黄土无侧限抗压强度的试验研究

高建伟，余宏明，李 科

（中国地质大学工程学院，湖北 武汉430074）

黄土高原地区，黄土是应用广泛的建筑材料之一，对其性质的研究很多，如黄土的湿陷性、蠕变性、非饱和性和震陷性［1］等。在诸多工程建设中，如地基沉降和路基承载力问题，黄土的物理力学性质都对其安全产生重要的影响，特别是黄土的抗压强度问题。现今对黄土的无侧限抗压强度的研究多数集中于改良后的黄土，如石灰改良土［2］、水泥改良土［3］、固化剂改良土［4］等的无侧限抗压强度的研究，反而对黄土自身的无侧限抗压强度研究较少。黄土作为建筑填料时，其无侧限抗压强度除不能满足高标准的工程需求外，是否能够满足一般工程要求的问题一直未得到重视，使得工程建设中处理问题过于保守，造成大量资源的浪费。因此，对黄土无侧限抗压强度性质的研究具有重要的实践意义。

本文对黄土无侧限抗压强度进行了室内试验研究，主要研究了黄土试样的密度和含水率对其无侧限抗压强度的影响规律，同时分析了黄土试样的弹性模量随含水率、干密度变化的规律，旨在为黄土作为建筑填料的施工提供科学依据。

1 黄土试样制备与试验方法

1.1 黄土试样制备

试验黄土土样取自山西省河曲县，将土样混匀风干、研磨，过5mm筛，并通过试验测定土样的物理力学性质指标，见表1。

表1 土样的物理力学指标Table 1 Physical indexes of soil samples

黄土试样制备采用三轴仪饱和器，试样尺寸为39.1mm（直径）×80mm（高度）。制样前将土样烘干24h，烘干后称取一定土样，按含水率配比加入一定质量蒸馏水，搅拌均匀后用保鲜袋密封并置于保湿缸内24h，使土体中水分均匀分布。采用三轴仪饱和器制样时，在铜质模具内涂抹少量凡士林，以减小试样与筒壁之间的摩擦，按质量将制备试样土体分成3份，每一份装入模具内后等高度击实，最后将试样脱模并放入保湿缸内养护24h。

由击实试验得黄土试样的最大干密度为1.85 g/cm3，最优含水率为15.8%。为了研究含水率和干密度（压实度）对黄土无侧限抗压强度的影响，结合工程实践中不同等级工程对黄土压实度的要求［5］，本试验黄土试样干密度分别取1.5g/cm3、1.6g/cm3、1.7g/cm3和1.8g/cm3（压实度分别为81%、87%、92%和98%）4种；同时，为了模拟黄土实践工程状态，黄土试样含水率应控制在天然含水率与饱和含水率之间，并考虑试验黄土的最优含水率，因此本试验设计试验含水率分别为10%、12%、14%、16%、18%和20%6种。

1.2 试验方法

试验仪器采用应变式无侧限压缩仪，严格按照相关试验规程［6］的要求进行操作。本试验采用人工操作，百分表精度为0.001mm，应变速率为1.33×10－2mm/s。具体试验过程如下：在应变式无侧限压缩仪的上、下传压板上均匀涂抹少量凡士林，将养护24h的黄土试样迅速放入仪器，调整仪器，在匀应变速率下进行单轴无侧限抗压强度试验，并记录数据。当试样破坏，即试验记录数据出现拐点后，视试样破坏情况继续进行试验，试样破坏达到一定程度后停止试验，计算出试样对应的应力、应变，并绘制应力－应变曲线。

2 试验结果

2.1 黄土试样的应力－应变曲线

黄土试样的应力－应变曲线反映了土样的变形破坏过程。图1为干密度ρd＝1.5g/cm3、含水率w＝12%黄土试样的应力－应变曲线。由图1可见，曲线AB段呈凹形，试样土体处于压密阶段，孔隙变小；曲线BC段基本呈直线，试样土体处于弹性变形阶段，弹性模量E数值上等于曲线BC段直线的斜率；曲线CD段呈凸形，试样土体屈服，产生鼓胀、微裂纹；曲线D点为曲线峰值，是试样的单轴无侧限抗压强度值；曲线DE段呈下降趋势，试样产生大裂缝，试样破坏。

图1 黄土试样的应力－应变曲线Fig.1 Stress－strain curve of the loess sample

2.2 不同干密度黄土试样的应力－应变曲线

干密度是影响黄土试样应力－应变曲线的重要因素。图2是含水率为14%时不同干密度黄土试样的应力－应变曲线。图2中曲线表明在含水率不变时，随着试样干密度的增加，试样应力－应变曲线具有与岩石试样相似的性质，特别是当试样干密度达到1.8g/cm3时，试样的脆性破坏现象显著［7—8］；同时，随着试样干密度的增加，试样应力－应变曲线的弹性变形阶段的变形范围和直线段斜率变大。

