黃土古土壤工程力學性質機理研究

趙守全，朱兆榮*，吳紅剛，韓 侃，陳 明

（1.中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000；2.中鐵十二局集團第四工程有限公司，陜西 西安 710000）

隨著我國交通基礎設施的快速發展，黃土及黃土古土壤地區工程建設活動也越來越多，黃土是一種具有特殊結構性質的疏松多孔弱膠結層狀沉積物[1-3]，其工程力學性質受環境影響較大，屬于易發生災害的土體[4-5]，在工程建設中常引發一系列災害。而黃土古土壤則是在地質歷史時期，黃土堆積過程中，由于經歷古氣候暖、濕交替的變化過程形成的土壤層，黃土與黃土古土壤在物理性質和化學性質上有一定的區別。目前，國內外對于黃土的工程力學性質研究比較多，例如黃土的液化問題、應力應變特性、結構屈服特性等，但對于黃土古土壤的工程力學性質的研究卻相對較少，自20世紀90年代開始，人們才逐漸開展對于黃土地層中的黃土古土壤的工程力學性質的研究。

Shao等[6]通過數值分析并揭示了黃土隧道在施工過程中不同破壞形式的形成機理；Xue等[7]建立了基于開挖過程中的穩定性評價模型，并將其應用到實際工程中進行驗證，研究有助于加深對黃土穩定性的認識；Deng等[8]對黃土微觀結構的定量表征和變化進行研究并探討了黃土宏觀物理力學性質與擬合參數的變化規律的相關關系，研究有助于更好地理解黃土的災變行為和該區地質災害的物理機制。Shao等[9]系統地研究了黃土和古土壤層的滲透率、磁化率和孔隙度等性質。Peng等[10]通過現場和室內直剪試驗探討了黃土與古土壤界面過渡帶的物理力學性質。張奇瑩等[11]開展直剪試驗，研究了原狀黃土-古土壤抗剪強度的各向異性特征及其形成機制和影響因素。雷祥義[12]在對黃土高原南部晚更新世黃土的研究中發現，此區域黃土地層自北向南的顯微結構由微膠結結構逐步過渡為半膠結結構，直到膠結結構，黃土的力學特性也相應由差變好，黃土地層剖面自上而下也存在著上述變化規律，且黃土古土壤的結構致密，濕陷性較弱，力學性質較好。劉祖典[13]通過對不同沉積時代的黃土抗剪強度指標與含水量之間的關系分析得出，年代越久遠的黃土抗剪強度越大，同時代的黃土，當干重度相同時，c值隨含水量的增加而減小，φ值略有減小。趙景波等[14]研究了黃土抗剪強度、濕陷性和顆粒成分在垂直向上的變化規律及其成因，研究發現黃土地層工程性質在垂向上有波動變化的特征，且紅色黃土古土壤相比成壤作用弱的黃土層，其抗剪強度變大、濕陷性變弱及孔隙度降低，并指出造成黃土地層工程物理性質差異的根本原因是第四紀暖濕與冷干氣候交替，紅色黃土古土壤中黏粒含量高，黏化作用強，導致其致密、堅硬，抗剪強度更大，結構更加穩定。劉小軍等[15]在對黃土窯洞病害研究調查及分析中闡述了黃土古土壤層分布位置的不同對于窯洞穩定性的影響不同，若黃土古土壤位于窯洞頂部之上，則黃土古土壤可以充當天然頂棚，對窯洞整體穩定有利，若黃土古土壤層夾于窯頂偏下或窯腿部位，則對窯洞不利，研究中可發現黃土古土壤的力學特性不同于黃土，且黃土古土壤的力學特性對于黃土地區建設具有重要的意義。劉海松、彥斌等[16-17]根據洛川標準剖面黃土-黃土古土壤的分布，研究了黃土隨地層深度物理力學性質的變化特征，得出黃土地層沿深度力學特性出現幅度不等的波動性變化。這些研究表明，黃土與黃土古土壤在物理性質和化學性質上有明顯的區別。鄧軍濤等[18]對原狀與重塑黃土古土壤的抗剪強度特性隨含水率與干密度的變化進行了研究，進行了多組室內直剪試驗，發現黃土古土壤的抗剪強度指標隨含水率的增大而減小，內摩擦角與含水率呈二次拋物線關系，粘聚力與含水率呈指數關系，為黃土地區工程建設中的參數選取提供了依據。

國內外學者對黃土古土壤滲透性、抗剪性等物理性質的試驗研究已有較多成果。然而，對黃土古土壤的抗壓、抗拉強度及無荷載膨脹率等工程力學性質的研究卻相對較少，缺乏相關的研究文獻資料支撐。因此，本文著重從銀西鐵路黃土塬區早勝一號隧道開挖斷面黃土古土壤試樣的抗壓、抗拉及抗剪強度3方面進一步開展研究工作，以期為工程建設設計提供指導。

