砂粒含量对砂质黄土力学性质影响试验研究

慕焕东，邓亚虹，李荣建，张文栋

(1.西安理工大学 岩土工程研究所， 陕西 西安 710048; 2.长安大学 地质工程与测绘学院， 陕西 西安 710054; 3.西安市地质环境监测站， 陕西 西安 710016)

黄土的发育及颗粒组成具有明显的地带性分布规律[1-3]。其粒度大小变化在空间上具有分异性，表现为自西北向东南其颗粒组成由粗逐渐变细，粒组中砂粒含量减少，黏粒含量增多。不同的颗粒组成不但导致了黄土强度、亲水、膨胀性方面的差异，还会影响黄土的结构特征及强度特性[4-6]。根据黄土的颗粒组成，可将其依次可划分为3个带，即砂质黄土带、粉质黄土带和黏质黄土带。在砂质黄土带，广泛发育着一种既不同于滑坡，又不同于崩塌且危害严重的地质灾害，即滑塌。据不完全统计，榆林、延安等地仅1984年—2009年发生的滑塌地质灾害486次[1]，造成人员死亡的就有147次，死亡人数高达578人，当地居民也称之为“塌坡”、“塌坎”。滑塌地质灾害的发生，已经严重的影响了居民的日常生活，给人民生命财产造成巨大损失。

考虑到在砂黄土地区滑塌地质灾害频发，而引发砂黄土滑塌灾害的主要诱因是其力学性质的变化，因此，通过研究砂粒含量对砂黄土力学性质的影响，尤其是不同砂粒含量下砂黄土的强度性质，对探索砂黄土地区滑塌灾害形成机理及其工程设计力学参数具有重要的理论实际意义。

砂质黄土因其形成环境及颗粒组成而表现出土质疏松、水稳性差、抗冲蚀能力弱、极低的黏聚力等不良工程地质性质[7]，更容易形成滑塌等严重地质灾害，不同学者对其进行了相关研究。丁仲礼等[8]以大于63 μm的粗颗粒黄土为研究对象，通过大量统计对比分析发现了砂粒含量由北向南有逐渐降低的趋势。王均平等[9]研究了区域环境对黄土砂粒含量的重要影响，研究发现豫西黄土砂粒含量与关中渭南相比突然增高。李卓等[10]研究了砂粒含量对土壤水分蓄持能力的影响，研究发现土壤的供水能力随砂粒含量的增加而降低。唐朝生等[11]研究了含砂量对聚丙烯纤维土加筋黏性土强度的影响及其影响机制，研究表明纤维土的无侧限抗压强度和黏聚力随含砂量的增加先增加后减少，纤维土的内摩擦角大小与掺砂量成正比。

真正研究砂质黄土相关研究的文献少之又少。张永双等[12-13]进行了砂质黄土相关方面的研究，包括砂质黄土的微观结构特性、胶结联结特性及砂质黄土高边坡稳定性。研究表明砂质黄土在微观上表现为极微弱连结的粗骨架状架空结构，具有弱胶结特性，具有较高的摩擦强度；砂质黄土高边坡稳定性的数值模拟研究表明随着坡角或坡高的增大，边坡稳定性不断变差，阶状坡形比一坡到顶的坡形更利于边坡稳定和防护。李滨等[14]进行了Q3砂质黄土真三轴强度变形特性研究，得出真三轴条件下Q3砂质黄土剪切破坏方式以侧胀破坏、单缝剪切破坏为主。胡幼常等[15]进行了土工格栅加筋掺砂质黄土工程性质试验研究，发现不管有无土工格栅加筋，掺砂都能使黄土强度大幅度提高，尤其在小应变下其提高的幅度更大。

上述基于砂粒含量和砂质黄土相关方面的研究虽然已经取得了一定的研究成果，但要想得出合理的且能够直接服务于工程防灾的砂质黄土力学特性规律[16-18]，还需做更为详细的试验和计算工作。目前，砂质黄土地区主要分布于榆林、延安西北部地区及甘肃庆阳地区，因砂质黄土的不良工程地质特性而引发的滑塌地质灾害非常普遍。因此，研究砂粒含量对砂质黄土力学性质的影响，就显得尤为迫切，而且具有重要的工程实际意义。

为此，以吴起砂质黄土作为研究对象，通过对不同砂粒含量(30%、35%、40%、45%)的砂质黄土进行渗透试验、压缩试验、三轴剪切试验，研究了砂粒含量的变化对砂质黄土力学性质的影响及其力学机制，所得结果为砂质黄土地区滑塌灾害防治减灾提供了重要的力学参数。

1 试验设计

试验所用土样取自陕西省延安市吴起县。所取试样为砂质黄土，土样呈灰黄色。现场取样采用刻槽法，取回试样后应立即进行室内的制样与养护工作，并测定土的基本物理参数，土样的基本物理力学指标如表1所示。制备好的试样如图1所示。