2.3 不同含水率黄土试样的应力－应变曲线

图2 含水率为14%时不同干密度黄土试样的应力－应变曲线Fig.2 Stress－strain curves of loess samples of different kinds of dry density and 14%water content

通过分析同一干密度不同含水率条件下黄土试样的应力－应变曲线变化情况（见图3），可以看出试样的应力－应变曲线峰值随含水率的增加而不断降低，试样弹性阶段的斜率明显随含水率的增加而降低，特别是当试样含水率达到20%时，试样的应力－应变曲线没有明显的峰值。

图3 干密度为1.5g/cm3时不同含水率黄土试样的应力－应变曲线Fig.3 Stress－strain curves of loess samples of different kinds of water content and 1.5g/cm3 dry density

3 试验结果分析

根据试验所得各黄土试样的应力－应变曲线，取各曲线峰值作为试样的无侧限抗压强度值，得到不同含水率、干密度试样的无侧限抗压强度值见表2。

表2 不同含水率、干密度黄土试样的无侧限抗压强度统计结果Table 2 Unconfined compression strength statistics of loess samples of different kinds of water content and dry density

3.1 黄土试样干密度与无侧限抗压强度的关系分析

根据表2可见，在含水率不变情况下，随着试样干密度（ρd）的增加，试样无侧限抗压强度值（q）不断增加，通过作试样干密度与无侧限抗压强度的关系曲线（见图4）可见，一定干密度范围内试样无侧限抗压强度的增长呈近线性增长趋势［9］，即有

式中：q为试样的无侧限抗压强度值（kPa）；ρd为试样的干密度（g/cm3）；a、b为拟合参数。

图4 黄土试样干密度与无侧限抗压强度的关系曲线Fig.4 Relationship curves between dry density and unconfined compression strength of loess samples

拟合参数a表示线性拟合的增长速率。图5为拟合参数a与黄土试样含水率的关系曲线。由图5可见，随着试样含水率的不断增加，线性拟合的增长速率呈线性降低规律，即试样含水率越大，其无侧限抗压强度随干密度线性增长的速率越小。无侧限抗压强度随干密度线性增长的原因主要是由于干密度增加改变了试样土体的结构，试样土体更加密实，土体孔隙变小，土颗粒连接紧密程度增加，土颗粒之间的黏聚力和咬合力变大，抵抗变形破坏的能力增加，从而提高了试样的无侧限抗压强度值［10］。

图5 拟合参数a与黄土试样含水率的关系曲线Fig.5 Relationship curve between fitting parameters（a）and water content of loess samples

3.2 黄土试样含水率与无侧限抗压强度的关系分析

在干密度不变条件下，试样含水率（w）的大小是影响试样无侧限抗压强度（q）大小的关键因素。图6为黄土试样含水率与无侧限抗压强度的关系曲线。由图6可见，试样无侧限抗压强度值随着含水率的增加而以二次函数的形式衰减［11］，即有

式中：q为试样的无侧限抗压强度值（kPa）；w为试样的含水率（%）；A、B、C为回归曲线拟合参数。

A表示试样无侧限抗压强度随含水率的衰减速率，其值越大表明无侧限抗压强度衰减越快；拟合参数C表示的物理意义为干燥状态下试样的无侧限抗压强度值（kPa）。试样无侧限抗压强度值之所以随着含水率的增加而衰减，这是由于试样含水率的增加致使土体孔隙大量充水，起到了润滑、溶解作用，降低了试样土体的内聚力和土颗粒之间的摩擦力，从而降低了试样无侧限抗压强度值。此时，由图6可见，当试样含水率增加到16%以上时，各组试样的无侧限抗压强度值不再明显随含水率增加而衰减降低，这时孔隙水效应对试样强度衰减的作用变小，试样无侧限抗压强度值基本保持在同一水平。

图6 黄土试样含水率与无侧限抗压强度的关系曲线Fig.6 Relationship curves between water content and unconfined compression strength of loess samples

3.3 黄土试样弹性模量与干密度、含水率的关系分析

黄土试样的弹性模量（E）是衡量土体产生弹性变形难易程度的指标，在试样应力－应变曲线中指试样弹性变形阶段，即曲线直线段的斜率，其值越大表明在相同的变形条件下，土体产生破坏的可能性越小，因此研究土体弹性模量与干密度、含水率的关系对工程实践有重要意义。

根据试样的应力－应变曲线，可得到试样的弹性模量（E＝σ/ε）。通过研究发现不同干密度时，黄土试样弹性模量随干密度增加而增加（见图7），其增长趋势呈线性函数关系，即有

