趙金玓，高宇甲，霍繼煒，韓明濤，姜 彤，張俊然， 朱云江

(1.華北水利水電大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院， 河南 鄭州 450045；2.中建七局第四建筑有限公司， 陜西 西安 710000)

黃土因其特定的生成環(huán)境和存在的歷史環(huán)境而形成明顯的垂直節(jié)理和大孔結(jié)構(gòu)，具有特殊的濕陷性。黃土結(jié)構(gòu)性會(huì)在受壓、吸濕條件下減弱直至破壞，從而引起沉降變形[1-2]，而抗剪強(qiáng)度是計(jì)算建筑物路基承載力、邊坡穩(wěn)定性的重要參數(shù)[3-4]。非飽和原狀黃土大多自身疏松、易碎散、整體性低，現(xiàn)場(chǎng)取樣與運(yùn)輸成本相對(duì)較高，同時(shí)在進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，較難成功制出完整的原狀黃土試樣，因此現(xiàn)有的非飽和土分析大都傾向于重塑黃土。但重塑土的結(jié)構(gòu)狀態(tài)、力學(xué)特性等方面與原狀土均存在差異[5-6]，而揭示結(jié)構(gòu)性對(duì)土體力學(xué)行為的影響及二者間的內(nèi)在聯(lián)系是研究土體結(jié)構(gòu)性的根本目的。因此，探究結(jié)構(gòu)性對(duì)具有相同含水率與干密度的原狀黃土與重塑黃土抗剪強(qiáng)度的影響，具有重要的工程意義。

目前針對(duì)不同地區(qū)原狀黃土和重塑黃土抗剪強(qiáng)度的研究主要如下：潘明[7]對(duì)山西碧桂園邊坡工程施工現(xiàn)場(chǎng)的黃土進(jìn)行直剪試驗(yàn)，指出原狀黃土的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線出現(xiàn)了較明顯的峰值點(diǎn)，其曲線屬于應(yīng)變軟化型；張新婷[8]對(duì)陜西徑陽L5地層的黃土進(jìn)行了常規(guī)三軸CD試驗(yàn)，指出原狀黃土的峰值強(qiáng)度在不同含水率不同圍壓下，整體基本高于或等于重塑黃土；王力等[9]對(duì)不同黏粒含量的黃土試樣進(jìn)行了直剪試驗(yàn)，指出隨黏粒含量的增長，黏聚力呈增大趨勢(shì)；張立新等[10]基于非飽和土三軸試驗(yàn)，指出重塑黃土的偏應(yīng)力和硬化程度隨干密度的增大而逐漸增大；Zhang等[11]通過三軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)原狀黃土均表現(xiàn)為應(yīng)變硬化，而干密度較大的非飽和重塑黃土?xí)l(fā)生脆性破壞。

微觀結(jié)構(gòu)是解釋黃土工程性質(zhì)的重要手段。土體的結(jié)構(gòu)性是指土中顆?；蝾w粒集合體及顆粒間的孔隙排列組合聯(lián)結(jié)形成的空間結(jié)構(gòu)體系，其實(shí)質(zhì)是土體物理狀態(tài)的顯示，受到土體顆粒、骨架排列、土間孔隙、微縫裂隙以及化學(xué)物質(zhì)的影響。原狀黃土的骨架由固體顆粒和集合團(tuán)粒組成，孔隙分布在骨架間與團(tuán)粒間，具有一定的結(jié)構(gòu)性和特殊的濕陷性[12]，而結(jié)構(gòu)性黃土的變形與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的破壞有直接的關(guān)系[13]。在土體微觀試驗(yàn)方面，范軍立[14]對(duì)濕陷性黃土微觀結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析與總結(jié)。穆青翼等[15]指出原狀黃土的黏土顆粒膠結(jié)是導(dǎo)致具有較大抵抗加載變形能力的主要原因；禇峰等[16-17]研究了黃土在側(cè)限壓縮、三軸剪切條件下的結(jié)構(gòu)損傷特性。方祥位等[18]借助掃描電鏡分析黃土微觀結(jié)構(gòu)在浸濕條件下的變化，并在黃土本構(gòu)模型中引入微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)。蔣明鏡[19]建立軟硬復(fù)合膠結(jié)模型，在試驗(yàn)和理論方面進(jìn)一步分析黃土的宏微觀關(guān)聯(lián)。

