飽和度對非飽和黃土抗剪強度的影響

國網河北經研院,河北 石家莊050000

黃土是一種廣泛分布在我國黃河流域的一種特殊土體，主要由碎屑礦物和黏土礦物組成，遇水發生濕陷現象是該地區黃土的常見特性[1]。黃土具有可壓縮性強、垂直節理、裂隙發育、易擾動的特點，浸水后容易發生濕陷，失水后容易發生干裂的不良工程特性。在遇水過程中，黃土因浸水而發生結構破壞而引起附加變形，使得路基的穩定性受到嚴重影響。另外，普通黃土具有一定的結構性，天然狀態下可以保持較強的承載能力，但是一旦結構性被破壞，其強度會顯著降低。

前人的研究表明：含有非飽和黃土對地下水變化比較敏感，當土體的含水率發生變化時，黃土路基可能會出現不均沉降和側向應力增大的現象，對路基穩定性存在重要影響[2]。然而，很多黃土分布區域內的地表、地下水活動頻繁，使得土體的含水率會發生較大的變化。當含水率過大時，黃土的變形和膨脹應力可能會對路基結構產生一定的安全隱患。因此為了保證黃土路基的長期服役的穩定性，需要對不同狀態的黃土試樣進行力學特測試，從而評價其力學指標的變化規律。

目前，針對非飽和黃土的力學特性，很多學者開展了試驗研究，并取得了大量成果。例如：方祥位、邵生俊等針對非飽和黃土的礦物成分、微觀顆粒結構[3,4]等微觀特性進行了系統分析；更有很多學者針對非飽和黃土的強度、變形[5-7]等宏觀力學特性開展了精細研究；而對非飽和黃土的濕陷性特征的機理，也有一些學者致力于相關的研究[8,9]。

土體的飽和度是指非飽和土孔隙中水的體積占總孔隙體積的含量。飽和度表征了單位體積土體的含水狀態，是非飽和土力學中的一個重要概念，也是影響非飽和黃土力學性能的關鍵因素[10]。本文通過直剪試驗研究了飽和度變化對該地區非飽和原狀土和重塑土試樣力學性能的影響，并據此提出一個考慮飽和度變化的強度模型，旨在為相關地區的黃土工程性質的認識提供更可靠的參考。

1 土樣與試驗方法

1.1 材料物理性質

本實驗采用的是采自黃河上游的沙坡頭水利樞紐邊坡處的土樣，土體的基本物理特性如表1 所示。該地區黃土呈黃褐色，可塑性和粘性較強且天然飽和度較低，是典型的半干旱環境下的形成的黃土，該黃土具有低膨脹性，礦物主要成分為黏土礦物、石英、長石和碳酸鹽類礦物等。該地區的黃土的顆粒級配曲線如圖1 所示，從圖中可以看出80%以上的土體顆粒粒徑小于0.1 mm，該土的顆粒介于粉土和砂土之間。

圖1 黃土的顆粒級配曲線Table 1 The curve of loess particle

表1 黃土的基本物理特性Table 1 Basic physical properties of loess

1.2 試樣制備

原狀試樣直接用探槽取樣的方法獲得，然后采用環刀壓制直剪試樣。對原狀樣進行增濕和脫濕處理控制其飽和度。首先采用抽氣飽和法對原狀樣吸濕處理，然后在溫度25 ℃和相對濕度75%的恒溫恒濕控制箱中進行脫濕處理。在吸濕、脫濕過程中測試土樣質量變化以計算實時含水率，控制試樣含水率的范圍為12%～32%，分別獲得了3 種飽和度（30%、70%和100%左右）的原狀土試樣。

重塑試樣的具體操作步驟相對復雜，以原狀試樣的物理力學參數為根據，重塑試樣的干密度設計為1.35 g/cm3。試樣的具體制樣步驟如下：（1）將散土樣進行曬干和粉碎，然后過2 mm 的細篩；（2）將曬干和粉碎后的試樣放在烘箱中烘干24 h，烘干溫度為105 ℃；（3）向烘干后的試樣中加入一定質量比例的水泥（本實驗為5%）拌和均勻，然后加水繼續攪拌，根據實驗計劃配置飽和度分別為15%，25%，35%，75%和100%，攪拌完成之后放在保鮮袋里靜置24 h，使水分均勻分布；第四，將配置好的試樣放入制樣環刀套筒內，進行目標土樣的壓制成型。