图7 黄土试样弹性模量与干密度的关系曲线Fig.7 Relationship curves between elastic modulus and dry density of loess samples

式中：E为试样的弹性模量（kPa）；ρd为试样的干密度（g/cm3）；m、n为拟合参数。

拟合参数m为线性增长关系的增长速率，其随着试样含水率的不断增加而呈线性降低规律（见图8），即含水率越大，试样弹性模量随干密度增加的增长速率越小。试样的弹性模量与干密度呈线性增长关系，这是因为试样干密度增加后，土体变得密实，颗粒之间的内聚力、咬合力等力学指标变大，使得试样抵抗弹性变形的能力增加，提高了土体的弹性模量。

图8 拟合参数m与黄土试样含水率的关系曲线Fig.8 Relationship curve between fitting parameters（m）and water content of loess samples

黄土试样弹性模量与含水率的关系见图9。由图9可见，试样弹性模量随含水率的增加而以线性函数的形式降低，即

式中：E为试样的弹性模量（kPa）；w为试样的干密度（%）；M、N为拟合参数。

拟合参数M代表试样弹性模量随含水率增加的变化速率，其随着试样含水率的不断增加而呈线性降低规律（见图10），即试样干密度越大，其弹性模量随含水率增加而降低的速率越大；拟合参数N代表的物理意义为干燥状态下试样的弹性模量（kPa）。

图9 黄土试样弹性模量与含水率的关系曲线Fig.9 Relationship curves between the elastic modulus and water content of loess samples

图10 拟合参数M与黄土试样干密度的关系Fig.10 Relationship curve between fitting parameters（M）and dry density of loess samples

试样弹性模量之所以随着含水率的增加而呈线性衰减，这是由于试样含水率的增加，使易溶盐溶解量增加，降低了试样土体的力学指标值，进而降低了试样抵抗弹性变形的能力，从而使试样的弹性模量降低。

由试样的无侧限抗压强度、弹性模量分别与其干密度、含水率的关系可知，无侧限抗压强度与弹性模量随试样干密度、含水率的变化趋势具有相似性，进一步分析发现（图11），两者具有良好的线性相关性。根据弹性模量的定义分析知，当弹性模量越大时，试样抵抗弹性变形的能力越强，使试样发生屈服时所需要的应力就越大，导致了试样具有较大的无侧限抗压强度。

图11 黄土试样无侧限抗压强度与弹性模量的关系曲线Fig.11 Relationship curves between elastic modulus and unconfined compression strength of loess samples

综上分析可见，黄土试样无侧限抗压强度性质及其弹性模量受试验土样干密度及含水率的影响显著。试验得出压实度由81%提高到98%，黄土无侧限抗压性质提高3倍以上，实际工程中黄土具有类似性质，干密度（压实度）大小不同，黄土工程性质差异巨大。因此，在黄土路基施工、黄土地基处理等工程实践中，需要特别注意黄土压实过程中的含水率和压实后的碾压密度，含水率应控制在最优含水率附近（wop±2%），同时为确保工程安全并考虑经济效益，建议压实度一般应≥95%；此外，由试验分析可知，黄土无侧限抗压强度由低含水率（10%）到高含水率（20%）降低60%以上，所以要格外注意工程完成后黄土的含水率状态，确保其处于低含水率工况，以防止降雨大量入渗改变黄土的工程性质，影响工程质量和安全，造成经济损失。

4 结 论

（1）保持含水率不变改变干密度时，黄土试样的无侧限抗压强度与干密度的关系可用线性函数关系式拟合，且干密度越高，黄土试样的无侧限抗压强度值越高。同时，线性增长趋势的增长速率，即拟合参数a随着含水率的增加而线性降低。

（2）改变含水率而保持干密度不变时，黄土试样的无侧限抗压强度与含水率的关系可用二次函数关系式拟合，且含水率越高，黄土试样的无侧限抗压强度越低，当含水率达到16%以上时，各组黄土试样的无侧限抗压强度值不再明显随含水率的增加而衰减降低，无侧限抗压强度值基本保持在同一水平。

（3）通过对黄土试样应力－应变曲线的分析可知：含水率不变情况下，随着干密度的增加，黄土试样弹性模量呈线性增长，但是增长速率随含水率的增加而线性降低；干密度不变时，黄土试样的弹性模量随着含水率的增加而呈线性衰减，衰减速率随试样干密度的增加而线性增大。同时，黄土试样弹性模量与无侧限抗压强度具有良好的线性相关性。

（4）在工程实践中，需根据工程等级要求，确保黄土碾压密度，一般建议压实度应≥95%；同时要确保工程土体处于低含水率状态，以防止降雨大量入渗而改变土体性质，影响工程质量。

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