三门峡地区黄土状粉土静力学特性试验研究

2013-11-04宋日英

华北水利水电大学学报(自然科学版) 2013年4期

宋日英，陈宇

(华北水利水电大学资源与环境学院，河南郑州 450045)

黄土状土在我国西北区域分布广泛，且作为施工材料已大量应用于当地的土坝、堤坝、路基等工程［1－2］.由于自然环境的改变，土体基本状态会产生变化，如由非饱和土向饱和土转变、由饱和土向非饱和土转变以及土体密实状态发生改变.有研究表明，非饱和黄土的密度及水分状态是影响其抗剪强度的重要因素［3－5］.为研究这种影响因素的变化规律，需要进行室内非饱和三轴试验.碾压土体的最大干密度和最优含水率是影响工程质量的重要指标.因此，研究黄土状土的基质吸力对土体破坏强度的影响，非饱和土体在不同干密度及最大干密度ρdmax、不同含水率及最优含水率wop下的力学性质及其变化规律，对黄土状土的工程应用具有重要意义.笔者以三门峡地区黄土状粉土为研究对象，对其静力学特性进行了试验研究.

1 试样制备及试验原理与方法

1.1 土的基本物理性质指标

试验用土来自三门峡地区黄土状土分布区域，原状土呈浅黄色，天然干密度为1.60～1.72 g/cm3，土样比重为2.70，液限为23.7%，塑限为15.1%，塑性指数为8.6，试验土质为黄土状粉土.土料的击实试验采用标准轻型击实法［5］，击实结果:最大干密度ρdmax为1.78 g/cm3，最优含水率wop为12.9% .

1.2 三轴试样制备

采用压实法制备重塑三轴试样［6］.为了研究不同密度及水分状态下黄土的力学性质的变化规律，将含水率为2%，7%，10%，13%，16%的已备土料，分别按干密度1.40，1.62，1.70，1.78，1.98 g/cm3，在三轴重塑土样压实仪上制成高12 cm，直径6 cm的圆柱形试样.此外为研究重塑土体在最大干密度及饱和状态下的力学性质，三轴试样需在最大干密度及最优含水率下进行制样，且所制成的试样在试验前需进行真空饱和.

1.3 试验原理与方法

非饱和三轴试验采用不排水试验方法［7－8］，即试样不进行固结，在施加周围压力和主应力差两个阶段，孔隙空气和孔隙水不允许外排.虽然周围压力引起的超孔隙压力不允许消散，但由于孔隙空气的压缩，试样的体积仍可能发生变化.由于剪切过程中的孔隙压力是不进行量测的，因此通常将不排水试验的成果与总应力结合起来解决工程问题.

非饱和三轴试验采用多样剪，试验围压设置为3 个等级，即σ3=100，200，300 kPa.在试验中，首先按要求对试样施加周围压力，同时打开基质吸力采集系统.待基质吸力稳定后，调节仪器变速箱，以慢剪的速率(0.012 mm/s)施加轴向应力，同时采集试验过程中试样应力、变形及基质吸力3 方面的数据.剪切过程中的不排水加荷使孔隙气压力和孔隙水压力进一步发展，导致净周围压力(σ3－ua)不断减小及基质吸力S 不断增大.

2 非饱和性质对破坏应力的影响

2.1 土体变形特征及破坏应力选取

应力－应变曲线通常有两种形态.不同的破坏形态确定土体破坏偏应力(σ1－σ3)f的标准也不同.对于应力硬化型应力–应变曲线，应力随应变的增加而增加，没有峰值点.这种土体破坏偏应力的确定需要按应变控制，通常选取轴向应变ε=15%为破坏应变，与此应变对应的(σ1－σ3)f作为破坏强度值.

2.2 基质吸力对破坏偏应力的影响

非饱和土的基质吸力对土体强度有着重要影响［9－12］.试样在干密度ρd=1.78 g/cm3时，基质吸力S 与破坏强度(σ1－ σ3)f的关系曲线如图1所示.

