含水率对非饱和原状黄土强度的影响

2013-12-13张宁宁骆亚生

水土保持通报 2013年5期

张宁宁，骆亚生，沙磊

（1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌712100；2.中国石油长庆油田分公司第五采气厂，内蒙古乌审旗017312）

黄土在世界范围内分布广泛，分布总面积约为1 300km2，占陆地面积的9.3%，黄土地区地下水位一般埋藏较深，因此黄土多处于非饱和状态。非饱和状态的土质地疏松，孔隙大，垂直节理发育，可溶盐含量高，具有湿陷性［1］，然而随着黄土中含水率的增加，其强度与稳定性都逐渐降低，从而给黄土地区的工程建设带来隐患。因此，合理、全面地掌握非饱和黄土的工程性质，特别是研究非饱和黄土变形和强度随含水率变化的规律，对工程建设具有重要的意义与参考价值。

许多工程结构在长度方向断面形状不变，荷载情况也不变，如路堤、河堤、土石坝、挡土墙、地下隧道、码头驳岸、机场跑道等，土体的应力变形状态为平面应变问题［2］。采用平面应变试验进行土体变形和强度的研究要比常规三轴试验更符合土体实际受力状态，所得的强度也更加接近土体的实际强度。朱思哲等［3］采用平面应变试验和常规三轴试验测得同一种土的强度，试验结果表明平面应变下土体的强度要比常规三轴下的强度要高出30%左右。目前有许多学者对平面应变条件下的不同材料进行了试验研究，其结果均证明平面应变对材料的影响是不可忽视的［4－10］。

本文对陕西子洲原状非饱和黄土进行了平面应变试验，探究了不同含水率下原状非饱和黄土的变形和强度特性，为实际工程提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

土样取自陕西省子洲县距“3·10”滑坡现场不远处某坡体断面。取土深度3m左右，属晚更新世Q3黄土，天然含水率7.0%，天然干密度1.45g／cm3，颗粒相对密度2.70，轻型击实试验测得最优含水率16.2%，最大干密度1.70g／cm3，该土样物理性质指标见表1。

表1 黄土土样的物理性质指标

1.2 试验装置

对日本谷腾机械工业株式会社生产的TS-526真三轴仪进行了改造，用有机玻璃替换真三轴仪压力室的中主应力刚性加压部件，使得该中主应力加压面为零应变面，试样受力状况如图1所示。为了在试验过程中能够测试非饱和黄土的孔隙气压力和孔隙水压力，在原真三轴室的试样冒上安装上了管路并在管路末端安装了孔隙气压力传感器；用嵌有陶土板的底座替换了原真三轴室的底座，并在底部安装有孔隙水压力传感器；其孔隙气压力与孔隙水压力装置图如图2所示。

图1 三轴试验土样受力状况（σ为围压）

图2 传感器示意图

1.3 试验制备与试验方法

（1）试样制备。试样制备依据《土工试验规程》规定的步骤进行，将取回来的大块土样，先用削土刀将土块削成110mm×110mm×50mm的小块，分土时要注意土块的原位上下方向，再将土样迅速削成试验所需尺寸88.9mm×88.9mm×35.56mm，并在制样过程中所有试样的干密度保持一致，其值为1.45g／cm3，试样制备完成后测量试样尺寸，其误差不能超过0.1mm，并称其质量，若二者之一不能满足，则该土样作废。根据试验所需的含水率w10%，13%，16%，21%，24%，27%，用水膜转移法配制不同含水率的试样，其试样含水率误差不能超过1%，否则重新配制。

（2）试验方法。试验中采用初始固结围压σc分别为50，100，200kPa来模拟土体原位时的应力状态。根据试验目的，试验结束的条件是控制轴向应变达到试样固结后高度的16%～20%，过程中还要兼顾量力环的最大量程，即量力环变形不超过2.5mm，但是在强度特性分析过程中，考虑到土样的应力—应变曲线皆为硬化性曲线，所以选择轴向应变为15%作为破坏条件。