圖2 不同黃土試樣的SEM 微觀結構圖像Fig.2 Micro-structures of different loess samples from SEM

原狀黃土試樣與重塑黃土試樣的掃描電子顯微鏡SEM 微觀結構圖像如圖2 所示。從圖中可以看出，重塑黃土的顆粒呈絮凝狀，土體內部孔、裂隙發育，而原狀黃土試樣內部結構致密，顆粒狀膠結現象明顯，采用SEM 掃描圖像從微觀結構的角度揭示了該地區的黃土具有明顯的結構性，重塑樣難以全面地反映原狀土的結構特點。

2 結果與分析

2.1 土體的剪切強度

本實驗采用的是高度20 mm 和直徑61.8 mm 的試樣，根據實驗材料的特點，本實驗分為原狀樣和重塑樣兩部分試樣。實驗操作步驟以《土工試驗方法GB/T50123-1999 標準》，然后進行不同飽和度條件下的固結快速剪切實驗，在試驗中記錄不同法向壓力下的應力-位移曲線，然后通過觀察曲線特征得到土樣的抗剪強度值，原狀樣直剪試驗結果如表2 所示，重塑樣直剪試驗結果如表3 所示。

表2 原狀土樣的直剪實驗的條件和結果Table 2 Conditions and results of raw soil samples in shear test

表3 重塑樣直剪實驗的條件和實驗結果Table 3 Conditions and experimental results of remodeling mudstone direct shear tests

2.2 固結壓力對剪切強度的影響

從圖3 可以看出，隨法向固結壓力的增大，原狀樣和重塑樣試樣的剪切強度均近似呈線性增加；且在相同的豎向壓力下，飽和度越低試樣的強度越大。通過對重塑樣在不同固結壓力下的強度變化曲線進行分析，發現當重塑樣的飽和度為15%時，300 kPa 豎向應力下試樣的剪切強度約為450 kPa；當豎向應力為100 kPa 時，試樣的強度只有約250 kPa，明顯小于固結壓力為300 kPa 時的強度。原狀試樣也存在相同規律，這表明法向豎向壓力對黃土的剪切強度具有十分顯著的影響。

此外，通過對比原狀土和重塑土試樣的剪切強度變化規律可見：在飽和度為25%左右時，原狀土和重塑土隨著固結壓力增加的變化趨勢相似，并沒有明顯的差異；但是在飽和度較高時，如圖3中75%和100%時的剪切強度變化曲線所示，原狀土的強度隨固結壓力的增長幅度明顯更大。這表明黃土在低飽和度狀態下，法向固結壓力對重塑土和原狀土試樣的影響比較相似；但是在飽和度較高的狀態下，原狀土試樣對固結圍壓的變化則更加敏感，這也體現了結構性對黃土力學行為的影響。

2.3 飽和度對剪切強度的影響

從圖3 的剪切強度的測試結果還可以分析飽和度對土樣力學行為的影響規律。在不同法向固結壓力下，通過對重塑土和原狀土試樣的剪切強度隨著飽和度變化的曲線進行分析，發現在高飽和度下的土樣剪切強度明顯低于低飽和度的土樣。例如：當重塑樣的固結壓力為100 kPa 時，飽和度15%試樣的剪切強度幾乎是飽和度100%試樣的剪切強度的5 倍。并且，當飽和度每增加10%時，重塑土樣的強度會降低約10%左右。

通過對比原狀土和重塑土試樣的剪切強度變化曲線發現：當飽和度較高時，原狀樣的強度比重塑樣的更高；而當飽和度較低時，原狀樣的強度卻比重塑樣低；此外，在每一級法向壓力的條件下，重塑樣剪切強度隨飽和度增加的變化幅度比原狀樣更明顯，這一現象說明重塑樣的力學特性對飽和度變化的敏感性比原狀樣更明顯。

圖3 剪切強度隨固結壓力的變化曲線Fig.3 Curves of shear strength with consolidation pressures

3 機理分析及強度表達式

3.1 非飽和黃土的強度影響因素

3.1.1 礦物成分的影響機制 黃土含有多種粘土礦物，其中含量較高比較常見的粘土礦物主要有高嶺石、伊利石和蒙脫石。當土體內的黏土礦物類型和含量發生變化時，試樣的力學行為會表現相應的變異性。一般而言，高嶺石類的礦物強度較高，伊利石次之，蒙脫石最低。此外，黃土內部又含有較多水溶性的碳酸鹽類膠結物質，呈固態或半固態分布于黃土顆粒的表面。從宏觀的角度出發，自然環境中的非飽和黃土的力學特性是不同礦物成分和含量的共同作用的結果[13]。

