浅析黄土强度参数的某些影响因素

2015-04-23李萍萍郭江涛

科技视界 2015年29期

李萍萍郭江涛

（杨凌职业技术学院，陕西咸阳 712100）

0 引言

土的强度理论是土中的应力状态σij与材料濒于破坏时的特征参数kf之间的关系[1-3]，那么，在有了强度准则之后，还必须有濒于破坏时由试验测得并与之相对应的强度参数，才能使强度理论在实际中得到应用。

长期的试验相关研究表明，土的强度参数值受一系列复杂因素的影响[4]。这些因素既有空间因素也有时间因素。空间因素包括作为土性内在的粒度、密度、湿度、结构等影响因素和作为土性外在的受力特性、测试方法、扰动程度和环境条件等影响因素。时间因素包括“昨天”（应力应变历史的影响）、“今天”（应力应变速率的影响）和“明天”（触变、蠕变的影响）的不同变化。上述任何一种因素的变化都会影响土强度参数的数值大小。本文主要从粒度、密度、湿度、结构等几个方面浅析黄土强度参数的影响因素，为强度理论在实际中的应用提供有关参考。

1 黄土强度参数的某些影响因素

1.1 粒度对土强度参数的影响

粒度因素，从广义方面讲，它是指土中固体颗粒的成分、大小、级配、形状、粗糙度等诸多的方面。相关研究表明，级配的不均匀系数越大，内摩擦角φ就越高；颗粒为棱角状时，内摩擦角φ大；矿物成分为云母时，内摩擦角φ低，为石英长石时，内摩擦角φ高，它们相差很小。根据土的粒度变化所引起的质变性差异可将土分为无粘性土和粘性土两大类，它可以作为对强度研究的主线。

具体到黄土来说，它是一种低液限黏土，其粒度以黏粒为主，它的抗剪强度主要来自凝聚力、摩擦力和剪胀力。[2]凝聚力常在极小的应力下就发挥到最大，然后不再上升（凝聚力来自分子力时）或有些降低（凝聚力来自胶结力及分子力时），保持一个恒定的最小值；摩擦力随应变的增加而增大，逐渐趋于恒定。剪胀力在应变增加时由零增高到最大，然后随着咬合作用的丧失而消失。在此三种力、土的湿度与密度共同耦合下，粘性土可能有硬化破坏或软化破坏，对后者就有了峰值强度与残余强度之别。

1.2 密度对土强度参数的影响

密度是影响土强度的重要因素，其中对无黏性土更为显著。在剪切过程中，松砂要变密（剪缩），一般出现硬化性的破坏；密砂会变松（剪胀），一般出现软化性的破坏。在剪切的过程中既无剪缩，又无剪胀的密度，称为临界密度，表示为临界孔隙比。它是固结围压σ3的函数，随着σ3的上升而下降。为了衡量土体软化性的大小，可用三轴不排水剪切条件下应力-应变曲线上的峰值点与终点处对应剪应力的差值与峰值点剪应力值之比表示，即：

式中IB称为脆性指标，IB值越大，土的脆性越大。

应该注意，由于密度对强度的重要影响，必须要求在测试求得强度指标时保持或控制土在实际工作条件下的密度状态，对黏性土应采用干密度控制。

1.3 湿度对土强度参数的影响

湿度对黏性土的强度有着非常显著的影响。伴随着饱和度的增加，粘性土强度的降低主要体现在c值的降低上，φ值的降低相对而言较小。对于水敏性的土，增湿时土强度的锐减主要体现在加固凝聚力的失水破坏上。不同含水量的土，无论是在固结过程中，还是在剪切过程中，土的变形都伴随着孔隙压力的变化，影响到土实际承受的有效应力，表现出不同的强度。对于方便测定孔隙水压力的饱和土，常常可以模拟不同的固结程度和不同的剪切速率，由同时测量的孔隙水压力确定强度有效应力指标。如果不测量孔隙水压力，即可直接量测强度的总应力指标。两类指标相比较，一般是总应力的c值比有效应力的大，φ值比有效应力的小。对于非饱和的土体，由于测定孔隙水压力和孔隙气压力的比较困难，而且目前还没有一个很好的有效应力原理及其表达式，其强度指标多由在固结程度和剪切速率两方面尽可能模拟实际工作条件时测定的总应力指标来表示。

总体来说，对于非饱和土的强度，虽然现在已经有不少学者提出了多种强度的表达式，但它还需要进一步的相关研究。它的非线性及有增湿过程与干燥过程的土-水特征曲线的滞回性对强度的影响已得到了人们的重视。

1.4 结构对土强度参数的影响

完整的土结构指土的结构和组构。从土的结构出发，尤其对原状土、高灵敏的粘土及软粘土要注意保持试验要求的结构状态，否则，结构的破坏将导致土体强度的下降。当土有结构的各向异性时，剪切应注意剪切方向的影响，以反映实际工程下滑动面方向变化时可能的实际强度。裂隙性黏土是土的组构问题，裂隙的存在对强度有重要的作用影响。严格地说，土的强度要受到裂隙分布的范围、间距、倾斜度、排列方向、形状、裂隙面粗糙度、裂隙间土的性质、硬度及钻探、采样与试验时应力的变化和历时的影响，是一个尚需专门研究的问题。简单地仅用一个折减的系数来处理时，这个系数既是一个变数，又难于测定。由于试验尺寸与裂隙间距之比越大，室内试验的土的强度与现场试验土的强度相差就越小，所以常需控制试样直径与缝距之比在4.0以上，以便得到比较接近实际的试验结果。对于压实的黏性土，因其采用不同的压实方法，即使达到了相同密度，也会因其结构情况不同而具有不同的强度。常用的压实方法包括静压法、振动法、揉搓法（碾压）。他们造成的剪应变容易使得土颗粒排列杂乱，形成凝聚的结构，强度较高。当含水量小于塑限时，各种方法都不能引起土的剪切变形，土的凝聚结构没有或者很少遭到破坏，阻力大，孔压低，强度高；当含水量大于塑限时，各种方法下会产生不同的剪切变形，颗粒有较大的分散结构，强度有不同的变化。对于有较大结构强度的土，例如固结应力没有超过土的结构强度，则应力的增大并不会改变土的结构，此时尽管压力有所增大，但强度变化的很小，而且剪切破坏多呈软化型。只有固结压力超过土的结构强度之后，土的强度将视初始结构性破坏与次生结构性增长作用的不同而不同，其抗剪强度曲线或在经过一段平缓之后再上升，或只有很小或不明显的平缓段，基本上是呈现上升的趋势。