非飽和重塑黃土的力學特性研究

【摘要】非飽和黃土的強度特性比一般的粘性土更為復雜，其強度是黃土抗剪能力的量度，同時也是黃土邊坡工程、地基工程和洞室工程設計計算的重要參數。文中以陜西楊凌地區的黃土為對象，通過三軸不固結不排水實驗研究不同圍壓、不同干密度對非飽和重塑黃土強度特性的影響。依據實驗所得的數據，確定每組土樣的強度指標c、φ 值，找出土樣的抗剪強度隨干密度的變化規律。

【關鍵詞】非飽和黃土；常規三軸試驗；含水率；干密度

1、研究背景和意義

黃土在我國分布較廣，主要分布在黃河流域，是一種區域性特殊土，分布面積大約占國土面積的6.6%。黃土是一種特殊的第四紀陸相松散堆積物，覆蓋了我國西北、華北等地區64萬km2的疆土。位于西北地區的楊凌黃土，在干旱、半干旱及地下水深埋條件下，通常處于非飽和狀態。

近幾年來，包括國內外許多學者已經在非飽和土理論研究方面取得了比較大的進展。從黃土的主要工程力學性質：滲透性、動力特性、壓縮變形特性和黃土剪切強度特性等方面做了大量研究，取得了一定的成果。但是，正如沈珠江院士指出的“非飽和土力學的發展已經到了從量的積累到質的飛躍的關鍵時刻”。非飽和土理論的不斷發展為解決非飽和黃土的工程問題也開辟了一條新的途徑。目前，關于非飽和土的強度理論與本構模型是研究非飽和土力學的難點，至今對黃土動力特性研究的主題仍然是土的動力學的三大基本課題，即為黃土的震陷與動變形，黃土的動強度與液化和黃土的動應力-應變關系（含動力特性參數）問題。

2、研究思路及內容

采用常規三軸剪切試驗，對陜西省楊凌區黃土采用不固結不排水方法（UU）進行抗剪強度的研究。分別控制重塑黃土的含水率和干密度ρd，研究其抗剪強度的變化規律。初步擬定土樣含水率為13%，干密度ρd為1.3g/cm3、1.4 g/cm3、1.5 g/cm3、1.6 g/cm3的土樣。共4組，每組3個土樣，每組土樣施加的圍壓為100kPa、200kPa、300kPa，剪切速率為0.18mm/min。

根據實驗所得的數據，得出每個土樣的應力-應變曲線和摩爾圓，并得出每組土樣的c、φ值，找出土樣的抗剪強度與干密度ρd的變化規律。

3、研究方案與方法

3.1土樣基本物理性質指標

試驗用黃土土樣取自陜西楊凌大道某建筑場地，屬于渭河二級階地。取土場地的地形比較平坦，取土深度為4m左右。所取土料特征為：黃褐色，較濕潤，結構致密，土質均勻。根據《土工試驗規程（SL237-1999）》的要求，采用聯合液塑限儀、輕型擊實等方法進行了相關物理性質指標的測定，結果如下。試驗用土的基本物理性質指標見表1。

為了保持非飽和黃土土樣的試驗含水量的穩定和均勻，每組試樣制備好后，用保鮮膜密封后放入養護缸中養護24h后再進行試驗。

3.2試驗方法

本次試驗采用應變控制式三軸儀，采用不固結不排水快剪法（UU），剪切速率0.18mm/min，每個土樣剪切歷時67～80min。本次試驗所用應變控制式三軸儀由壓力室、施加周圍壓力系統、軸向加壓設備、體積變化和孔隙壓力測量系統等系統組成。可用于測量土的抗剪強度、應力-應變關系及體變等。

4、試驗結果與結論

4.1試驗結果

通過進行不固結不排水的常規三軸試驗，并記錄相關數據，整理得到非飽和重塑黃土三軸剪切試驗成果如下：

干密度對應力應變的影響

非飽和重塑黃土的應力-應變關系曲線基本上符合雙曲線模型。但當其應變在 1.5%～3%以前時，應力隨著應變的增加并不符合雙曲線模型，這是由于在應變較小時，隨著土體的應力增大，土體的應變以彈性變形為主，這與非飽和土的理論相吻合。圖 1～圖 4 為相同含水率（w=13%），不同干密度條件下的應力-應變關系曲線。

（2）干密度對強度指標的影響

根據有效應力原理以及大量的試驗證明：同一試樣，不論做任何固結度的不排水剪切試驗，其總應力強度線不同，但有效應力強度線是唯一的，也就是說，有效應力強度指標是一定值。

按照三軸剪切試驗數據繪制在不同圍壓條件下的摩爾應力圓，從而可得出不同初始條件下試驗土樣的 c、φ值，其具體數值見表2

表2可以看出，在保持含水率不變時，隨干密度的增大，粘聚力c呈明顯的增大趨勢，其增大的幅度也逐漸增大。在相同含水率的條件下，隨著干密度ρd的增加，內摩擦角 φ 也呈增大趨勢，但其增大的幅度很小，且內摩擦角 φ 與干密度的關系不是簡單的線性或者曲線關系。

4.2.主要結論

本次試驗取得的主要研究成果如下：

（1）在相同含水率和施加相同圍壓的條件下，應力-應變曲線的變化受干密度ρd的影響較大。隨著干密度ρd的不斷增加，試驗土樣的應力-應變曲線由強硬化型逐漸向強軟化型變化。當ρd≤1.4g/cm3時，為強硬化型，試樣破壞類型為鼓狀破壞；當1.4g/cm3≤ρd≤1.6g/cm3時，為弱軟化型，試樣破壞的時候有細小斜裂縫產生；當ρd≥1.6g/cm3時，為強軟化型，試樣破壞時斜向裂開，出現明顯的剪切帶。

（2）含水率w相同時，隨干密度ρd的增加，重塑黃土樣的應力—應變曲線由硬化型向軟化型轉變，隨圍壓的增大，應變硬化和剪縮現象更為明顯。

參考文獻：

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作者簡介：張宏 女 1975年8月生，陜西丹鳳人，碩士研究生，副教授，從事水利水電工程的教學與研究工作。