趙守全，朱兆榮*，吳紅剛，韓 侃，陳 明

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

隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展，黃土及黃土古土壤地區(qū)工程建設(shè)活動(dòng)也越來(lái)越多，黃土是一種具有特殊結(jié)構(gòu)性質(zhì)的疏松多孔弱膠結(jié)層狀沉積物[1-3]，其工程力學(xué)性質(zhì)受環(huán)境影響較大，屬于易發(fā)生災(zāi)害的土體[4-5]，在工程建設(shè)中常引發(fā)一系列災(zāi)害。而黃土古土壤則是在地質(zhì)歷史時(shí)期，黃土堆積過(guò)程中，由于經(jīng)歷古氣候暖、濕交替的變化過(guò)程形成的土壤層，黃土與黃土古土壤在物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)上有一定的區(qū)別。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于黃土的工程力學(xué)性質(zhì)研究比較多，例如黃土的液化問(wèn)題、應(yīng)力應(yīng)變特性、結(jié)構(gòu)屈服特性等，但對(duì)于黃土古土壤的工程力學(xué)性質(zhì)的研究卻相對(duì)較少，自20世紀(jì)90年代開(kāi)始，人們才逐漸開(kāi)展對(duì)于黃土地層中的黃土古土壤的工程力學(xué)性質(zhì)的研究。

Shao等[6]通過(guò)數(shù)值分析并揭示了黃土隧道在施工過(guò)程中不同破壞形式的形成機(jī)理；Xue等[7]建立了基于開(kāi)挖過(guò)程中的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型，并將其應(yīng)用到實(shí)際工程中進(jìn)行驗(yàn)證，研究有助于加深對(duì)黃土穩(wěn)定性的認(rèn)識(shí)；Deng等[8]對(duì)黃土微觀結(jié)構(gòu)的定量表征和變化進(jìn)行研究并探討了黃土宏觀物理力學(xué)性質(zhì)與擬合參數(shù)的變化規(guī)律的相關(guān)關(guān)系，研究有助于更好地理解黃土的災(zāi)變行為和該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的物理機(jī)制。Shao等[9]系統(tǒng)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(zhì)。Peng等[10]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)直剪試驗(yàn)探討了黃土與古土壤界面過(guò)渡帶的物理力學(xué)性質(zhì)。張奇瑩等[11]開(kāi)展直剪試驗(yàn)，研究了原狀黃土-古土壤抗剪強(qiáng)度的各向異性特征及其形成機(jī)制和影響因素。雷祥義[12]在對(duì)黃土高原南部晚更新世黃土的研究中發(fā)現(xiàn)，此區(qū)域黃土地層自北向南的顯微結(jié)構(gòu)由微膠結(jié)結(jié)構(gòu)逐步過(guò)渡為半膠結(jié)結(jié)構(gòu)，直到膠結(jié)結(jié)構(gòu)，黃土的力學(xué)特性也相應(yīng)由差變好，黃土地層剖面自上而下也存在著上述變化規(guī)律，且黃土古土壤的結(jié)構(gòu)致密，濕陷性較弱，力學(xué)性質(zhì)較好。劉祖典[13]通過(guò)對(duì)不同沉積時(shí)代的黃土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與含水量之間的關(guān)系分析得出，年代越久遠(yuǎn)的黃土抗剪強(qiáng)度越大，同時(shí)代的黃土，當(dāng)干重度相同時(shí)，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(qiáng)度、濕陷性和顆粒成分在垂直向上的變化規(guī)律及其成因，研究發(fā)現(xiàn)黃土地層工程性質(zhì)在垂向上有波動(dòng)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(qiáng)度變大、濕陷性變?nèi)跫翱紫抖冉档?，并指出造成黃土地層工程物理性質(zhì)差異的根本原因是第四紀(jì)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(qiáng)，導(dǎo)致其致密、堅(jiān)硬，抗剪強(qiáng)度更大，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。劉小軍等[15]在對(duì)黃土窯洞病害研究調(diào)查及分析中闡述了黃土古土壤層分布位置的不同對(duì)于窯洞穩(wěn)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(dāng)天然頂棚，對(duì)窯洞整體穩(wěn)定有利，若黃土古土壤層夾于窯頂偏下或窯腿部位，則對(duì)窯洞不利，研究中可發(fā)現(xiàn)黃土古土壤的力學(xué)特性不同于黃土，且黃土古土壤的力學(xué)特性對(duì)于黃土地區(qū)建設(shè)具有重要的意義。劉海松、彥斌等[16-17]根據(jù)洛川標(biāo)準(zhǔn)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(xué)性質(zhì)的變化特征，得出黃土地層沿深度力學(xué)特性出現(xiàn)幅度不等的波動(dòng)性變化。這些研究表明，黃土與黃土古土壤在物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)上有明顯的區(qū)別。鄧軍濤等[18]對(duì)原狀與重塑黃土古土壤的抗剪強(qiáng)度特性隨含水率與干密度的變化進(jìn)行了研究，進(jìn)行了多組室內(nèi)直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)黃土古土壤的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨含水率的增大而減小，內(nèi)摩擦角與含水率呈二次拋物線(xiàn)關(guān)系，粘聚力與含水率呈指數(shù)關(guān)系，為黃土地區(qū)工程建設(shè)中的參數(shù)選取提供了依據(jù)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)黃土古土壤滲透性、抗剪性等物理性質(zhì)的試驗(yàn)研究已有較多成果。然而，對(duì)黃土古土壤的抗壓、抗拉強(qiáng)度及無(wú)荷載膨脹率等工程力學(xué)性質(zhì)的研究卻相對(duì)較少，缺乏相關(guān)的研究文獻(xiàn)資料支撐。因此，本文著重從銀西鐵路黃土塬區(qū)早勝一號(hào)隧道開(kāi)挖斷面黃土古土壤試樣的抗壓、抗拉及抗剪強(qiáng)度3方面進(jìn)一步開(kāi)展研究工作，以期為工程建設(shè)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

