青海地区非饱和黄土强度特性试验研究

常立君，张吾渝，马艳霞，王萌

(1．青海大学土木工程学院，青海西宁810016;2．青海大学地质工程系，青海西宁810016)

青海地区非饱和黄土强度特性试验研究

常立君1，张吾渝1，马艳霞1，王萌2

(1．青海大学土木工程学院，青海西宁810016;2．青海大学地质工程系，青海西宁810016)

青海地区的黄土常处于非饱和状态，其强度特性与饱和土有所不同。本文基于室内常规试验，研究其强度随含水率及干密度的变化规律。结果表明:随着含水率的增加，抗剪强度有减小的趋势;在最优含水率左右，含水率与黏聚力的关系可分别用线性和二次多项式表达，内摩擦角随含水率增加线性减小;在含水率一定的情况下，抗剪强度随干密度增加而增长的趋势不明显。

非饱和黄土 含水率 干密度 抗剪强度

黄土是在干燥气候条件下形成的具有柱状节理的区域性分布的土类，由于其特定的生成环境，具有明显的大孔隙结构和水敏性。青海地处我国湿陷性黄土主要分布地区的西部边缘，黄土分布面积为2.48万km2，占全国黄土分布总面积的3.9%。受气候条件影响，青海地区的黄土常处于非饱和状态，其强度特性较饱和土复杂，而强度又与本地区的工程建设密切相关，是地基工程、边坡工程等计算的重要参数。因此研究本地区非饱和黄土的强度特性极为重要。

含水率和干密度是影响黄土强度特性的主要因素，特别是含水率的影响很大［1］，因为非饱和黄土本身的结构特点，对水有着特殊的敏感性，另一方面对非饱和土而言，含水率的变化会直接影响非饱和土的一个重要指标——基质吸力。为了证明试验结果的可靠性，本文基于室内常规三轴试验和直剪试验，探讨不同的含水率及干密度对青海地区非饱和黄土强度的影响。

1 试验土样与试验方法

试验土样取自青海省西宁市一基坑工程，取土深度5.0 m左右，土样呈褐黄色，质地均匀。其物理性质指标见表1。

本次试验采用南京土壤仪器厂生产的应变控制式三轴仪和直剪仪，进行不固结不排水试验和快剪试验，测试不同含水率和干密度条件下非饱和黄土的强度指标。试验时依据室内击实试验的结果制备了5种不同含水率(12%，14%，16%，18%，20%)和4种不同干密度(1.40 g/cm3，1.50 g/cm3，1.60 g/cm3，1.64 g/cm3)下的重塑试样，共20组。试验时先将所取土样烘干、碾碎、过筛后，加水配置成设计水分状态的散状土样，然后密封在多层塑料袋中，在恒温恒湿的条件下放置不少于2 d，以便土中水分充分运移、混合均匀。直剪试验采用击实仪进行制样，形成的试样尺寸为10 cm (直径)×2 cm(高);三轴试验采用三轴仪自带的三瓣模进行制样，土样分5次击实，形成的试样尺寸为3.91 cm(直径)×8 cm(高)。土样制备时干密度采用不同的锤击数及每层的击实厚度来控制。

表1 土样的物理性质指标

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

通过直剪试验，测定出不同垂直压力下的抗剪强度，按照库仑定律，得到不同初始条件下(不同的含水率及干密度)的抗剪强度指标，见表2。

通过三轴试验，得到不同围压下的摩尔应力圆，按照摩尔—库仑强度理论，得到不同初始条件下的抗剪强度指标，见表3。

2.2 试验结果分析

2.2.1 非饱和黄土抗剪强度与含水率的关系

1)含水率对黏聚力的影响

两种试验方法下不同干密度时黏聚力随含水率的变化曲线见图1。

表2 不同初始条件下的抗剪强度指标(直剪试验)

表3 不同初始条件下的抗剪强度指标(三轴试验)

图1 黏聚力与含水率的关系曲线

从图1可以看出，两种试验方法下黏聚力的变化趋势大致接近，随着含水率的增加非饱和黄土的黏聚力总体呈递减趋势，但存在一特征含水率［2］，在特征含水率的左侧，随含水率的增大黏聚力急剧减小，呈单调减小的趋势;在特征含水率右侧，随含水率的增大黏聚力相对平稳，呈现出先增加后减小的趋势。黏聚力在塑限(18.16%)附近达到极大值然后减小，两者之间呈非线性关系。