根据Roscoe平面内应力定义，作以下约定：偏应力q＝0.5（σ1－σ3），体应变εv＝（ε1＋ε3）［11］。式中：ε1——试样的轴向应变（%）；ε3——试样的侧向应变（%）。

2 结果与分析

2.1 不同含水率下非饱和黄土的应力应变曲线特性

不同含水率在围压σ3＝50kPa下的偏应力与轴向应变的关系曲线如图3所示，以及围压σ3＝50kPa下的偏应力与体应变的关系曲线如图4所示。

（1）由图3可以看出，土体的偏应力与轴向应变的关系曲线均表现为硬化或者强硬化型，在剪切初期，剪应力增加很快但变形发展较慢，曲线较陡；随着轴向应变的继续增加，土体剪切应力也随之增加，曲线的斜率变缓。含水率（w）对偏应力的影响规律较为明显，表现为随着含水率的增加达到同一轴向变形所需的偏应力值越小；在围压为σ3＝100kPa，σ3＝200kPa，土样含水率从10%变化到21%时，其含水率对土体强度的影响不明显，达到同一轴向应变时所需的偏应力没有明显变化，而在含水率为24%，27%时，土样的强度显著减少，规律性较好。为了便于观察将不同含水率下土样破坏时的偏应力值列于表2中。

图3 偏应力与轴向应变ε的关系曲线

表2 破坏偏应力与含水率关系

（2）由图4可以看出，土体的偏应力与体应变的关系曲线存在明显的拐点，拐点之前土体表现为压缩，拐点之后土体则表现为剪胀。在围压σ3＝50kPa下，随着含水率从13%增加到21%，曲线出现拐点的趋势越来越早，即随含水率增大，土体越容易向两侧膨胀挤出。为更直观地看到含水率对曲线拐点出现早晚的变化规律，将不同围压下曲线拐点处所对应的体积应变值和偏应力列在同一表中（表3）。在σ3＝50kPa，σ3＝100kPa时，随着含水率的增加，拐点处的体积应变值在含水率小于21%之前呈现减小趋势，而在含水率为24%时曲线拐点的体积应变值增大，当含水率为27%时土样的压缩量减小；在σ3＝200kPa时，土样的压缩量随着含水率的增加略呈上升趋势，在含水率为27%时土样的压缩量显著降低，而相应的偏应力随含水率的增加呈下降趋势。

图4 偏应力与体应变关系曲线（σ3＝50kPa）

表3 土体剪胀时含水率、偏应力、体变之间的关系

2.2 原状非饱和黄土的抗剪强度

不同含水率下原状非饱和黄土的工程特性参数如表4所示。

表4 非饱和黄土的工程特性参数

从表4可以看出，非饱和原状黄土的抗剪强度参数受含水率的影响较为明显，随着土体含水率的增大其总凝聚力与内摩擦角均降低。在含水率为27%时，土样的凝聚力为4.9kPa，内摩擦角为33.4°，较含水率在10%情况下的凝聚力和内摩擦角均降低15.6kPa和7.3°，这可以更进一步地说明非饱和黄土的强度要高于饱和土的强度。平面应变试验下得到的内摩擦角均比较大，这是因为在土体处于平面应状态时始终限制ε3的变形为零，在实际工程中土体多处于平面应变状态，因此得出的参数能较好地反映土体真实的强度。随着含水率的增加，土体抗剪强度c，φ值依次降低，这也说明了土体含水率的变化对其强度有很大的影响，对于不同含水率的土样，土样抗剪强度的凝聚力和内摩擦角均有不同的变化。原因是含水率的增加，使土样中流动的水增加，流动的水促进了土颗粒之间的滑动，降低了土颗粒之间的摩擦力和机械咬合力，进而使得土体强度降低。因此，分析不同含水率下的非饱和黄土的抗剪强度对于研究非饱和黄土的工程性质十分重要。