙，蔣倉蘭．非飽和重塑黃土的三軸試驗(yàn)研究［J］．路基工程，2008(4):115-117．

Experimental study on strength characteristics of unsaturated loess in Qinghai area

CHANG Lijun1，ZHANG Wuyu1，MA Yanxia1，WANG Meng2
(1．School of Civil Engineering，Qinghai University，Xining Qinghai 810016，China; 2．Geological Engineering Department，Qinghai University，Xining Qinghai 810016，China)

Loess in Qinghai area(lies in the Northeast of China)is usually unsaturated，which compared to the saturated loess displays different strength characteristics．By routine indoor experiments the strength of unsaturated loess and its changing pattern with moisture content and dry intensity as variables was studied．T he results indicate that the increase of moisture leads to the decline of the shear strength．At the same time，linear function can be used to describe the adhesion-moisture relation before the specimen reaches the optimum moisture level，while quadratic function depicts that afterwards．T he increase of moisture content leads to the linear decline of the internal friction angel．As moisture remains consistent，the surge of dry density does not results in the visible increase of shear strength．

Unsaturated loess;M oisture content;Dry density;Shear strength

TU411.3;TU444

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．31

1003-1995(2015)04-0117-05

(責(zé)任審編葛全紅)

2014-10-20;

2015-02-10

教育部春暉計劃項(xiàng)目(Z2012077);青海大學(xué)中青年科研基金項(xiàng)目(2012-QGT-3)

常立君(1981—)，女，青海樂都人，講師，碩士。