壓實黃土強度的三軸試驗研究①

陳 偉，張吾渝，馬艷霞，常立君，王 萌

（1.青海大學 地質工程系，青海 西寧 810016；2.青海大學 土木工程學院，青海 西寧 810016）

0 引言

黃土是我國分布較廣的區域性特殊土，分布面積約為64萬km2，占國土面積的6.6%，主要分布在黃河流域，作為三江源的青藏高原地區也有大面積分布，其中青海黃土的分布面積為2.48萬km2［1］。在房屋、鐵（公）路、隧道等工程建設中經常會遇到黃土地（路）基，其力學特性對地（路）基和邊坡工程的強度、變形及穩定性有重要影響。有關黃土的力學特性，許多學者對其進行了試驗研究。關亮等［2－3］采用非飽和三軸儀分別以甘肅平定高速公路黃土路堤的非飽和填土以及蘭州和平鎮的非飽和重塑黃土為研究對象，進行了一系列的控制吸力的剪切試驗；郭恩輝等［4］以太原地區黃土為研究對象，對土樣進行不同初始條件的室內三軸試驗；馮志焱等［5］采用非飽和土三軸儀，以西安地區Q3黃土為研究對象，對不同含水率的原狀與重塑黃土進行三軸試驗；李永樂等［6］采用特制的非飽和土三軸儀，對不同含水率條件下原狀非飽和黃土的強度和土－水特征曲線進行了試驗研究；索曉芳等［7］以太原地區黃土為研究對象，進行了重塑黃土的室內三軸試驗；劉紅玫等［8］以青海某黃土為研究對象，對不同含水率黃土進行三軸試驗研究。可以看出：許多學者對黃土進行了一定的試驗研究，但由于黃土形成原因及區域性的差異，黃土的物理力學特性有較大的差異，針對青海地區黃土的力學特性研究以往僅限于一般工程應用的需要而進行簡單的物理力學試驗，如常規壓縮試驗、直剪試驗等，而對青海黃土進行三軸試驗研究很少。本文采用三軸試驗研究不同含水率和不同壓實系數條件下壓實黃土的應力應變特性，以獲得工程上常用的鄧肯—張模型參數，可供青海黃土地區工程設計參考。

1 試驗概況

青海地區黃土多為黃色或淡黃色，結構疏松，架空（大孔隙結構）現象明顯，天然含水率較低，平均為13.4%，以粉粒為主，垂直節理發育［1］。本文配制壓實黃土的原狀黃土樣取自青海西寧生物園區某建筑基坑，其基本物理性質見表1所示（引自文獻［9］）。

表1 黃土基本物理性質Table 1 Basic physical properties of loess

為研究含水率對壓實黃土強度特性的影響，配制含水率ω分別為14%、17%，壓實系數λ為0.97的兩組試樣；為研究壓實系數對壓實黃土強度特性的影響，配制壓實系數分別為0.95、0.96，含水率為17%的兩組試樣。試驗儀器為應變控制式常規三軸壓縮儀，試樣尺寸為3.91cm（直徑）×8cm（高度），進行不固結不排水剪切試驗，剪切速率為0.8mm／min，分別在圍壓為100kPa、200kPa、300kPa下剪切直至土樣破壞為止，破壞標準參考《土工試驗方法標準》［10］。

2 試驗結果

2.1 主應力差—軸向應變關系曲線

圖1和圖2分別為兩組不同含水率和兩組不同壓實系數試樣在不同圍壓下主應力差與軸向應變關系曲線。

圖1 不同含水率下（σ1－σ3）－ε1 關系曲線Fig.1 Relation curves of（σ1－σ3）－ε1under different moisture content

由圖1和圖2可知：不同含水率和不同壓實系數下試樣在不同圍壓時，主應力差均隨著軸向應變的增加而增加，并且主應力差與軸向應變關系接近雙曲線；每組試樣在軸向應變相同時，主應力差隨著圍壓的增加而增大，初始切線模量也隨著圍壓的增加而增大。對相同圍壓，破壞點處主應力差隨著含水率的增大（14%～17%）而減小，如在圍壓為100 kPa時，（σ1－σ3）e分別為355.85kPa、266.68kPa；對相同圍壓，破壞點處主應力差隨著壓實系數的增大（0.95～0.96）而增大，如在圍壓為100kPa時，（σ1－σ3）e分別為304.61kPa、362.66kPa。

圖2 不同壓實系數下 （σ1－σ3）－ε1 關系曲線Fig.2 Relation curves of（σ1－σ3）－ε1under different compaction coefficient

圖3 ε1／（σ1－σ3）－ε1 關系曲線Fig.3 Relation curves ofε1／（σ1－σ3）－ε1

2.2 不同含水率和不同壓實系數條件下鄧肯—張模型參數

將含水率為14%的3個試樣試驗結果按照ε1／（σ1－σ3）－ε1關系進行整理，見圖3所示。

由圖3可知，兩者近似成線性關系，表達式為

其中，α為直線的截距，b為直線的斜率。

在常規三軸壓縮試驗中，由于dσ2＝dσ3＝0，切線模量為

在試驗起始點ε1＝0，則起始變形模量Ei＝1／a，不同圍壓下起始變形模量分別為248.14kPa、347.22kPa、404.86kPa。

當ε1→∞，極差偏應力為

定義破壞比為

則不同圍壓下的破壞比分別為0.93、0.90、0.87。

如果繪出lg（Ei／Pa）與lg（σ3／Pa）的關系圖，可以發現兩者近似呈直線關系，如圖4所示。

直線方程為

其中Pa為大氣壓（Pa＝101.4kPa）

由圖計算可得，n＝0.440，K＝2.49。

同樣的方法可以得到其余3組試樣的鄧肯—張模型參數，見表2。強度參數黏聚力和內摩擦角根據不同圍壓的摩爾應力圓公切線求出。

表2 不同含水率和壓實系數下鄧肯—張模型參數Table 2 Duncan－Chang model parameters under different moisture content and different compaction coefficient

從表2可以看出：隨著含水率的增加，土的強度參數黏聚力和內摩擦角均呈現減小的趨勢；隨著含水率的增加，K值和不同圍壓的Rf均呈現減小的趨勢，而n呈現增大的趨勢。隨著壓實系數的增加，土的強度參數呈現增大的趨勢，但變化相對不明顯；隨著壓實系數的增加，K值和不同圍壓的Rf均呈現增加的趨勢，而n呈現減小的趨勢。劉小文等［11］、程瑩等［12］、郭恩輝等［4］分別以重塑紅土、河相及海相軟土、黃土為研究對象，均得出c、φ、K隨干密度的增大而增大，這與本文的結論一致。

圖4 lg／（Ei／pa）－lg（σ3／pa）關系曲線Fig.4 Relation curve of lg／（Ei／pa）－lg（σ3／pa）

3 結論

（1）不同初始條件下，主應力差—軸向應變關系曲線基本符合雙曲線關系；主應力差和初始切線模量隨圍壓的增加而增大；對相同圍壓，破壞點處主應力差隨含水率的增大而減小，隨壓實系數的增大而增大。

（2）當壓實黃土的含水率接近最優含水率或壓實系數較大時，強度參數黏聚力和內摩擦角較大，K值和Rf也較大，而n較小。

（References）

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