3.1.2 飽和度的影響機制 水分對非飽和黃土力學性質的影響具有兩面性。其一是水分會吸附在黏土顆粒表面時，會產生基質吸力而引起附加的摩擦力。由于水分溶解作用引起的物理化學作用力，這一作用一般會對黃土的剪切強度起到增強效果。然而，當土體的飽和度較高時，土顆粒間會出現弱吸附以及自由移動的自由水，在外界剪切力作用下，土顆粒表面的水膜會起到潤滑作用，使圖顆粒間的摩擦阻力減小[14]。對于非飽和黃土而言，顯然第二種效應的影響超過了第一種效應，該現象可以對內摩擦角隨飽和度的增大而減小的現象進行解釋。

3.1.3 結構性的影響機制 通過對原狀黃土和重塑黃土試樣的剪切強度進行分析，發現原狀土和重塑土對飽和度和法向壓力的敏感性存在明顯差異，說明重塑樣制樣的過程使黃土的結構特性產生了變化[15]。制樣的加工過程劇烈地改變了黃土內部的顆粒和孔隙結構，導致原狀土試樣內部的原生結構完整性遭到破壞，顆粒接觸關系發生改變，內部結構的變異對土體力學特性影響很大。并且，重塑土試樣并沒有具有膠結強度的內部結構，在飽和度較高時表現出較低的剪切強度和較高的水敏感性。

3.2 強度表達式

在工程實際中，對于土體的剪切強度常常采用經典的摩爾-庫倫模型來描述，其數學表達式如公式（1）所示：

通過對本實驗的結果分析可知，黃土的礦物成分、飽和度以及內部結構性均會對剪切強度產生明顯的影響。根據以上的機理分析，本文認為：原狀和重塑土試樣的粘聚力變化主要是由飽和度和內部結構性引起的，即：

此處，cw是由于水分的作用引起的，其微觀機理是由于水分子和土顆粒的吸附和在孔隙中的毛細作用引起的。cj則是由巖體自身結構所決定的，在本實驗中原狀樣的粘聚力大于重塑樣的粘聚力。但是對于任一給定狀態的土時，巖體內部結構基本穩定，cj近似取為常數，即cj=a。

內摩擦角的表達式也分為水膜潤滑和土體自身結構性兩部分：

此處，φw表示飽和度的影響；φs表示黃土結構性的作用。對于給定土體，認為其自身性質確定，φs近似取為常數，即φs=b。根據Bishop 的非飽和應力表達式：

此處，ua和us分別為孔隙氣壓和基質吸力，本實驗采用的是排水剪切，因此超孔隙壓力為零。基質吸力和x均是與飽和度有關的參數，其中x等于有效飽和度Sr來表示，此時滿足飽和土x=1 和干土x=0 的條件。

基質吸力和飽和度的關系如下[16]：

其中a、n、m均為擬合參數。

為了使公式簡化，將有效飽和度近似取為實測飽和度，即Sr=w。

聯立（2）、（3）、（6）可得出最終的強度表達式為：

在公式（7）中，a、b、d是與巖體物理特性的材料參數，由擬合確定。f(w)和g(w)則是與水分有關的函數，也是根據土體的力學參數與飽和度的關系擬合確定。

對非飽和黃土原狀樣的內摩擦角和粘聚力隨飽和度變化的關系曲線進行數據擬合，得到的擬合結果如圖4 所示。

根據數據擬合，發現公式（2）和公式（3）的最終表達式為：

將公式（8），（9）帶入公式（7）得出最終的表達式為公式（10）：

實測值與強度表達式計算值的對比結果如圖5 所示。可以看出由強度表達式計算的非飽和黃土的剪切強度-飽和度關系曲線與實測值較為接近，說明該表達式可對試驗結果進行有效擬合。

圖5 計算結果與實驗結果對比Fig.5 Comparison of calculated results and experimental results

4 結論

本文研究了非飽和黃土的重塑樣和原狀樣直剪強度受飽和度變化影響規律和機理，取得了如下結論：（1）相同固結壓力下，黃土試樣的剪切強度隨飽和度增加而下降；相同飽和度下，剪切強度隨固結壓力增加近似保持線性上升；并且，相同條件下的重塑土強度明顯小于原狀土；（2）非飽和黃土的內摩擦角和粘聚力均隨著飽和度的增大而降低，且重塑試樣對飽和度變化的敏感度更明顯；（3）通過機理分析認為非飽和黃土的力學特性與礦物成分、水分含量及內部結構性均有關聯。