土樣為取自銀西鐵路黃土塬區(qū)早勝一號(hào)隧道開(kāi)挖斷面的黃土古土壤，土樣呈鮮紅色，結(jié)構(gòu)致密均勻，根據(jù)SL237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》[19]及GB/T50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[20]，嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范開(kāi)展相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)得的土樣基本物理性質(zhì)詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)表1。該黃土古土壤組成主要以粉粒為主，各部位（上、中、下臺(tái)階）含量分別高達(dá)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(tái)階）土樣液限分別為44.54%、42.78%和44.02%，均低于50%，塑性指數(shù)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(zhì)黃土古土壤。

表1 土樣物理性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方案

（1）通過(guò)室內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究西鐵路黃土塬區(qū)早勝一號(hào)隧道開(kāi)挖斷面處黃土古土壤的抗壓強(qiáng)度。

（2）通過(guò)室內(nèi)抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，研究西鐵路黃土塬區(qū)早勝一號(hào)隧道開(kāi)挖斷面處黃土古土壤的抗拉強(qiáng)度。

（3）采用南京土壤儀器廠(chǎng)的ZJY-3型等應(yīng)變直剪儀，通過(guò)室內(nèi)直剪試驗(yàn)，研究西鐵路黃土塬區(qū)早勝一號(hào)隧道開(kāi)挖斷面處黃土古土壤的抗剪強(qiáng)度及其強(qiáng)度參數(shù)內(nèi)摩擦角和粘聚力。

（4）通過(guò)室內(nèi)無(wú)荷載膨脹率試驗(yàn)，研究西鐵路黃土塬區(qū)早勝一號(hào)隧道開(kāi)挖斷面處黃土古土壤無(wú)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(yàn)結(jié)果及分析

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)示意圖如圖1（a）所示，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)如圖1（b）所示，由圖1（b）可知，在早勝一號(hào)隧道1號(hào)斜井西安方向上、中、下3個(gè)臺(tái)階處，隧道圍巖黃土古土壤試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)變化趨勢(shì)總體上表現(xiàn)一致，且無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相差不大，峰值抗壓強(qiáng)度均在5 MPa左右。在達(dá)到峰值抗壓強(qiáng)度前總體呈現(xiàn)上凸形增長(zhǎng)，快速經(jīng)歷應(yīng)變硬化過(guò)程達(dá)到峰值強(qiáng)度，曲線(xiàn)峰值明顯，軸向應(yīng)力達(dá)到峰值抗壓強(qiáng)度值后試樣剪切破壞，軸向應(yīng)力逐漸降低，試樣的破壞后呈穩(wěn)定破裂傳播的特征，試樣破壞后保持一定的殘余強(qiáng)度，表明試件抗壓時(shí)延性較好。

圖1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果圖

2.2 抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)示意圖如圖2（a）所示，抗拉強(qiáng)度應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)圖如圖2（b）所示。由圖2（b）可知，早勝一號(hào)隧道1號(hào)斜井西安方向上、中、下3個(gè)臺(tái)階處的圍巖黃土古土壤試樣抗拉強(qiáng)度相差不大，均在0.6 MPa左右，而一般的黃土的抗拉強(qiáng)度一般為幾千帕到幾十千帕，由此可知隧道圍巖的力學(xué)性質(zhì)優(yōu)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(yīng)變很小就發(fā)生破壞，試樣抗拉時(shí)脆性比較明顯，在達(dá)到峰值抗拉強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)力明顯出現(xiàn)直線(xiàn)跌落的現(xiàn)象。

圖2 抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果圖

2.3 直剪試驗(yàn)結(jié)果分析

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

圖3 直剪試驗(yàn)結(jié)果圖

圖4 剪切應(yīng)力與剪切位移曲線(xiàn)圖

2.4 黃土古土壤強(qiáng)度參數(shù)分析

為進(jìn)一步研究黃土古土壤強(qiáng)度，采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則進(jìn)行擬合峰值抗剪強(qiáng)度與正應(yīng)力之間的關(guān)系如圖5所示，得到黃土古土壤強(qiáng)度參數(shù)（內(nèi)摩擦角和粘聚力）。將黃土古土壤強(qiáng)度性質(zhì)試驗(yàn)詳細(xì)結(jié)果進(jìn)行處理統(tǒng)計(jì)詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)表2。

