西宁地区原状黄土强度各向异性试验研究*

罗传庆张吾渝李 辉③马艳霞冯永珍武文举

（①青海大学地质工程系 西宁 810016）

（②青海大学土木工程学院 西宁 810016）

（③中国科学院武汉岩土力学研究所 武汉 430071）

西宁地区原状黄土强度各向异性试验研究*

罗传庆①张吾渝②李 辉②③马艳霞②冯永珍②武文举②

（①青海大学地质工程系 西宁 810016）

（②青海大学土木工程学院 西宁 810016）

（③中国科学院武汉岩土力学研究所 武汉 430071）

为了研究西宁地区原状黄土的各向异性特性，采用应力－应变控制式三轴仪对不同深度、与沉积方向呈不同角度土样进行室内固结不排水剪切试验，分析不同深度处偏差应力与取样角度之间的关系以及在不同应变下各向异性体现程度的规律。结果表明：黄土的应力-应变曲线在最优含水率附近呈应变硬化型，其破坏形式以胀鼓型为主；原状黄土的应力-应变曲线在不同方向上呈现很明显的不同，土样的轴向应变值相等时，偏差应力在竖直方向最大，在与竖直面呈45°或90°方向时最小；原状黄土的各向异性在不同应变下的体现程度与其所承受的应力历史有关，当其所承受的先期固结压力较小时，黄土的各向异性程度随应变的增加而降低，反之，则各向异性的程度随应变的增加而升高。

原状黄土 三轴剪切试验 偏差应力 各向异性

0 引 言

天然土体在沉积过程中，形状不规则的土颗粒在重力场的作用下，排列方式更倾向于长边沿水平方向的稳定状态。另外，在随后的固结过程中土颗粒所承受的竖向和水平向的压力是不相等的。以上两种原因都会导致土体的各向异性（李广信，2004）。各向异性作为土体的一个重要性质，在基坑开挖、翻山公路设计、隧道支护等方面是不容忽视的。

龚晓南（1996）对黏土的各向异性进行了研究，结果显示土体强度大小依次为：竖直方向＞水平方向＞45°角方向。周建等（2013）利用空心圆柱扭剪仪对原状软黏土进行了不同主应力轴偏转角的不排水定轴剪切试验，试验结果表明原状黏土的内摩擦角以及归一化强度都随着主应力方向的变化先减小后增加。Oda et al.（1978），Oda（1982）对砂土的研究发现，当加载方向垂直于沉积面时，土体所能达到的强度最大；当加载方向平行于沉积面时，土体所能达到的强度最小，强度差值可以达到34％。由此可见，土体存在明显的各向异性。但是对于黄土的各向异性的研究相对较少。

黄土在我国分布广泛，面积63万平方公里之多，因特殊的结构组成，导致黄土的力学性质与其他类别的土具有很大的差别（冯志焱，2013）。近年来，在黄土地区开展的工程项目日益增多，黄土在强度、变形等方面的研究已经取得了丰富成果（陈伟等，2014；安辉，2015；常立君等，2015）。针对黄土各向异性的研究，主要集中在变形各向异性，湿陷性各向异性以及强度各向异性3个方面。张茂花等（2006）通过对原状黄土进行不同方向的单轴压缩试验，试验结果显示：沿45°方向压缩的压缩性大于竖向压缩的压缩性；竖向压缩的湿陷性大于沿45°方向压缩的湿陷性；当沿水平方向压缩时，其湿陷性和压缩性都介于前两者之间，同时也得出浸水路径对湿陷性黄土的各向异性无影响的结论。梁庆国等（2012），Liang et al.（2016）通过三轴剪切试验，结果显示黄土强度的各向异性主要体现在黏聚力方面，内摩擦角的差异性较小，并认为黄土在力学方面的各向异性是其结构性的另一种表现方式，在科学研究和实际应用中应该重视黄土在不同方向上强度和变形特征的差异性。叶朝良等（2014）、Mistutoshi（2005）通过直接剪切试验、三轴剪切试验以及压缩试验等多种试验手段证明了竖直向和水平向取样的黄土在力学性质、变形模量、湿陷系数等方面存在差异性。徐善常等（2015）通过三轴剪切试验研究了黄土各向异性随着围压变化的规律，指出低围压时，各向异性明显，高围压时各向异性差别在10％左右。

以上学者通过多种试验手段，从多个角度分析了黄土的各向异性，取得了一定的试验成果，然而取样方式大多局限于水平和竖直方向取样，不能很好地代表0°～90°范围内黄土的各向异性。因此，为了进一步研究黄土的各向异性，利用TFB-1型非饱和土应力－应变控制式三轴仪对不同深度、与沉积方向呈多个角度（0°、30°、45°、60°、90°）的原状土样进行固结不排水三轴剪切试验，研究西宁地区原状黄土的强度各向异性，以期对当地的复杂基坑开挖、土料堆载、隧道支护等工程建设起到指导作用。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

