新疆伊犁非饱和黄土的直剪性能试验研究

2014-12-20郭江涛

水利与建筑工程学报 2014年4期

郭江涛

(杨凌职业技术学院，陕西杨凌712100)

我国国土面积广大，其中黄土地区约占3.6%，主要分布在华北、西北、松辽平原等地，共6.35×105km2[1－3]。非饱和黄土的强度与黄土地区的工程建设密切相关，而含水率和干密度是影响黄土强度指标的两个主要因素[4－6]，以往的资料和规范多见针对陕、甘、宁、晋等地的黄土试验研究成果，而随着西部大开发的不断深入，在新疆的工程建设中也遇到了黄土因含水率发生变化导致强度降低而造成破坏的问题，而黄土的成因不同会造成颗粒组成的差异，进而导致抗剪性能的不同，所以有必要对新疆黄土加以研究。了解其抗剪强度的变化规律，为工程建设提供可靠抗剪强度指标。

1 试验材料

试验所用土样取自新疆伊犁地区一河道边沿的黄土台地，土样为深度1 m～6 m混合扰动土，土样呈灰黄色，质地均匀，土粒比重2.72，天然含水率平均7.0%，现场原状黄土的平均干密度为 1.27 g/cm3，土样的基本物理性质指标见表 1，击实试验[7－10]用轻型标准，单位体积击实功能为 592.2 kJ/m3，试验结果为:最大干密度1.72 g/cm3;最优含水率17.0%。

2 试验方案及方法

2.1 试验方案和组次

试验方案和组次的确定一方面考虑与最优含水率相差正负3%，即14%到20%之间取含水率，另一方面取天然状态下平均含水率7.0%和比自然状态下稍微湿润的9.2%。共取含水率5个;试验干密度的确定一方面考虑现场原状土的平均干密度1.27 g/cm3，另一方面考虑击实试验的最大干密度1.72 g/cm3，共选取6个干密度，两者组合共30组，试验组次一览表见表2。

表1 土料的物理性质表

表2 试验组次一览表

2.2 试验方法

抗剪强度指标测定在南京土壤仪器厂生产的四联电动直剪仪上进行，采用固结快剪的方法[11－12]。土样制备过程:将通过2 mm筛的扰动土样配置成试验方案对应的含水率，含水率误差控制在±1%以内，然后用压样法将计算得到的一定质量的土压入环刀内，环刀的面积30 cm2，高2 cm。试验步骤:将试样安装在直剪仪上加压固结，所加垂直压力分别为 100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，等固结完成后，开动机器进行快剪，剪切速率为2.4 mm/min，3 min～5 min内剪切完成，剪切过程中读出量力环中量表读数，其后根据量力环校正系数，计算出试样在各级压力下的抗剪强度值，选峰值强度或应力－应变曲线上剪切位移为4 mm所对应的强度值，绘制抗剪强度与垂直压力关系曲线，曲线的截距为抗剪强度指标凝聚力值，斜率为抗剪强度指标内摩擦角值。

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

根据试验结果可以绘制抗剪强度与垂直压力关系曲线，其中含水率为6.3%的6组不同干密度下的抗剪强度与垂直压力关系曲线见图1。由抗剪强度与垂直压力关系曲线可以得到非饱和黄土直接剪切试验的抗剪强度指标。本次试验的6个含水率在不同干密度下的直接剪切试验的固结快剪强度指标见表3。

图1 含水率6.3%时抗剪强度与垂直压力关系曲线

表3 抗剪强度试验成果表

3.2 试验结果分析

3.2.1 相同含水率不同干密度下的抗剪强度

对相同含水率不同干密度土样抗剪强度试验指标的凝聚力和内摩擦角整理，分别见图2和图3。分析发现:相同含水率、相同垂直压力作用下随干密度的增加土的抗剪强度逐渐增大;凝聚力随干密度的增加而增大，变化幅度在11 kPa以内;内摩擦角随干密度的增大变化不大，没超出2°。因为土的抗剪强度与土的固结程度有关，对于不同干密度的土样，在固结后干密度的差值就会比实际的差值小，从而凝聚力变幅在11 kPa以内;粘性土的内摩擦角取决于土的矿物成分，当土生成后，内摩擦角主要随含水率发生变化，变化范围较小，一般不超过 ± 2°[13－14]。