國道G310三門峽西至豫陜界段南移新建工程位于三門峽靈寶市，施工路段包含橋梁、路基、隧道工程。路基在高填方與深挖方的過程中，黃土的抗剪強(qiáng)度會(huì)發(fā)生改變，從而可能引起不均勻沉降；黃土隧道難以形成自然拱，自穩(wěn)能力差，易發(fā)生突然塌方。土體強(qiáng)度對(duì)工程建設(shè)起著關(guān)鍵性的作用，而結(jié)構(gòu)性與力學(xué)性質(zhì)密不可分。為此，選取國道G310三門峽西至陜西段三個(gè)場(chǎng)地的黃土作為代表性試驗(yàn)土樣，取樣地點(diǎn)分別為：函谷關(guān)隧道西出口230 m處、東進(jìn)口530 m處和國道G310靈寶至陜西段高填方路基段東上村橋改路處。對(duì)具有相同含水率和干密度的原狀黃土和重塑黃土進(jìn)行一系列直剪試驗(yàn)和掃描電鏡試驗(yàn)，對(duì)比分析了原狀黃土與重塑黃土在抗剪強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)的差異及其機(jī)理。

1 土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)

為方便記錄，將試驗(yàn)所取三個(gè)場(chǎng)地的土樣進(jìn)行編號(hào)，其中西出口和東進(jìn)口為函谷關(guān)隧道黃土，分別標(biāo)記為A、C；東上村橋?yàn)楦咛罘铰坊S土，標(biāo)記為B。具體編號(hào)及液塑限參數(shù)如表1所示。

圖1為三個(gè)場(chǎng)地黃土的粒徑級(jí)配曲線。A場(chǎng)地黃土的Ip滿足9≤Ip<14，屬于粉質(zhì)黃土；B、C兩種場(chǎng)地黃土的Ip均滿足6≤Ip<9，屬于粉質(zhì)砂黃土。同時(shí)，從表2中可以看出，A、B、C三種場(chǎng)地試驗(yàn)黃土的黏粒含量依次減少。三種場(chǎng)地試驗(yàn)黃土的含水率、干密度、濕陷系數(shù)等參數(shù)見表3。從表中得出，B場(chǎng)地路基黃土濕陷性嚴(yán)重，需要進(jìn)一步改善，A、C場(chǎng)地隧道黃土無濕陷性，滿足工程條件。

表2 試驗(yàn)黃土粒徑分配參數(shù)

圖1 試驗(yàn)黃土的粒徑級(jí)配曲線

表3 試驗(yàn)黃土含水率與干密度及濕陷性參數(shù)

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 原狀與重塑黃土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

對(duì)三個(gè)不同場(chǎng)地所選取的原狀黃土樣均采用環(huán)刀(直徑61.8 mm，高20 mm)制取試樣4，分別在100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的垂直壓力下，施加水平剪切力進(jìn)行剪切，以每分鐘4轉(zhuǎn)的均勻速度旋轉(zhuǎn)手輪，使試樣在3 min～5 min內(nèi)剪壞。為統(tǒng)一處理數(shù)據(jù)，本次實(shí)驗(yàn)均記錄至剪切變形達(dá)到7 mm。之后調(diào)配與原狀土的含水率和干密度相同的重塑土，進(jìn)行同樣的快速直剪試驗(yàn)。

繪制三種場(chǎng)地原狀黃土與重塑黃土的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線，若存在峰值，則選取曲線上的峰值點(diǎn)作為抗剪強(qiáng)度S，如無明顯峰值點(diǎn)，則取穩(wěn)定值或剪切位移Δl等于4 mm對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力作為抗剪強(qiáng)度S，按照此原則選取合適的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)土體的莫爾-庫侖破壞準(zhǔn)則確定土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，進(jìn)而對(duì)比原狀黃土與重塑黃土黏聚力與摩擦角的大小。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 剪應(yīng)力與剪切位移曲線

如圖2所示，A場(chǎng)地原狀黃土在垂直壓力為100 kPa、200 kPa、300 kPa時(shí)出現(xiàn)了峰值強(qiáng)度；B場(chǎng)地黃土在垂直壓力為100 kPa、200 kPa時(shí)出現(xiàn)了峰值強(qiáng)度，C場(chǎng)地黃土在垂直壓力為100 kPa時(shí)出現(xiàn)了峰值強(qiáng)度，表明黃土在原狀條件下，隨著垂直壓力的增大，應(yīng)力-位移曲線出現(xiàn)峰值的現(xiàn)象逐漸不明顯，即應(yīng)變軟化逐漸減弱。在垂直壓力較大的情況下，三種場(chǎng)地黃土的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線并未出現(xiàn)峰值強(qiáng)度，剪應(yīng)力隨剪切位移的增大，前期呈增大趨勢(shì)，后期逐漸穩(wěn)定，出現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象。三種場(chǎng)地重塑黃土在不同垂直壓力下剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線均未出現(xiàn)峰值強(qiáng)度，成曲線性狀，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系總體呈現(xiàn)應(yīng)變硬化型。

