含水率对压实黄土变形和强度的影响研究

胡 鹏

(太原理工大学，山西 太原 030024)

随着中西部发展进程的加快，建设用地紧张问题日益凸显。黄土地区的工程建设，尤其是公路渠堤的修筑，本着因地制宜的原则，常就地取材，将黄土压实后作为填料[1，2]。黄土性质特殊，经过压实重塑，其原有结构遭到一定程度的改变[3，4]，因此，关于黄土压实后工程性质的探讨研究，对工程建设具有非常重要的指导作用。

本文以长临高速路上某区段黄土状填土为研究对象，通过室内击实试验、压缩试验、直剪试验，研究在不同击实能量作用下，击实含水率对压实后黄土工程性质的影响。

1 击实试验

1.1 击实机理

一般认为，在黏性土中含水率较低时，由于土粒表面的结合水膜较薄，土粒间距较小，粒间电作用力以引力为主，土粒的相对位移阻力较大，在击实能的作用下，较难克服这种阻力，因此压实效果较差。随土中含水率的增加，结合水膜增厚，土粒间距也增大，斥力增大而引力相对减小，压实能较易克服粒间引力使土粒相互位移，趋于密实，压实效果好，这时土体所对应的干密度为最大干密度，含水率为最优含水率。但当土中含水率继续增大，虽粒间引力减小，但土中出现自由水，击实时孔隙中过多的水分不易立即排出，这会影响土粒的靠拢，同时无法排出的气体以封闭气泡的形式存在，很大一部分存在于土体内部，击实时气泡暂时减小，很大一部分击实能由孔隙气承担，转化为孔隙压力，击实仅能使土粒更高程度的定向排列，而土体体积几乎不变化，压实效果反而下降[5]。

1.2 击实曲线

试验土样取自长临高速路K99+307.6段。取回后将其风干、去除杂质以备用。土样基本物理指标见表1。根据塑性指数和粒径小于0.005 mm的颗粒含量占全重的比例，判定该土样为粘质粉土[6]。

表1 土样基本物理指标

采用标准手提击实仪对土样击实，选取击实能量分别为592.2 kJ/m3和1 208.2 kJ/m3，每种能量下各制备5个不同初始含水率的试样，且相邻两个含水率的差值宜为2%左右。绘制击实曲线如图1 所示，E=592.2 kJ/m3时，最大干密度为1.78 g/cm3，最优含水率为15.7%;E=1 208.2 kJ/m3时，最大干密度为1.86 g/cm3，最优含水率为13.1%。

图1 两种击实能量下的击实曲线

2 压缩试验

配制击实能量592.2 kJ/m3，含水率分别为 13.3%，15.8%，17.2%，击实能量 1 208.2 kJ/m3，含水率分别为 11.3%，13.1%，15.7%的试样，每组试样含饱和试件和非饱和试件。利用压缩仪对土样加压，加压等级分别为 50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa，每级压力下的稳定标准为每小时变形不超过0.01 mm。

图2和图3分别表示在击实能量592.2 kJ/m3和1 208.2 kJ/m3作用下，土样的孔隙比随垂直压力变化关系曲线。由图2，图3可知，随击实含水率的增大，土样孔隙比随垂直压力变化的速率越快，反映到图上，即在击实含水率较大的情况下，土样e—p曲线比较陡峭，而击实含水率较小时，土样e—p曲线相对平缓。

图2 E=592.2 kJ/m3土样e—p曲线

图3 E=1 208.2 kJ/m3土样e—p曲线

以压力由100 kPa增大到200 kPa时的压缩系数α1－2来评定土体压缩性，结果如表2所示，击实含水率高，压缩系数也较大，土样压缩性增高。在相同击实能量、相同击实含水率作用下，饱和试样的压缩性高于非饱和试样的压缩性。

表2 土样压缩系数

3 直剪试验

制备与压缩试验相同的黄土试样，利用剪切仪进行直剪试验。所有试件土样均处于非饱和状态，故在直剪盒的活塞周围用湿棉花围住，防止试件在试验过程中含水率发生较大变化。直剪试验每组试样的4个试件分别施加100 kPa，200 kPa，300 kPa，400 kPa的垂直压力，以6 rad/min的均匀速度旋转手轮，使试样在3 min～5 min内剪损。

图4和图5反映了抗剪强度随击实含水率的变化规律。由图4，图5可得，抗剪强度与垂直压力呈现良好的线性关系，且击实含水率越小，土样的抗剪强度越大，随着含水率增大，抗剪强度逐渐变小。

图4 E=592.2 kJ/m3土样抗剪强度破坏曲线

图5 E=1 208.2 kJ/m3土样抗剪强度破坏曲线

根据库仑公式，粘性土τf=c+σtanφ。其中，τf为土体抗剪强度;σ为施加的正应力;c为土体粘聚力;φ为土体内摩擦角。利用公式拟合，得到粘聚力、内摩擦角与击实含水率的关系表，如表3所示。由表3可知，随着击实含水率的增大，粘聚力和内摩擦角均有不同程度的减小，其中，粘聚力受击实含水率的影响更大，而内摩擦角呈现出在一定范围内递减的趋势。由于抗剪强度主要是受土粒之间的粘结作用和摩擦作用的影响，它们的减小也直接导致了土体抗剪强度的减小。

表3 不同击实含水率下的粘聚力和内摩擦角

4 结语

1)基于室内一维固结试验研究了含水率对压实黄土压缩变形的影响，试验结果表明:土体的压缩性随着压实含水率的增大而呈现逐渐增强的趋势。并且在相同击实能量、相同击实含水率作用下，压实后的土体经过浸水饱和后的压缩性能总是大于饱和前的。

2)基于室内直剪试验研究了含水率对压实黄土抗剪强度的影响，试验结果表明:抗剪强度都与垂直压力呈现良好的线性关系。压实含水率小的土样具有较大的抗剪强度，且随着压实含水率的增加，其抗剪强度逐渐降低，抗剪强度指标也有不同程度的减小。

[1] 邓卫东.高填路堤稳定性研究[D].西安:长安大学，2003:21－23.

[2] 刘 斌，彭洪尧.湿陷性黄土的工程特性及其对路堤沉降的影响[J].中国科技博览，2009(9):253－255.

[3] 李晓军，张登良.黄土微结构定量评价的探讨与展望[J].西安公路交通大学学报，1998(11):45－48.

[4] 楚华栋，裴章勤，马周全，等.黄土的工程特性、筑路技术和病害处理[J].铁道工程学报，2005(12):340－347.

[5] 侍 倩.土工试验与测试技术[M].北京:化学工业出版社，2004:102－104.

[6] GB 50021－2001，岩土工程勘察规范[S].