原状黄土土样取自西宁市城北区二十里铺镇的某典型Q3黄土建筑场地，在距离自然沉积地表3～8m处采取土样。土样呈褐黄色或黄色，以粉粒为主，通过室内土工试验得到的土样基本物理性质（表1）。

表1 黄土试样的基本物理性质指标Table 1 Physical properties of loess specimen

1.2 试验方法

黄土的力学性质受干密度和含水率的影响较大（陈伟等，2014；常立君等，2015；罗浩等，2015），由于西宁地区干燥的气候以及取样时的降雨情况，所取原状土样的含水率在7％～9％，其应力－应变曲线易出现应变软化。李广信（2004）曾指出：应变软化实际上是一种不稳定的过程，土体的应力－应变曲线对一些不确定因素的影响比较敏感。因此不采用土样的天然含水率进行试验，在原状土样切削成型后，放置于三瓣模内采用滴定注水的方法使土样的含水率达到14％（陈存礼等，2011）；同时，为了避免干密度对试验结果的影响，本试验在单一土层内选取土样时，土样的干密度差值应小于0.02g·cm－3。

假设土体的自然沉积竖直面为标准面，为了研究土体的原生各向异性，在制备土样时分别与标准面呈θ角（θ＝0°、30°、45°、60°、90°）切削，所制备土样的土样尺寸为39.1mm（Φ）×80mm（h）。试验采用南京土壤仪器厂有限公司生产的TFB-1型非饱和土应力－应变控制式三轴仪，进行固结不排水剪切试验，控制应变加载速率为0.08mm·min－1，为了更好地研究土体的各向异性随应变的变化规律，在土样不发生软化的情况下，土样轴向应变达到20％时试验结束（中华人民共和国建设部，1999）。

2 试验结果分析

图1 不同深度θ角度土样偏差应力－轴向应变关系Fig.1 Relationship between deviatoric stress and strain under different depths and anglesa.h＝3m；b.h＝5m；c.h＝6m；d.h＝8m

2.1 应力－应变特性及破坏形式

在每个深度内，以轴向应变为横轴，以偏差应力为纵轴，得到与标准面呈0°、30°、45°、60°、90°的土样的应力－应变曲线（图1）。

由图1可知，处于同一深度、不同角度的原状黄土的应力-应变曲线呈现很明显的差异，且在各个深度内的黄土，土样的应力-应变曲线均呈弱应变硬化型，在轴向应变达到20％时土样基本为胀鼓形式的破坏，极少部分45°、90°土样有细微的剪切带。

通过分析，产生以上差异的主要原因为：随着土样应变的增加，土颗粒之间的弱结合水膜作用和静电引力作用逐渐减小，颗粒之间的咬合作用逐渐增强，在整个应变过程中，土体所承受的外力小于极限抗剪强度，使得土体的应力-应变曲线呈现应变硬化型；此外，由于上下透水石的摩擦作用，土样上下两端处很难发生径向位移，在土样中部，随着轴向位移的增加，颗粒间的相互挤压作用使得土颗粒倾向于扁平状排列，颗粒间上下接触面的孔隙减小，垂直于σ1作用面方向的土颗粒面积增加，从宏观上就表现为土样轴向被压缩，径向两端处几乎不变，径向中部外胀的胀鼓形式。

2.2 土体力学性质与取样角度之间的关系

为了研究土样达到同一应变时偏差应力与取样角度之间的关系，同一应变时，不同深度、不同应变处的土样偏差应力与取样角度之间的关系如图2所示。

根据图2可知：当土样达到同一轴向应变时，土样的偏差应力值在与标准面呈45°或90°时最小，0°时最大。

分析产生此种结果的主要原因与土体颗粒的形状以及排列方式有关：由于外力的侵蚀、冲刷作用，使得土体颗粒呈现针状或棒状，在沉积过程中由于重力或其他外力作用使得土颗粒排列时倾向扁平面平行于自然沉积面方向，在加载过程中由于外力作用土颗粒会出现重新排列情况，但是由于围压以及轴压的作用，土颗粒能够活动的范围是有限的。所以，土体的强度在与标准面呈0°时最大，90°时最小；另外，因为土体的破裂角与标准面近似呈45°±φ／2，所以当土体所受外力接近其极限抗剪强度时，土体出现微细破裂带，此时对于这一层土来说，偏差应力就会在接近45°时最小。

2.3 黄土各向异性随应变的关系

标准差能够很好的体现数据离散程度，为了反映在不同应变下黄土偏差应力的差异程度，利用式（1）得出同一深度取样、与沉积方向呈不同角度切削的土样在每个轴向应变处的标准差，处理结果如图3所示。

其中，Shx为在h深度内，轴向应变达到x时的标准差；（σ1－σ3）θ为与标准面呈θ角度轴向应变为x时的偏差应力（θ＝0°、30°、45°、60°、90°）；为 达到x的轴向应变的偏差应力的平均值（x＝4、8、12、16）；N为数据点数。