黃土的結(jié)構(gòu)性問題主要從顆粒的聯(lián)結(jié)與排列兩方面入手。在結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)沒有遭到破壞以前，它和顆粒聯(lián)結(jié)的特性與穩(wěn)定性有關(guān)，稱之為結(jié)構(gòu)可穩(wěn)性；在結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)遭到破壞以后，它和顆粒的排列特性與均勻性有關(guān)，稱之為結(jié)構(gòu)可變性。土體受荷載作用后，前期由可穩(wěn)性起作用。隨著荷載的逐步增長，初始結(jié)構(gòu)遭到破壞，可穩(wěn)性喪失；后期由可變性起作用，形成和發(fā)展了次生結(jié)構(gòu)?？煞€(wěn)性與可變性相互組合的強(qiáng)弱不同，土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系類型也隨之改變。原狀黃土的結(jié)構(gòu)可穩(wěn)性較大，而可變性較小，因此在受荷過程中表現(xiàn)為應(yīng)變軟化；重塑黃土的結(jié)構(gòu)可變性較大，而可穩(wěn)性較小，在受荷過程中表現(xiàn)為應(yīng)變硬化。隨垂直壓力的不斷增大，原狀黃土的可穩(wěn)性喪失，土顆粒間的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度遭到破壞，其應(yīng)變軟化現(xiàn)象逐漸減弱。

2.2.2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

如圖3所示，三種場(chǎng)地土樣在不同垂直壓力下，原狀土的剪應(yīng)力均大于重塑土的剪應(yīng)力。根據(jù)庫侖定律計(jì)算抗剪強(qiáng)度得表4。

表4 試驗(yàn)黃土抗剪強(qiáng)度參數(shù)

從表4中看出，原狀土黏聚力和內(nèi)摩擦角的值均大于重塑土。這是由于黃土的骨架結(jié)構(gòu)的構(gòu)成主體為粗粉粒，顆粒之間接觸處的可溶鹽起著膠結(jié)的作用，增加了接觸點(diǎn)處的膠結(jié)強(qiáng)度，使得原狀黃土具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在相同含水率和干密度下，原狀黃土內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并沒有發(fā)生破壞，具有原生結(jié)構(gòu)，而重塑黃土結(jié)構(gòu)松散，已經(jīng)發(fā)生破壞，不具有原狀黃土在長期沉積過程中所形成的顆粒間化學(xué)膠結(jié)物、孔隙的形狀以及分布特征、顆粒的空間狀態(tài)。這與韋鋒等[20]的結(jié)果一致。

縱向?qū)Ρ缺?數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，黏粒含量高的黃土抗剪強(qiáng)度比黏粒含量低的抗剪強(qiáng)度大。這是因?yàn)轲ぞ哿Φ漠a(chǎn)生主要是土體骨架顆粒與周圍黏粒共同作用的結(jié)果。黏粒含量降低，黏粒間的膠結(jié)作用減小，土體的黏聚力隨之降低。

圖2 原狀與重塑黃土在不同垂直壓力下的應(yīng)力-位移曲線

3 原狀與重塑黃土的掃描電鏡試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取高填方路基東上村橋?yàn)榇韴?chǎng)地，分別使用原狀黃土和相同含水率、干密度的重塑黃土制作觀察樣，進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)。

掃描電鏡試驗(yàn)前需要處理試樣，利用液氮以及D-1型冷凍干燥機(jī)對(duì)土樣進(jìn)行脫濕。先利用液氮將試樣冷凝，之后將液氮處理過的試樣放到FD-1型冷凍干燥機(jī)里面進(jìn)行干燥，隨后進(jìn)行試樣的制備。先切除毛坯樣品，然后對(duì)四周進(jìn)行環(huán)切處理，制取自然結(jié)構(gòu)面，最終將試樣切成大小合適的觀察樣，并做好標(biāo)記。之后進(jìn)行拋光，按照順序依次放入鍍膜設(shè)備進(jìn)行噴金處理，以消除在電鏡掃描過程中電子轟擊樣品所產(chǎn)生的放電現(xiàn)象對(duì)試驗(yàn)的影響。