图1 基质吸力与破坏强度的关系曲线

由图1 可以看出，试样在同一干密度、不同围压下，基质吸力与土体破坏偏应力关系曲线呈现出两种现象:一是黄土状粉土的破坏强度均随基质吸力的增大而呈非线性增大趋势且曲线形态相似;二是曲线相对位置随围压的增大而升高.出现第一种现象，是由于土体的强度与由土体水分状态所引起的微观结构状态有着密切的关系［13］.在相同干密度下，试样的基质吸力受到水分状态的影响［14］，因此对于基质吸力小的试样，其土体颗粒间水分较多，水分在颗粒间起着润滑作用，从而导致颗粒连接力较弱，故在宏观上表现为土体抵抗外力破坏的能力弱.随着颗粒间水分的减少，基质吸力逐渐增大，颗粒间连接力增大，土体的力学性质也随之增强.出现第二种现象，是由于试样内土颗粒所形成的结构体在较大围压作用下，结构体抵抗变形的能力较强，围压是影响试样破坏偏应力的重要因素［6］，因此导致在相同基质吸力下，破坏偏应力随围压的升高而增大.

3 三轴试验结果分析

3.1 抗剪强度指标的确定

选取破坏偏应力，依据摩尔－库仑定律，以不同围压下的(σ1－σ3)f/2 为半径，(σ1+σ3)f/2 为圆心绘制摩尔应力圆，摩尔应力圆的公切线即为土的强度包线，强度包线与横坐标的夹角为土的内摩擦角φ，强度包线在纵坐标轴上的截矩为黏聚力c［13］.由于应力软化型应力－应变曲线有明显的峰值点，因此各围压下均采用峰值点作为破坏强度值来绘制摩尔应力圆，求出抗剪指标c 与φ.

3.2 水分状态对抗剪强度的影响

试样在最大干密度ρdmax=1.78 g/cm3下，黏聚力c 与含水率w 的关系曲线、内摩擦角φ 与含水率w 的关系曲线分别如图2 和图3 所示.

由图2 可以看出:土的黏聚力c 随着含水率w的增大而减小;曲线的形态特点是，在含水率小于7%的区域，曲线较陡峭，黏聚力随含水率的增加下降较快;含水率在7%～10%区间上曲线下降趋缓，而在10%～16%区间上曲线较为平缓，含水率对黏聚力的影响趋于稳定;随着含水率的继续增大，试样逐渐趋于饱和，黏聚力下降幅度突增，因此含水率大于16%的曲线段较陡.从组成土颗粒的单元体结构方面进行分析，土单元体由土颗粒、孔隙水及孔隙气3 部分组成，随着含水率的增加，孔隙水也相应增多，由于颗粒间水的作用，导致土颗粒之间的粘合力减小.由于各区间水分对试样基质吸力影响大小不同，而基质吸力的大小是影响土体抗剪强度的重要因素［12］，因此导致了不同含水率段，黏聚力下降幅度不一样.

由图3 可以看出:曲线上有一特征含水量w=7%，在该特征含水量附近，φ 取得最大峰值.自该特征含水量开始，φ 随含水率的增加而非单调减少，在最优含水率wop=12.9%附近φ 取得次峰值，此后随着含水率的增加，内摩擦角不断减小且减小幅度逐渐增大，试样达到饱和含水率时，内摩擦角接近零值，因此最优含水率后的曲线段呈现出较陡的形态.水分对内摩擦角φ 产生影响的原因也是由于孔隙水的作用，孔隙水在试样的剪切过程中起到润滑作用.当孔隙完全充满水时，试样达到饱和状态，颗粒间内摩擦力降为零.在φ－w 关系曲线上，在低含水率(w＜10%)出现最大峰值点而在最优含水率附近出现次峰值点，这说明土样在低含水率时的强度大于最优含水率时的强度.对于在工程土料碾压施工中选择合适含水率的问题，笔者认为不应该单纯考虑含水率对强度的影响，还应该考虑在不同含水率下土体的变形特征.文献［6］中关于含水率对应力－应变曲线形态影响的分析表明:试样含水率小于10%时，三轴试验中发生应力软化现象，变形特征不好;试样含水率接近最优含水率时，则出现应力硬化现象，变形特征较好.因此在工程施工中选择在土样最优含水率下进行碾压和夯实比较适宜.

3.3 密度状态对抗剪强度的影响

图5 内摩擦角与干密度的关系曲线

试样在最优含水率wop下，黏聚力c 与干密度ρd的关系曲线和内摩擦角φ 与干密度ρd的关系曲线分别如图4 和图5 所示.