从图1可知此特征含水率在最优含水率附近(本土样的最优含水率通过击实试验测得为15.88%)，当含水率小于最优含水率时，随着含水率的增大非饱和黄土的黏聚力呈现出明显的减小趋势，黏聚力对水的变化比较敏感;当含水率超过最优含水率时，随着含水率的增加黏聚力反而有增加的趋势，黏聚力在塑限附近达到峰值，超过塑限后随着含水率的增加黏聚力重新表现出减小的趋势，说明在最优含水率附近因为压密导致黏聚力增加的效果最好。

黏聚力和含水率之间的关系可借助最优含水率分段描述，对最优含水率ω1左侧和右侧的试验数据进行回归分析，结果见图2、图3。

图2 黏聚力与含水率关系拟合曲线(直剪试验)

图3 黏聚力与含水率关系拟合曲线(三轴试验)

两种试验方法得出的黏聚力随含水率的变化规律相同，在最优含水率左侧可用直线进行拟合，右侧可用二次多项式进行拟合，相关性较好。可用公式表示为:当含水率ω＜ω1时，c=Aω+B;当含水率ω≥ω1时，c =aω2+bω+C。式中A，B，a，b，C为试验参数。

2)含水率对内摩擦角的影响

两种试验方法下内摩擦角随含水率的变化曲线见图4。

图4 两种试验方法下内摩擦角与含水率的关系

由图4可知，不管采用何种试验方法，在干密度一定的条件下，随着含水率的增加内摩擦角总体均呈现递减的趋势［3］，曲线变化较黏聚力缓，说明其受含水率的影响较黏聚力小。

为了进一步分析内摩擦角和含水率之间的关系，对表2、表3中的数据进行回归分析，结果见图5。青海地区非饱和黄土的内摩擦角与含水率之间的关系可近似用直线来拟合，这与陈伟［4］得出的结论一致。可用公式表示为φ=dw+e，其中d，e为试验参数。

图5 两种试验方法下内摩擦角与含水率关系拟合曲线

含水率对非饱和黄土抗剪强度的影响主要是由于含水率的变化引起了土中基质吸力变化所致。非饱和土与饱和土的区别在于非饱和土中存在基质吸力。研究表明［5-10］非饱和土的基质吸力与土的含水率有关，基质吸力随含水率的增大而单调减小。当土中含水率低时，土体饱和度小，土体因基质吸力大而表现出较高的强度。当土中含水率逐渐增大时，水分的存在减弱了土颗粒间的联结力，土中基质吸力因饱和度的增加而降低，从而引起黏聚力和内摩擦角不同程度的减小。

2.2.2 非饱和黄土抗剪强度与干密度的关系

两种试验方法下得出的黏聚力和内摩擦角随干密度的变化曲线见图6、图7。由图可知两种试验方法得出的结论基本一致。当含水率保持不变时，黏聚力随干密度的增大而增大，呈近似线性关系。含水率低时，黏聚力随干密度的增大而增大的趋势比较明显，说明在低水分状态下非饱和土的强度受干密度影响较大。当含水率逐渐增大时，黏聚力随干密度变化的趋势减缓，说明此时土体的强度主要受含水率的影响，干密度的影响减小。当含水率达到塑限(18.16%)附近时，不论土样处于什么样的密度状态，其对应的黏聚力基本上都是最大值，由上讨论可知在相同的干密度下黏聚力也是在塑限附近达到峰值，这正是工程上把填土的含水率控制在此范围的原因所在。随干密度增加内摩擦角变化幅度较小，说明干密度对内摩擦角的影响不大。

图6 黏聚力与干密度的关系

图7 内摩擦角与干密度的关系

2.2.3 不同含水率和干密度时非饱和黄土的应力—应变特性

由图8可见，当干密度较小时，非饱和黄土样表现出应变硬化的特点，围压越大应变硬化表现得越明显;干密度达到最大干密度时又表现出应变软化的特点，围压越大软化现象越明显。这与杨雪辉等［11］得出的结论一致。应力—应变曲线随干密度的变化规律与黄土的孔结构有关，当密度较低时土中存在相互连通的大直径单孔隙，在压力作用下土样被压密，体积缩小，强度增加，主要表现出剪缩性、硬化的特点。在密度较高时土样内部的孔隙结构发生变化，大孔隙较少，在压力的作用下其强度提高有限，因为土颗粒的不可压缩，土颗粒重新排列的结果使其表现出一定的剪胀及软化特点。