將鍍膜完成后的樣品依次放入樣品室內(nèi)進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)圖像掃描，對(duì)每個(gè)樣品分別選取不同位置進(jìn)行觀察拍攝，結(jié)合出圖情況，選擇各樣品中所選位置的同一區(qū)域進(jìn)行放大2 000倍、5 000倍的觀察拍攝記錄，再從中擇優(yōu)選取圖片進(jìn)行微觀定性分析處理。

圖3 試驗(yàn)黃土剪應(yīng)力與垂直壓力關(guān)系曲線

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖4、圖5分別為掃描電鏡放大2 000倍、5 000倍下土樣的微觀圖片，左側(cè)圖片為原狀土樣，右側(cè)圖片為相同干密度1.33 g/cm3以及含水率5.1%條件下的重塑土樣。2 000倍下，原狀黃土顆粒輪廓局部清晰，表面附著黏粒物質(zhì)；骨架顆粒間的支架大孔極為發(fā)育；骨架顆粒表面和接觸處多粘附有能夠起到膠結(jié)作用的細(xì)粒膠結(jié)物；重塑黃土骨架顆粒清晰，以鑲嵌排列為主，次為支架排列；鑲嵌微孔較為明顯，支架大孔次之；大量的細(xì)粒膠結(jié)物包埋骨架顆粒。5 000倍下，原狀土以團(tuán)塊間支架大孔為主，次為鑲嵌微孔發(fā)育；細(xì)粒膠結(jié)物黏附在骨架表面，或構(gòu)成團(tuán)塊，呈片狀分布。重塑土多為顆粒間的小孔隙，骨架顆粒表面粘附的膠結(jié)物同樣呈片狀。

左右兩側(cè)圖片對(duì)比可知，左側(cè)圖片的原狀黃土顆粒完整，顆粒形態(tài)明顯，骨架間孔隙發(fā)育，土體內(nèi)顆粒之間的膠結(jié)狀態(tài)完好，結(jié)構(gòu)性特征顯著。右側(cè)圖片的重塑黃土骨架結(jié)構(gòu)處于密實(shí)的顆粒堆疊狀態(tài)，支架孔隙減少，土樣內(nèi)部顆粒之間的膠結(jié)狀態(tài)遭受到破壞。這表明壓實(shí)作用使得重塑黃土的土體顆粒發(fā)生移動(dòng)，其骨架排列、孔隙分布、膠結(jié)特征、結(jié)構(gòu)類型均發(fā)生了改變，不具備原狀黃土的原生結(jié)構(gòu)，這與重塑黃土的抗剪強(qiáng)度低于原狀黃土的抗剪強(qiáng)度的宏觀力學(xué)表現(xiàn)相吻合。

圖4 SEM(x2000)圖像

圖5 SEM(x5000)圖像

4 結(jié) 論

(1) 國道G310三門峽西至豫陜界段南移地區(qū)三個(gè)場(chǎng)地的黃土所屬分類不同：A場(chǎng)地隧道黃土為粉質(zhì)黃土，無濕陷性；B場(chǎng)地路基黃土為粉質(zhì)砂黃土，濕陷性嚴(yán)重；C場(chǎng)地隧道黃土為粉質(zhì)砂黃土，無濕陷性。

(2) 剪切過程中，原狀黃土的應(yīng)力-位移曲線呈應(yīng)變軟化型而重塑黃土的應(yīng)力-位移曲線呈應(yīng)變硬化型。原狀黃土的應(yīng)變軟化現(xiàn)象隨垂直壓力的增大而逐漸減弱。

(3) 原狀黃土的抗剪強(qiáng)度高于重塑黃土。三種場(chǎng)地原狀黃土和重塑黃土的抗剪強(qiáng)度均隨黏粒含量降低而減小。

(4) 原狀黃土的骨架清晰，以團(tuán)塊為主，大孔隙較為發(fā)育，土體內(nèi)顆粒之間的膠結(jié)狀態(tài)完好；重塑黃土多為鑲嵌微孔，內(nèi)部顆粒之間的膠結(jié)狀態(tài)遭受到破壞，細(xì)粒膠結(jié)物包埋骨架顆粒。這樣的結(jié)構(gòu)差異決定了原狀黃土的抗剪強(qiáng)度比重塑黃土的抗剪強(qiáng)度高。