图4 黏聚力与干密度拟合曲线

由图4 可以看出:土的黏聚力c 随着干密度ρd的增大逐渐增大，曲线形态由缓变陡呈现出非线性的变化规律.通过数值分析，这种非线性变化规律符合双曲线模型，拟合公式为

由图4 可知，模型拟合曲线与原型曲线符合性较好，模型曲线得到了验证.以上规律究其原因是，由于土体强度与土颗粒之间的空隙大小有关系，在相同含水率下，土样孔隙比e0随着干密度ρd的增大而减小，孔隙比的减小致使颗粒之间的胶结力增强，因此在宏观上表现为图4 所呈现出的规律.

由图5 可以看出:土的内摩擦角φ 同样随干密度ρd的增大而增加，φ－ρd关系曲线呈现出非线性的变化规律，且曲线上有明显特征值，该特征值为干密度ρd=1.7 g/cm3，在特征值前曲线变化幅度较大，但在特征值后曲线变缓并逐渐接近稳定.由此可以看出，干密度对内摩擦角的影响程度在不同干密度段是有较大区别的.出现这样的变化规律，是由于土样孔隙比e0随干密度ρd增大而减小，导致单位土体土颗粒的数量增多，土颗粒之间摩擦力变大，宏观上表现为内摩擦角的快速增大，但随着干密度增大到一定程度并达到其特征值后，颗粒间的摩擦力增加也逐渐趋于稳定，导致内摩擦角变化也随之趋于稳定.

4 结语

1)非饱和黄土状粉土的基质吸力对土体破坏偏应力有着重要影响.在相同围压下，破坏偏应力随着基质吸力的升高而增大，但在相同基质吸力下，破坏偏应力随围压的升高而增大.

2)试样在最大干密度时，土的黏聚力c 随着含水率w 的增大而减小，在不同含水率段黏聚力的减小幅度有着较大差别;在φ－w 关系曲线上，出现双峰值点，在含水率7%出现最大峰值点而在最优含水率附近出现次峰值点.这意味着相同干密度下的试样在低含水率区间的强度大于最优含水率下的强度，但在低含水率区间土体容易出现脆性破坏，不利于工程安全.

3)抗剪强度参数与密度状态变量呈线性关系，土的黏聚力c 随着干密度ρd的增大而增大且符合双曲线模型;土的内摩擦角φ 同样随干密度ρd的增大而增加，二者呈非线性关系，且在干密度达到1.7 g/cm3后曲线变缓并逐渐趋于稳定.

［1］王永焱，林在贯.中国黄土的结构特征及物理力学性质［M］.北京:科学出版社，1990.

［2］刘东生.黄土与环境［M］.北京:科学出版社，1985.

［3］陈正汉.重塑非饱和黄土的变形、强度、屈服和水量变化特性［J］.岩土工程学报，1999，21(5):603－608.

［4］杨有海，土丽琴，苏在朝，等.重塑黄土的强度特性及其影响因素的研究［J］.兰州铁道学院学报:自然科学版，2003，22(3):38－41.

［5］彭丽云，刘建坤，陈立宏.非饱和击实粉土的强度和屈服特性研究［J］.岩土力学，2008，29(8):2241－2245.

［6］宋日英，黄志全，陈宇.密度及水分状态对黄土状粉土变形特征的影响［J］.工程地质学报，2011，19(4):492－497.

［7］南京水利科学研究院.GB/T 50123—1999 土工试验方法标准［S］.北京:中国计划出版社，1999.

［8］弗雷德隆德D G，拉哈尔佐H.非饱和土力学［M］.陈仲颐，张在明，陈愈炯，等，译.北京:中国建筑工业出版社，1997.

［9］黄志全，陈贤挺，姜彤，等.小浪底水库1#滑坡体非饱和土强度特性实验研究［J］.岩土力学，2009，30(3):640－644.

［10］汤连生.从粒间吸力特性再认识非饱和土抗剪强度理论［J］.岩土工程学报，2001，23(4):412－417.

［11］刘祖典，邢义川.非饱和粉质击实土的强度特性［J］.西北水资源与水工程，1997，4(8):7－14.