图8 不同干密度和含水率时非饱和黄土的应力—应变曲线

3 结论

1)通过两种试验方法均得出青海地区非饱和黄土的抗剪强度与含水率之间关系密切，说明试验结果具有一定的可靠性。随着含水率的增加，土的抗剪强度指标c，φ总体上呈现出降低的趋势。通过回归分析得出:当含水率小于最优含水率时，c=Aω+B和φ= dω+e;当含水率大于等于最优含水率时，c=aω2+bω +C和φ=dω+e。将此表达式代入库仑定律τf=c+ σtanφ中即可得出非饱和黄土随含水率变化的强度值，从而可为青海地区的工程设计和安全监测提供理论依据。

2)在含水率一定时，干密度对非饱和黄土强度的影响主要体现在黏聚力上，对内摩擦角的影响不大。

3)青海地区黄土随含水率和干密度的变化在应变硬化和应变软化之间转化，这主要和土体内部的孔结构有关。

［1］党进谦，李靖．含水量对非饱和黄土强度的影响［J］．西北农业大学学报，1996，24(1):57-60．

［2］熊承仁，刘宝琛，张家生，等．重塑非饱和粘性土的抗剪强度参数与物理状态变量的关系研究［J］．中国铁道科学，2003，24(3):17-20．

［3］王硕，刘占辉．非饱和重塑黄土抗剪强度影响因素的试验研究［J］．石家庄铁道大学学报(自然科学版)，2010，23 (3):86-93．

［4］陈伟，张吾渝，马艳霞，等．青海地区重塑黄土力学性能影响因素分析［J］．铁道建筑，2014(1):82-84．

［5］FREDLUND D G，RAHARDJO H．非饱和土力学［M］．陈仲颐，译．北京:中国建筑工业出版社，1997．

［6］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．

［7］陈敬虞，FREDLUND D G．非饱和土抗剪强度理论的研究进展［J］．岩土力学，2003，24(增):655-660．

［8］熊承仁．重塑非饱和粘性土的强度习性研究［D］．长沙:中南大学，2005．

［9］熊承仁，刘宝琛，张家生．重塑粘性土的基质吸力与土水分及密度状态的关系［J］．岩石力学与工程学报，2005，24 (2):321-326．

［10］沈珠江．非饱和土力学实用化之路探索［J］．岩土工程学报，2006，28(2):256-259．

［11］杨雪辉，党进谦，蒋仓兰．非饱和重塑黄土的三轴试验研究［J］．路基工程，2008(4):115-117．

Experimental study on strength characteristics of unsaturated loess in Qinghai area

CHANG Lijun1，ZHANG Wuyu1，MA Yanxia1，WANG Meng2
(1．School of Civil Engineering，Qinghai University，Xining Qinghai 810016，China; 2．Geological Engineering Department，Qinghai University，Xining Qinghai 810016，China)

Loess in Qinghai area(lies in the Northeast of China)is usually unsaturated，which compared to the saturated loess displays different strength characteristics．By routine indoor experiments the strength of unsaturated loess and its changing pattern with moisture content and dry intensity as variables was studied．T he results indicate that the increase of moisture leads to the decline of the shear strength．At the same time，linear function can be used to describe the adhesion-moisture relation before the specimen reaches the optimum moisture level，while quadratic function depicts that afterwards．T he increase of moisture content leads to the linear decline of the internal friction angel．As moisture remains consistent，the surge of dry density does not results in the visible increase of shear strength．

Unsaturated loess;M oisture content;Dry density;Shear strength

TU411.3;TU444

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．31

1003-1995(2015)04-0117-05

(责任审编葛全红)

2014-10-20;

2015-02-10

教育部春晖计划项目(Z2012077);青海大学中青年科研基金项目(2012-QGT-3)

常立君(1981—)，女，青海乐都人，讲师，硕士。