1 試驗材料及試驗方案

1.1 試驗材料

土樣為取自銀西鐵路黃土塬區早勝一號隧道開挖斷面的黃土古土壤，土樣呈鮮紅色，結構致密均勻，根據SL237—1999《土工試驗規程》[19]及GB/T50123—1999《土工試驗方法標準》[20]，嚴格執行規范開展相關室內試驗，測得的土樣基本物理性質詳細結果見表1。該黃土古土壤組成主要以粉粒為主，各部位（上、中、下臺階）含量分別高達79.13%、76.98%、79.31%，其次是粘粒，含量分別為19.44%、17.66%和19.94%；此外，各部位（上、中、下臺階）土樣液限分別為44.54%、42.78%和44.02%，均低于50%，塑性指數均大于17，由此可知，黃土古土壤土體可塑性較好，屬于低液限粉質黃土古土壤。

表1 土樣物理性質

1.2 試驗方案

（1）通過室內無側限抗壓強度試驗，研究西鐵路黃土塬區早勝一號隧道開挖斷面處黃土古土壤的抗壓強度。

（2）通過室內抗拉強度試驗，研究西鐵路黃土塬區早勝一號隧道開挖斷面處黃土古土壤的抗拉強度。

（3）采用南京土壤儀器廠的ZJY-3型等應變直剪儀，通過室內直剪試驗，研究西鐵路黃土塬區早勝一號隧道開挖斷面處黃土古土壤的抗剪強度及其強度參數內摩擦角和粘聚力。

（4）通過室內無荷載膨脹率試驗，研究西鐵路黃土塬區早勝一號隧道開挖斷面處黃土古土壤無荷載膨脹率，以及原狀和重塑黃土古土壤的膨脹率隨含水率的變化狀況。

2 試驗結果及分析

2.1 無側限抗壓強度試驗結果分析

無側限抗壓強度試驗示意圖如圖1（a）所示，無側限抗壓強度應力應變曲線如圖1（b）所示，由圖1（b）可知，在早勝一號隧道1號斜井西安方向上、中、下3個臺階處，隧道圍巖黃土古土壤試樣的無側限抗壓強度應力應變關系曲線變化趨勢總體上表現一致，且無側限抗壓強度相差不大，峰值抗壓強度均在5 MPa左右。在達到峰值抗壓強度前總體呈現上凸形增長，快速經歷應變硬化過程達到峰值強度，曲線峰值明顯，軸向應力達到峰值抗壓強度值后試樣剪切破壞，軸向應力逐漸降低，試樣的破壞后呈穩定破裂傳播的特征，試樣破壞后保持一定的殘余強度，表明試件抗壓時延性較好。

圖1 無側限抗壓強度試驗結果圖

2.2 抗拉強度試驗結果分析

抗拉強度試驗示意圖如圖2（a）所示，抗拉強度應力應變曲線圖如圖2（b）所示。由圖2（b）可知，早勝一號隧道1號斜井西安方向上、中、下3個臺階處的圍巖黃土古土壤試樣抗拉強度相差不大，均在0.6 MPa左右，而一般的黃土的抗拉強度一般為幾千帕到幾十千帕，由此可知隧道圍巖的力學性質優于一般的黃土；此外，試樣的延性度都小于3%，試樣在力的作用下應變很小就發生破壞，試樣抗拉時脆性比較明顯，在達到峰值抗拉強度時，應力明顯出現直線跌落的現象。

圖2 抗拉強度試驗結果圖

2.3 直剪試驗結果分析

早勝一號隧道各方位圍巖黃土古土壤在不同正應力水平（100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa）下的剪切位移與剪切應力關系曲線如圖3、圖4所示。由試驗結果可知，在同一斷面，各臺階黃土古土壤的剪切應力隨施加在豎直方向上的正應力水平的增加而增大，且在各正應力條件下的剪切位移-剪切應力曲線變化趨勢基本一致，表現為駝峰分布；此外，一個明顯的現象是，同一斷面，相同臺階處圍巖黃土古土壤圍巖黃土古土壤達到峰值剪切應力而剪切破壞時的剪切位移隨豎向正應力水平的增加而加大，即正應力水平越高，試樣剪切破壞需要的時間越長；試樣剪切破壞后呈現穩定破裂傳播的特征，破壞后仍能保持一定的殘余強度，抗剪切延性較好。

圖3 直剪試驗結果圖

圖4 剪切應力與剪切位移曲線圖

2.4 黃土古土壤強度參數分析

為進一步研究黃土古土壤強度，采用Mohr-Coulomb準則進行擬合峰值抗剪強度與正應力之間的關系如圖5所示，得到黃土古土壤強度參數（內摩擦角和粘聚力）。將黃土古土壤強度性質試驗詳細結果進行處理統計詳細結果見表2。