由图3可知：在3～5m深度范围内，黄土各向异性的程度随应变的增加而逐渐降低；在6m处，各向异性的程度随应变的增加先降低后升高；在7～8m深度内，黄土各向异性的程度随应变的增加而逐渐升高。

图2 不同轴向应变、不同深度偏差应力与角度之间的关系Fig.2 Relationship between deviator stress and angles under different depths and straina.ε1＝5％；b.ε1＝10％；c.ε1＝15％；d.ε1＝20％

沈恺伦（2006）认为：土颗粒在沉积前是杂乱无章的，可以认为土体是各向同性的，也不存在结构性；在不等向的固结应力作用下，土颗粒排列呈现出的方向性，使得土体呈现各向异性，结构性也增强；此后在土体剪切过程中，土颗粒有序的排列结构遭到破坏，土体各向异性逐渐减弱。

图3 不同深度处标准差与轴向应变的关系Fig.3 Relationship between standard deviation and strain under different depths

分析土体发生破坏的过程，土体内部的变化大致可以分为以下3个阶段：（1）外力要克服土颗粒之间的联结作用以及弱结合水产生的静电引力，在此过程中随应变的增加土颗粒之间的孔隙逐渐减小，土颗粒间的咬合作用逐渐增强，弱结合水膜逐渐消失，强结合水膜的静电引力作用逐渐显现；（2）随着应变的增加，外力必须克服颗粒之间的咬合作用和强结合水膜产生的静电引力作用，此时土颗粒的排列形式和颗粒之间的孔隙形态就会被迫向有利于产生剪切带的方向变化；（3）当应变达到一定程度时，土体沿上一阶段形成的最弱面发生滑动，在宏观上就表现为破裂带。

由以上分析可知，黄土的各向异性主要体现在破坏前的第二阶段。浅层黄土没有经过长期的应力历史，其所承受的先期固结压力也较小，土颗粒之间的联结作用较弱，使得土样在较小的应变下，土颗粒之间的联结作用已经被破坏，直接进入破坏前的第二阶段，随着应变的增加，土颗粒的排列形式逐渐与滑动面一致，所以各个方向力学性质的差异也就逐渐减小；深层黄土的沉积历史相对浅层黄土较长，所以黄土破坏前的第一阶段就相对较强，然后才会进入第二阶段。所以在不同深度范围内，黄土的各向异性的程度呈现以上差异。

3 结 论

本文通过对西宁地区不同深度、与沉积面呈不同角度的原状黄土进行固结不排水三轴剪切试验，探究了黄土的各向异性特性，主要得出以下结论：

（1）土体取样角度不同，其力学性质有很明显的差异，土体在最优含水率附近的应力-应变曲线呈现应变硬化型，并且土样的轴向应变达到20％时，破坏形式以胀鼓形式为主。

（2）不同深度范围内达到同一应变时不同角度土样的偏差应力在与标准面呈45°或90°时最小，0°时最大。

（3）处在较浅土层的黄土，其各向异性程度随土体的轴向应变增加逐渐降低；处在较深土层的黄土，其各向异性程度随土体的轴向应变增加逐渐升高。

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EXPERIMENTAL STUDY ON THE ANISOTROPIC STRENGTH OF INTACT LOESS IN XINING

LUO Chuanqing①ZHANGWuyu②LIHui②③MA Yanxia②FENG Yongzhen②WUWenju②
（①Geological Engineering Department，Qinghai University，Xining 810016）
（②School of Civil Engineering，Qinghai University，Xining 810016）
（③Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071）

For studying the anisotropy of intact loess in Xining，through triaxial testwith consolidated undrained at different angles in every depth，analyzing the relationship between deviatoric stress and angles in loess，meanwhile，exploring the law about the degree in anisotropy with the strain increasing.The results show that the deviatoric stress-strain relationship of loess which is near the optimum water content is strain-hardening，the most failure modes is bulging in middle part；the deviatoric stress-strain relationship of intact loess in different depths present obvious anisotropy，at the same strain，the deviatoric stress have the maximum value in the vertical direction and have theminimum value in the angle of 45°or 90°to the vertical direction.The degree in anisotropy of intact loess with the strain is connected with the stress history.When the preconsolidation pressure is small，the degree inanisotropy of intact loess decreases with the increase of the strain，and conversely，the degree in anisotropy increaseswith the increase of strain.

Intact loess，Triaxial test，Deviatoric stress，Anisotropy

P642.3

：A

10.13544／j.cnki.jeg.2016.06.036

2015－12－25；

2016－07－04.

青海省科学技术厅应用基础研究计划（2015-ZJ-720），青海省高等学校地基与基础教研创新团队项目，青海大学教学名师培育计划项目，青海大学研究生课程建设（qdyk-160101，qdyk-160104），清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室开放研究基金项目（sklhse-2016-D-02）资助.

罗传庆（1990－），男，硕士生，从事岩土工程及防灾减灾方面的研究.Email：luhezelchq＠163.com

张吾渝（1969－），女，硕士，教授，从事黄土地基处理方面的研究.Email：qdzwy＠163.com