表1 土样基本参数

图1砂质黄土试样

试验时，分别对四种砂粒含量(30%、35%、40%、45%)的砂质黄土进行变水头渗透实验、不同垂直压力下的压缩试验以及不同垂直压力下的三轴压缩试验，进而得到不同砂粒含量的变化对砂质黄土力学性质的影响规律。

2 不同砂粒含量砂质黄土试验结果

2.1 渗透特性试验

通过对砂粒含量为30%、35%、40%、45%的砂质黄土进行渗透试验，得到渗透系数随砂粒含量的变化曲线如图2所示。

图2渗透系数与砂粒含量关系曲线

由图2可知，随着砂粒含量的增大，砂质黄土的渗透系数总体呈增大趋势，亦即随着砂粒含量的增加砂质黄土的渗透性逐渐增强。同时，渗透系数与砂粒含量关系曲线形态呈现出先增大、后平缓、再增大的折线形，砂粒含量为35%和40%为曲线形状变化的 “转折点”，即当砂粒含量大于35%时，砂质黄土的渗透系数增幅减小，达到40%时，其渗透系数急剧增大。

2.2 压缩特性试验

通过对砂粒含量为30%、35%、40%、45%的砂质黄土进行压缩试验，得到孔隙比随垂直压力变化曲线如图3所示。

图3孔隙比与垂直压力关系曲线

从3图可以看出，砂质黄土的孔隙比随着垂直压力的增大而减小，但减小的幅值不大，曲线较为平缓。同时，砂质黄土的孔隙比随砂粒含量的增大而增大，其增幅表现出与渗透性相一致的变化规律，亦即当砂粒含量由30%增加至35%时，其孔隙比增加的幅度较小，而当砂粒含量大于35%后，其孔隙比增加的幅值逐渐增大，这是由于砂粒含量的变化会导致土样中颗粒间赋存状态的改变，直接影响着试样孔隙比及最终压缩量的差异。

2.3 强度特性试验

2.3.1 应力应变曲线

通过三轴剪切试验，可以得到不同砂粒含量下的应力-应变曲线如图4所示。

由图4可知，砂质黄土应力应变关系曲线表现出应变硬化性特性，曲线斜率随着轴向应变的增大而逐渐变缓；同时，随着砂粒含量的增加，其主应力差逐渐增大，表现为应力应变关系曲线呈抬高趋势，且其抬高的趋势在砂粒含量大于40%后幅度明显增大。

2.3.2 抗剪强度参数分析

根据图4所示的不同围压下的应力应变关系曲线，可以得到不同砂粒含量下的砂质黄土的摩尔-库仑抗剪强度包线如图5所示。由不同砂粒含量下砂质黄土的摩尔-库仑抗剪强度包线可以得到其抗剪强度强度参数如表2所示。

图4应力应变关系曲线

图5 抗剪强度包线

由表2可知，随着砂粒含量的增加，砂质黄土的黏聚力逐渐降低且降低的幅度很小，同时内摩擦角逐渐增大且增加的幅值亦很小，符合一般认识。

2.3.3 砂粒含量对砂黄土抗剪强度参数的影响

为进一步分析不同砂粒含量下砂质黄土抗剪强度参数的差异，将砂粒含量分别为30%、35%、40%和45%与黏聚力和摩擦角的变化曲线绘制在同一坐标轴中进行比较，得到的结果如图6和图7所示。

图6砂粒含量与黏聚力关系曲线

由图6可以看出，随着砂粒含量的增大，砂质黄土的黏聚力减小，砂粒含量从30%增长至45%，黏聚力从6.08减至3.28，降幅为46%。曲线形态表现为先缓后陡，即当砂粒含量小于35%时黏聚力随砂粒含量的增加缓慢降低，当砂粒含量大于35%时黏聚力随砂粒含量的增加其降低趋势增大。

图7砂粒含量与摩擦角关系曲线

由图7可以看出，随着砂粒含量的增加，内摩擦角增大，砂质黄土砂粒含量从30%增长至45%，内摩擦角从26.09°增长至30.76°，增幅为15.1%。

3 结 论

通过对陕西延安吴起不同砂粒含量的砂质黄土进行渗透试验、压缩试验及三轴剪切试验，研究了砂粒含量的变化对砂质黄土力学性质的影响及其力学机制，研究表明：

(1) 随着砂粒含量的增大，砂质黄土的渗透系数、孔隙比及抗剪强度总体呈增大趋势，且曲线形态均呈现出先增大、后平缓、再增大的折线形，砂粒含量为35%和40%为曲线形状变化的 “转折点”。

(2) 砂粒含量对抗剪强度参数的影响表现为随着砂粒含量的增加其内摩擦角逐渐增大，黏聚力逐渐减小。