楊 磊

(陜西楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系,陜西 楊凌712100)

黃土是第四紀(jì)地質(zhì)歷史時(shí)期干旱氣候條件下的沉積物,在我國(guó)的分布面積為64×104km2,占國(guó)土總面積6.6%,多分布于陜甘寧晉。黃土作為一種特殊的非飽和土,其自然界的分布狀態(tài)為不飽和狀態(tài),時(shí)而經(jīng)歷增濕(降雨、入滲等)和減濕(蒸發(fā)等)過(guò)程。含水率和干密度的變化是影響其變形——強(qiáng)度特性的重要因素[1]。本文通過(guò)不同干密度和含水率下黃土的直接剪切試驗(yàn)探討了非飽和黃土的抗剪強(qiáng)度變化特性,并比較了原狀黃土和重塑黃土強(qiáng)度變化的規(guī)律,供黃土工程建設(shè)借鑒。

1 土樣的物理性質(zhì)[2]

試驗(yàn)所用土樣均取自陜西楊凌塬上黃土,取土深度為地面以下4m～6 m,屬于 Q3(馬蘭)黃土,本次試驗(yàn)取得了原狀和重塑兩種黃土樣。取樣后測(cè)得土樣的比重為2.72,土的天然含水率范圍為17%～19.5%,天然干密度為1.50 g/cm3～1.55 g/cm3,天然孔隙比一般為1.095,天然飽和度一般為42.72%。試驗(yàn)土樣的顆粒分析曲線(xiàn)見(jiàn)圖1,試驗(yàn)土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖1 楊凌黃土顆粒級(jí)配曲線(xiàn)圖

表1 黃土土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)

2 原狀非飽和黃土的剪切試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法與成果

采用直接剪切方法進(jìn)行試驗(yàn),試樣高度為2 cm,面積30 cm2。其中所用土樣干密度在1.45 g/cm3～1.65 g/cm3范圍內(nèi),控制試樣的含水率在11.86%～20.84%之間,其具體試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 原狀黃土直剪試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用快剪法,剪切速率為4 r/min,剪切歷時(shí)3 min～5 min,垂直壓力分別為 100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。 試樣在各級(jí)壓力下的抗剪強(qiáng)度取峰值強(qiáng)度,對(duì)無(wú)明顯峰值者,取應(yīng)力應(yīng)變硬化曲線(xiàn)上應(yīng)變量為4 mm所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度。試驗(yàn)資料見(jiàn)表3。

表3 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)成果

典型情況下原狀黃土剪切過(guò)程的剪應(yīng)力與剪應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖2所示。從圖中可以看出,原狀黃土的剪應(yīng)力與剪應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)明顯有峰值出現(xiàn),峰值強(qiáng)度發(fā)生在20%～40%應(yīng)變范圍內(nèi)。

圖2 典型原狀黃土剪應(yīng)力與剪應(yīng)變曲線(xiàn)(含水率為14.72%,干密度為1.59 g/cm3)

2.2 含水率對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度的影響[3～4]

除1、4、6號(hào)試樣外,各個(gè)原狀黃土試樣的干密度和孔隙比相差不大,對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響可以認(rèn)為是完全受含水率影響的結(jié)果。原狀黃土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果列于表3,從表3可以看出,隨含水率的逐漸增大抗剪強(qiáng)度逐漸降低,同時(shí)可以看出土體的內(nèi)摩擦角φ隨著含水率的變化不大,凝聚力c值隨著含水率的增加而逐漸降低,兩者的關(guān)系見(jiàn)圖3所示。從圖3可以看出,凝聚力與含水率之間呈冪函數(shù)關(guān)系,可由式(1)表示:

式中:c為土體的凝聚力(kPa);w為土體的含水率(%);a、b為試驗(yàn)參數(shù)。

圖3 原狀土凝聚力與含水率之間關(guān)系曲線(xiàn)

這樣可以得到土體在干密度相同的情況下,其抗剪強(qiáng)度與含水率、垂直應(yīng)力之間存在以下關(guān)系:

式中:τf為土的抗剪強(qiáng)度(kg/cm2);σ為垂直壓力(kg/cm2);φ為平均內(nèi)摩擦角(°);w為土體的含水率(%);a、b為試驗(yàn)參數(shù),對(duì)于本次試驗(yàn)土樣而言,其值分別為6982.1,2.0435。

3 重塑黃土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

為探討黃土重塑后的強(qiáng)度特性,對(duì)重塑黃土進(jìn)行了抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。具體試驗(yàn)方案和方法如下:對(duì)所取土樣按15%、18%、20%、26%四個(gè)含水率進(jìn)行控制,其中每種含水率制16個(gè)試樣,干密度分別控 制為 1.40 g/cm3、1.50 g/cm3、1.60 g/cm3、1.68 g/cm3,試樣尺寸同原狀樣。

3.2 試驗(yàn)成果

根據(jù)重塑黃土直剪試驗(yàn)的試驗(yàn)成果,將重塑黃土在各級(jí)壓力下所對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度列于表4。

表4 重塑黃土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)成果表 (單位:kPa)

3.3 重塑黃土的應(yīng)力應(yīng)變性狀

重塑黃土由于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度已破壞,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)與原狀黃土相比有明顯的不同,表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型。重塑黃土在剪切過(guò)程中的破壞面基本垂直于加荷軸,沿主應(yīng)力面發(fā)生。重塑黃土的抗剪強(qiáng)度受初始干密度、初始含水率影響顯著,試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可知,隨著剪切位移的逐漸增大,剪應(yīng)力也逐漸增大,應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)無(wú)峰值點(diǎn),重塑黃土在快剪試驗(yàn)條件下,應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)均表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型,在整個(gè)剪切過(guò)程中應(yīng)力的變化梯度比較均勻。

圖4 干密度為1.4 g/cm3,垂直壓力為100 kPa時(shí)重塑黃土剪切應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)

3.4 重塑黃土的抗剪強(qiáng)度[5]

重塑黃土的抗剪強(qiáng)度可認(rèn)為由兩部分組成,一部分是粗粉粒接觸點(diǎn)處的膠結(jié)物質(zhì)形成的加固凝聚力和吸附凝聚力,也就是粘土顆粒間接觸的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度,這是最有效的抗剪強(qiáng)度;另一部分是存在于水—?dú)夥纸缑?亦即收縮膜)上的表面張力。前者是黃土壓實(shí)后所固有的強(qiáng)度,主要與土的成分、密度有關(guān),對(duì)同種土和同樣密度的土來(lái)說(shuō),其值不變。后者是由于收縮膜內(nèi)的水分子受力不平衡產(chǎn)生的,受含水率影響很大,很不穩(wěn)定。

3.4.1 含水率對(duì)重塑黃土抗剪強(qiáng)度的影響

試樣干密度、含水率是影響重塑土剪切性狀的主要因素,當(dāng)試樣干密度一定時(shí),含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響最為顯著。重塑黃土的抗剪強(qiáng)度隨著含水率的增大而減小,而且是干密度大的減小得快。這說(shuō)明,對(duì)處在固態(tài)或半固態(tài)的土體,含水率小,土粒之間的粘結(jié)力是很大的,因而抵抗剪切破壞的極限強(qiáng)度也大,隨著含水率增加,土粒之間的薄膜水增厚,粒間的粘結(jié)力受到削弱,黃土的抗剪強(qiáng)度也隨之降低。

3.4.2 干密度對(duì)重塑黃土抗剪強(qiáng)度的影響

實(shí)測(cè)資料表明,重塑黃土的抗剪強(qiáng)度隨干密度的增大而增大,而且含水率越小,抗剪強(qiáng)度隨干密度的增大幅度越大,對(duì)于高含水率試樣,干密度變化對(duì)重塑土抗剪強(qiáng)度影響較小。如圖5所示,當(dāng)試樣在低含水率時(shí),抗剪強(qiáng)度隨干密度增加而增加。隨著含水率變大,這種增大趨勢(shì)變小;當(dāng)含水率較高時(shí),抗剪強(qiáng)度隨著干密度增加而減小。