图2 凝聚力随干密度变化曲线

图3 内摩擦角随干密度变化曲线

3.2.2 相同干密度不同含水率下的抗剪强度

为了研究相同干密度不同含水率下抗剪强度的变化，将相同干密度不同含水率下的抗剪强度试验结果进行整理，其中一组的抗剪强度与垂直压力关系曲线如图4所示，抗剪强度指标凝聚力随含水率的变化以及内摩擦角随含水率的变化关系分别见图 5、图 6。

对相同干密度不同含水率的土样试验结果进行分析发现:同一干密度的土样随含水率的增加抗剪强度减小;相同各干密度条件下随含水率的增加凝聚力下降，这与含水率越大抗剪强度越低趋势相一致;而内摩擦角随含水率的变化不显著。凝聚力变化范围在20 kPa左右，内摩擦角变幅没超过1.5°。含水率的增加降低了非饱和土颗粒之间水膜的物理化学作用，从而导致凝聚力的降低。内摩擦角取决于土的矿物成分，因此变化范围较小。

图4 干密度一定时(1.72 g/cm3)不同含水率下的抗剪强度与压力关系图

图5 凝聚力随含水率变化曲线

图6 内摩擦角随含水率变化曲线

3.2.3 重塑黄土干密度和含水率对抗剪指标的影响

非饱和黄土的抗剪强度由摩擦强度和凝聚强度两部分组成，摩擦强度是由土颗粒接触面或颗粒与胶结物质接触面上的摩擦产生，其值的大小反映为抗剪强度指标中的内摩擦角;重塑土的凝聚强度包括:水膜的物理化学作用、粘土矿物的粘结和颗粒间的分子引力形成的原始凝聚力、非饱和土的基质吸力和毛细作用形成的强度，试验结果中的内摩擦角随含水率和干密度的变化不显著。

凝聚强度主要由非饱和土的结构强度组成，所以随着干密度的增加和非饱和土含水率的降低凝聚力值会增大。另外一个原因是目前土的强度试验中一个根本性的缺点，就是在测试中控制了试样的干密度和含水率，而当给试样施加了不同的固结压力以后，原来密度和含水率为一定的一组土样，由于固结压力不同而密度和饱和度已经发生了变化，因此实际情况是一组剪切试验中所用的已经不是相同的试样。一组含水率和一组干密度的试样如此，几组不同含水率和几组干密度的试样更是如此。

3.2.4 重塑非饱和黄土和原状黄土抗剪强度的差异

为了分析重塑黄土与原状黄土直剪试验结果的变化规律，参考《工程地质手册》[15]中不同干密度、不同含水率原状黄土的固结排水剪直剪试验结果，凝聚力和内摩擦角随含水率变化关系见图7、图8。

图8 原状黄土内摩擦角随含水率变化曲线

从原状黄土的直剪试验结果来看:相同各干密度条件下随含水率的增加凝聚力下降，并且变化幅度较大，在140 kPa左右;而内摩擦角也随着含水率的增大而有显著的降低，内摩擦角变幅最大达到了 12°。

重塑黄土和原状黄土的抗剪强度指标中凝聚力的变化趋势基本一致，但变幅差别较大;内摩擦角的变化趋势不一致，原状黄土内摩擦角变幅较大，重塑黄土内摩擦角变幅很小，一方面是由天然结构强度差异造成，另一方面可能是试验方法及新疆黄土特有的性质引起的。

原状黄土的抗剪强度指标是在固结排水剪条件下得出的，而新疆重塑黄土直剪强度指标是固结不排水剪条件下得出的，排水剪得出的是有效应力指标，而固结不排水剪条件下得出的指标为总应力指标，所以原状黄土的直剪试验结果值大。另原状黄土存在天然的结构强度，即黄土在生成过程中，聚集在粗颗粒接触点处的胶体颗粒、腐殖质胶体和可溶盐等胶结物质形成的加固凝聚力，而重塑黄土则缺乏这种胶结强度;新疆伊犁黄土堆积时，西风较弱，气候变化相对稳定，降水相对较少，但由于气候总体较为温暖，风化成壤作用相对较强，因此，新疆黄土的颗粒分布特点是，砂粒含量小，粉粒含量多，粘粒含量大。