圖5 Mohr-Coulomb準則擬合曲線

其中，φ、c分別表示黃土古土壤強度的內摩擦角和粘聚力。

由表2可知，早勝一號隧道1號斜井西安方向上、中、下臺階處黃土古土壤試樣的無側限抗壓強度分別為5.09 MPa、4.98 MPa和4.28 MPa，大小比較接近；而抗拉強度值很接近，其大小分別為0.59 MPa、0.57 MPa和0.56 MPa；相比無側限抗壓強度，黃土古土壤試樣的抗拉強度要弱得很多，大小相差十余倍；此外，由Mohr-Coulomb準則擬合峰值抗剪強度與正應力關系，得到上、中、下臺階處黃土古土壤試樣的抗剪強度參數見表2，其中內摩擦角分別為34.70°、36.14°和35.39°，粘聚力分別為67.93 kPa、68.74 kPa和65.59 kPa。

表2 黃土古土壤強度性質試驗詳細結果

2.5 無荷載膨脹率試驗結果分析

隧道開挖過程中，圍巖含水率會發生變化，有部分圍巖受到擾動，則部分圍巖為擾動黃土古土壤，部分圍巖為原狀黃土古土壤。因此，有必要測試不同含水率情況下原狀和重塑黃土古土壤膨脹率的變化趨勢，探究原狀與重塑黃土古土壤膨脹力受含水率的影響。同樣，將早勝一號隧道1號斜井西安方向黃土古土壤做為研究對象，開展室內無荷載膨脹率試驗研究。早勝一號隧道1號斜井西安方向上、中、下臺階處黃土古土壤試樣膨脹率隨時間的變化如圖6（b）所示，由圖6（b）可看出，在0～250 min內，膨脹率快速增長；250～1 000 min內，膨脹率緩慢增長；1 000 min以后膨脹率幾乎不再增加，上臺階處黃土古土壤最大值可達5.78%。原狀和重塑黃土古土壤最大無荷載膨脹率隨含水率的變化如圖6（c）所示，由圖6（c）所示可以看出，含水率為0%時，原狀黃土古土壤的最大無荷載膨脹率可達37.3%，重塑黃土古土壤的最大無荷載膨脹率可達36.4%。隨著含水率的增加，原狀和重塑黃土古土壤的最大無荷載膨脹率呈冪函數下降。整個含水率的變化過程，重塑黃土古土壤的最大無荷載膨脹率大于原狀黃土古土壤。因此，對圍巖為黃土古土壤的隧道而言，這個最大無荷載膨脹率的值不容忽視，應采取相應措施減少圍巖膨脹的危害。

圖6 無荷載膨脹率試驗結果圖

3 結論

通過對銀西鐵路黃土塬區早勝一號隧道開挖斷面處黃土古土壤力學性質的研究，對黃土古土壤力學性質的認識具有重要意義，可為黃土古土壤地區工程建設活動提供科學依據和研究參考，確保相關工程的穩定性。通過無側限抗壓強度試驗、抗拉強度試驗、直剪試驗和無荷載膨脹率試驗研究分析，得到以下結論。

（1）無側限抗壓強度試驗得出在早勝一號隧道1號斜井西安方向上、中、下3個臺階處，隧道圍巖黃土古土壤試樣的峰值抗壓強度分別為5.09 MPa、4.98 MPa和4.28 MPa，在達到峰值抗壓強度前總體呈現上凸形增長，快速經歷應變硬化過程達到峰值抗壓強度值后試樣剪切破壞，軸向應力逐漸降低，試樣破壞后保持一定的殘余強度，該區域黃土古土壤試樣抗壓延性較好。

（2）抗拉強度試驗得出早勝一號隧道1號斜井西安方向上、中、下3個臺階處的圍巖黃土古土壤試樣抗拉強度均較小，但都相差不大，分別為0.59 MPa、0.57 MPa和0.56 MPa。此外，試樣的延性度都小于3%，試樣在力的作用下應變很小就發生破壞，試樣抗拉時脆性比較明顯，在達到峰值抗拉強度時，應力明顯出現直線跌落的現象。

（3）直剪試驗研究獲得早勝一號隧道1號斜井西安方向上、中、下3個臺階處黃土古土壤的內摩擦角分別為34.70°、36.14°和35.39°，粘聚力分別為67.93 kPa、68.74 kPa和65.59 kPa，為黃土古土壤地區力學性質機理研究提供了參考。

（4）早勝一號隧道1號斜井西安方向上臺階處黃土古土壤膨脹率最大值可達5.78%，原狀和重塑黃土古土壤的最大無荷載膨脹率隨含水率的增加呈冪函數下降，整個含水率的變化過程，重塑黃土古土壤的最大無荷載膨脹率均比原狀黃土古土壤的大。