圖5 Mohr-Coulomb準(zhǔn)則擬合曲線(xiàn)

其中，φ、c分別表示黃土古土壤強(qiáng)度的內(nèi)摩擦角和粘聚力。

由表2可知，早勝一號(hào)隧道1號(hào)斜井西安方向上、中、下臺(tái)階處黃土古土壤試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為5.09 MPa、4.98 MPa和4.28 MPa，大小比較接近；而抗拉強(qiáng)度值很接近，其大小分別為0.59 MPa、0.57 MPa和0.56 MPa；相比無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，黃土古土壤試樣的抗拉強(qiáng)度要弱得很多，大小相差十余倍；此外，由Mohr-Coulomb準(zhǔn)則擬合峰值抗剪強(qiáng)度與正應(yīng)力關(guān)系，得到上、中、下臺(tái)階處黃土古土壤試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)見(jiàn)表2，其中內(nèi)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(qiáng)度性質(zhì)試驗(yàn)詳細(xì)結(jié)果

2.5 無(wú)荷載膨脹率試驗(yàn)結(jié)果分析

隧道開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖含水率會(huì)發(fā)生變化，有部分圍巖受到擾動(dòng)，則部分圍巖為擾動(dòng)黃土古土壤，部分圍巖為原狀黃土古土壤。因此，有必要測(cè)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(shì)，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(hào)隧道1號(hào)斜井西安方向黃土古土壤做為研究對(duì)象，開(kāi)展室內(nèi)無(wú)荷載膨脹率試驗(yàn)研究。早勝一號(hào)隧道1號(hào)斜井西安方向上、中、下臺(tái)階處黃土古土壤試樣膨脹率隨時(shí)間的變化如圖6（b）所示，由圖6（b）可看出，在0～250 min內(nèi)，膨脹率快速增長(zhǎng)；250～1 000 min內(nèi)，膨脹率緩慢增長(zhǎng)；1 000 min以后膨脹率幾乎不再增加，上臺(tái)階處黃土古土壤最大值可達(dá)5.78%。原狀和重塑黃土古土壤最大無(wú)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(shí)，原狀黃土古土壤的最大無(wú)荷載膨脹率可達(dá)37.3%，重塑黃土古土壤的最大無(wú)荷載膨脹率可達(dá)36.4%。隨著含水率的增加，原狀和重塑黃土古土壤的最大無(wú)荷載膨脹率呈冪函數(shù)下降。整個(gè)含水率的變化過(guò)程，重塑黃土古土壤的最大無(wú)荷載膨脹率大于原狀黃土古土壤。因此，對(duì)圍巖為黃土古土壤的隧道而言，這個(gè)最大無(wú)荷載膨脹率的值不容忽視，應(yīng)采取相應(yīng)措施減少?lài)鷰r膨脹的危害。

圖6 無(wú)荷載膨脹率試驗(yàn)結(jié)果圖

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)銀西鐵路黃土塬區(qū)早勝一號(hào)隧道開(kāi)挖斷面處黃土古土壤力學(xué)性質(zhì)的研究，對(duì)黃土古土壤力學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)具有重要意義，可為黃土古土壤地區(qū)工程建設(shè)活動(dòng)提供科學(xué)依據(jù)和研究參考，確保相關(guān)工程的穩(wěn)定性。通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)和無(wú)荷載膨脹率試驗(yàn)研究分析，得到以下結(jié)論。

（1）無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得出在早勝一號(hào)隧道1號(hào)斜井西安方向上、中、下3個(gè)臺(tái)階處，隧道圍巖黃土古土壤試樣的峰值抗壓強(qiáng)度分別為5.09 MPa、4.98 MPa和4.28 MPa，在達(dá)到峰值抗壓強(qiáng)度前總體呈現(xiàn)上凸形增長(zhǎng)，快速經(jīng)歷應(yīng)變硬化過(guò)程達(dá)到峰值抗壓強(qiáng)度值后試樣剪切破壞，軸向應(yīng)力逐漸降低，試樣破壞后保持一定的殘余強(qiáng)度，該區(qū)域黃土古土壤試樣抗壓延性較好。

（2）抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)得出早勝一號(hào)隧道1號(hào)斜井西安方向上、中、下3個(gè)臺(tái)階處的圍巖黃土古土壤試樣抗拉強(qiáng)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(yīng)變很小就發(fā)生破壞，試樣抗拉時(shí)脆性比較明顯，在達(dá)到峰值抗拉強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)力明顯出現(xiàn)直線(xiàn)跌落的現(xiàn)象。

（3）直剪試驗(yàn)研究獲得早勝一號(hào)隧道1號(hào)斜井西安方向上、中、下3個(gè)臺(tái)階處黃土古土壤的內(nèi)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(qū)力學(xué)性質(zhì)機(jī)理研究提供了參考。

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