圖5 垂直壓力100 kPa的 ρd-τ關(guān)系曲線(xiàn)

在相同的含水率下,抗剪強(qiáng)度隨干密度增加而增加。這是因?yàn)殡S著干密度的增大,土粒之間的聯(lián)結(jié)點(diǎn)數(shù)目增多了,從而使總的聯(lián)結(jié)力增強(qiáng),所以土體的抗剪強(qiáng)度增大。高含水率試樣時(shí),抗剪強(qiáng)度隨著干密度的增大而出現(xiàn)了下降的趨勢(shì),這是因?yàn)樵嚇雍矢?其抗剪強(qiáng)度受含水率影響大,受干密度影響小。

4 原狀、重塑黃土抗剪強(qiáng)度比較分析

相同條件下原狀黃土的抗剪強(qiáng)度比重塑黃土大。非飽和原狀、重塑黃土的抗剪強(qiáng)度與含水率的關(guān)系曲線(xiàn)如圖6所示,ρd=1.50 g/cm3時(shí),同一含水率原狀黃土的抗剪強(qiáng)度值在重塑黃土上方。

5 結(jié) 論

(1)從剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線(xiàn)上看,原狀黃土在快剪試驗(yàn)條件下,應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線(xiàn)有一明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn),在轉(zhuǎn)折點(diǎn)之前,應(yīng)力-應(yīng)變基本呈線(xiàn)性關(guān)系,曲線(xiàn)很陡,位移量很小,在轉(zhuǎn)折點(diǎn)之后,應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)比較平緩;重塑黃土在快剪試驗(yàn)條件下,剪應(yīng)力隨著剪切位移的逐漸增大而逐漸增大,應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)無(wú)峰值點(diǎn),應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型,在整個(gè)剪切過(guò)程中應(yīng)力的變化梯度比較均勻。

圖6 抗剪強(qiáng)度與含水率的關(guān)系曲線(xiàn)

(2)試樣的含水率和干密度是影響黃土抗剪強(qiáng)度的重要因素。原狀黃土的含水率是影響其剪切性狀的主要因素,含水率愈小則抗剪強(qiáng)度愈大,曲線(xiàn)由陡變緩,抗剪強(qiáng)度與含水率成冪函數(shù)關(guān)系,含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響在低含水率時(shí)大于在高含水率時(shí)。對(duì)重塑黃土的含水率,當(dāng)試樣干密度一定時(shí),含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響最為顯著。重塑黃土的抗剪強(qiáng)度隨著含水率的增大而減小,兩者之間存在冪函數(shù)關(guān)系。在相同的含水率下,重塑黃土隨著干密度的增大,土粒之間的聯(lián)結(jié)點(diǎn)數(shù)目增多,從而使土總的聯(lián)結(jié)力增強(qiáng),土體的抗剪強(qiáng)度增大,而且含水率越小,抗剪強(qiáng)度隨干密度的增大幅度越大,對(duì)于高含水率試樣,干密度變化對(duì)重塑土抗剪強(qiáng)度影響較小。

[1] 黃文熙.土的工程性質(zhì)[M].北京:水利水電出版社,1983:25-27.

[2] GB/T50123-1999.土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,1999:25-78.

[3] 駱亞生,胡仲有,張愛(ài)軍.非飽和黃土結(jié)構(gòu)性參數(shù)與其強(qiáng)度指標(biāo)關(guān)系初探[J].巖土力學(xué),2009,30(4):943-948.

[4] 盧肇鈞.非飽和土抗剪強(qiáng)度的探索研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué),1999,(2):12-18.

[5] 黨進(jìn)謙,李靖.非飽和黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度[J].水利學(xué)報(bào),2001,32(7):79-90.