太原東山地區含水量對濕陷性黃土抗剪強度試驗的研究

楊菲菲

（山西機械化建設集團有限公司，山西 太原 030009）

太原東山地區普遍存在濕陷性黃土，其抗剪強度指標受含水量影響很大。在基坑支護設計和邊坡支護工程設計中必須使用抗剪強度中粘聚力和內摩擦角這兩個參數進行基坑穩定性驗算，粘聚力和內摩擦角的取值與研究對基坑支護和邊坡支護工程設計的安全和成本節約起到了決定性作用。目前，關于濕陷性抗剪強度隨含水量變化規律的系統研究資料并不是很多，因此進行必要系統的研究具有現實意義及廣泛的應用前景。

1 場地地質情況

太原東山地區屬于黃土丘陵，山坡與山間谷地被黃土層覆蓋，形成臺地、洪積盆地、沖溝等多種地貌。本區域濕陷性黃土一般都覆蓋在下臥的非濕陷性黃土層上，其濕陷層厚度約為5m～16m，大部分厚度介于10m～14m之間，其濕陷程度介于輕微到中等之間。該地區濕陷性黃土屬Q4黃土，是晚更新世末以后形成的黃土，土質疏松，有大孔隙，承載力較低，具有較強濕陷性，烘干法測得土樣天然含水量為17.5%-23.6%，天然干密度為1.43-1.55g/cm。

2 項目研究內容

1）不同含水量狀態下原狀黃土試樣的制作與準備。2）通過對原狀黃土土樣進行直接剪切試驗，探討不同含水量對土的抗剪強度影響，探討其規律的可行性。3）結合系統分析，提出濕陷性黃土抗剪強度的變化規律。

3 試驗方案

3.1 取樣與試樣制備

取樣：在東山地區選定一個試驗區，首先進行探井取樣，探井深度根據濕陷性土層厚度確定，并在每米采取原狀土樣（土樣尺寸大小必須滿足試驗需要，保證可以加工5～6個環刀樣），取得后及時運回試驗室進行含水量和抗剪強度試驗，未使用的土樣進行封裝保存。

3.2 試樣準備

將野外取回的原狀土樣進行稱量、風干碾壓、過篩后分別計算出含水量。由土工試驗室對現場所取土樣進行增濕處理，獲得不同含水量試樣，具體方法如下：1）采用加水的方式改變所取試樣的含水量，制備出6個含水量不同的試樣。2）用直剪法對這6個土樣進行剪切試驗，得出抗剪強度，總結出含水量與抗剪強度之間的關系。

3.3 室內直剪試驗

所用儀器為四聯直剪儀，通過彈性鋼環變形控制剪切位移速率。試驗前應檢查直剪儀豎橫向傳力杠情況，檢查銷釘和螺絲的運轉情況以及百分表的靈敏度，同時檢查彈性鋼環兩端是否與剪切容器和端承支點接緊。

檢查完后，對試樣進行安裝。對準上下盒，插入定銷，放一塊透水石，并在其上放一張濾紙，對準剪切盒口，將黃土試樣慢慢地推入盒內。試樣裝好后加載固結，每組試驗有4個試樣，在不同的垂直壓力（0.1，0.2，0.3，0.4MPa）下固結，以0.8～1.2mm/min的速率剪切，使試樣在3～5 min內獲得每級荷載下的垂直最大剪切力。試驗結束后，關閉電源，卸掉所加荷載，取出試樣，測定剪切試驗后的試樣含水率。

4 試驗結果

黃土抗剪強度是土抵抗剪切的極限能力，當受到剪切力時，土體中相應各點都將產生剪應力，當剪應力達到該剪切面所能承受的最大剪應力時，剪切面兩側的土體將發生相對位移而造成滑移，隨著剪切力的增加，土體沿著滑動面產生的破壞喪失土體穩定性，這種現象可以通過直剪試驗來體現。

影響抗剪強度的兩個指標，即粘聚力c與內摩擦角，可通過直接剪切試驗得出含水量與這兩個指標的相互關系。

試驗采用原狀土樣在剪切儀器上進行，試樣底面積30cm2，高度20mm。剪切試驗過程中，主要研究含水量、時間與抗剪強度規律，配制不同的含水量為15%，18%，21%，24%，27%，其中含水量為24%和27%的試樣應多制備幾組，在0.1，0.2，0.3，0.4MPa垂直壓力下進行試驗，試驗結果如下：

初始含水量ω1=15%ω2=18%ω3=21%ω4=24%ω4=27% 變化規律粘聚力C/kPa 29.5413.957.997.03 6.23 一直減小內摩擦角Φ 29.525.826.323.623.8先減后增，總 體 趨 勢下降

1）含水量與粘聚力間的關系曲線

從上述圖表中可以看到，在含水量增大時，粘聚力呈降低趨勢。含水量由15%增大至21%時，粘聚力變化較大，即降低幅度達72.95%；而含水量從21%增大到27%時，粘聚力變化不明顯，即降低幅度較小。當含水量從15%增大至27%時，試樣的粘聚力趨于零。

2）含水量與內摩擦角間的關系曲線

從上述圖表中我們可以看到：內摩檫角隨著含水量增大總體呈降低趨勢。含水量由15%增大至27%時，內摩擦角變化幅度小于粘聚力，說明含水量變化對內摩擦角影響不大。

5 結果分析

通過對以上試驗數據的分析，我們可以看出含水量對粘聚力和內摩擦力都會造成影響。隨著含水量的增加，粘聚力逐漸減小，而內摩擦角隨含水量的變化很小，且內摩擦角的變化與含水量之間沒有一個很明顯的變化規律。同時從圖中我們也看到當含水量超過一定值時，含水量與粘聚力之間的變化就不在明顯，說明黃土的塑限附近是影響黃土強度指標的關鍵因素。含水量增加使得土顆粒孔隙水增多，從而土顆粒間分子粘結強度減弱，促使土體粘聚力和內摩檫角下降。但由于其與水作用方式存在差異，導致粘聚力及內摩檫角下降的規律不相同。

以上研究的重點在于通過對東山地區濕陷性黃土在不同含水量下進行抗剪強度試驗，總結出內摩擦角和粘聚力與含水量之間的變化規律，為我們今后該地區基坑支護設計和邊坡支護設計提供比較合理的參數選取經驗。但本文研究的難點在于通過試驗得出的規律是否具有普遍的規律性，從而能應用到更多的工程實例中。

6 結語

濕陷性黃土是一種特殊的土質，它會對我們的生活造成很嚴重的影響，當前加強對濕陷性黃土的研究也越來越重要。所以需要我們繼續進行濕陷性黃土試驗研究，總結規律，從而能夠為我們節約成本，提高經濟效益。