重塑黄土无侧限抗压强度与基质吸力关系

(太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024)

我国是世界上黄土面积分布最广泛的地区之一，作为黄土地区建构筑物的主要承载体和建筑材料，黄土的力学性质对工程建设和人类生活十分重要。近年来，随着黄土地基上高层建筑、公路、铁路和机场等岩土建筑数量的增加，其引起的岩土工程问题日益突出，如地基不均匀沉降引起的地裂缝形成以及建筑物和道路、铁路失稳。土体在上部荷重条件下发生的侧向或轴向变形破坏，事实上是孔隙体积减小，孔隙水、气发生变化，从而破坏了颗粒间的作用力，即土体结构被破坏[1]。

针对黄土结构性破坏这一现象，学者们进行了相关研究。Nishimura和Fredlund(1999)开展了重塑粉质土强度与土体总吸力研究[2]，结果表明，重塑粉质土的总吸力在其土壤水分特征曲线非饱和残余区呈非线性变化，破坏时的总吸力可通过土体强度来估算。李小昱等对重塑黄土进行了无侧限压缩试验，发现随着含水率的增加，重塑黄土的抗压强度以临界含水率为界先减小后增大[3]。Jotisankasa针对曼谷黏土开展了无侧限压缩试验[4]，使用土壤张力计测定其有效强度参数和土壤吸力，试验结果表明，曼谷黏土无侧限抗压强度与其土壤吸力之间存在良好关系。陈伟等研究了弱膨胀土的吸力与抗剪强度[5]，结果表明土体吸力对强度的贡献作用与围压有关。孙茉探究了基质吸力与黄土强度之间关系[6]，发现黄土基质吸力大小受其土体结构影响显著。何青峰等开展了离石黄土单轴压缩试验[7]，结果表明随含水率增大，离石黄土的结构强度呈对数函数减弱；随含水率的减小，黄土的强度劣化十分明显。此外，众多关于土体强度的研究[8-11]，对地基土的设计和施工均具有重要的工程指导意义。

目前对于黄土抗压强度的研究，主要集中于干密度、含水率等影响因素上。本文将重塑马兰黄土作为试验材料，对其进行了基质吸力测定，利用应变控制式三轴仪开展了无侧限压缩试验，探究了重塑马兰黄土无侧限抗压强度与基质吸力之间的关系。

1 试样制备与试验方法

试验所用马兰黄土样品取自山西省晋中市榆次区，土体呈浅灰黄色，土质较为湿润，疏松易碎，颗粒较均匀，且垂直节理发育。本次研究所用样品为地下埋深4.5 m深处的土样，通过室内标准击实试验(GB/T 50123-1999)确定其最大干密度和最优含水率，压实曲线如图1所示；使用光电式液塑限测定仪测量土体液、塑限，采用比重瓶法测得其土粒比重。其基本物理性质参数见表1。

图1 马兰黄土压实曲线Fig.1 Compacted curve of Malan loess

液限ωL/%塑限ωP/%最大干密度ρdmax/(g·cm-3)最优含水率ω/%土粒比重Gs/(kN·m-3)26.917.41.7415.72.67

将土样碾碎、烘干，过2 mm筛，然后根据预设的初始含水率配置适量蒸馏水，待土样在保湿缸中均匀预湿后，制备重塑样品。本次试验制备了干密度为1.62 g/cm3、初始含水率为9.8%以及干密度为1.67 g/cm3、初始含水率为11.2%的重塑黄土试样，相应的压实度分别为93%和96%。试样直径为39.1 mm，高度为80 mm。对试验样品进行编号并称重。将相同干密度的样品分成4组，分别将其在室内干燥0，3，6 h和12 h以获得不同含水率，通过称重计算的方法测得试样干燥后的含水率，随后测定其基质吸力和无侧限抗压强度。

本次试验中试样的基质吸力由型号为2100F的土壤张力计测定，该土壤张力计具有准确度高、操作简便等优点；采用TSZ-3型应变控制式三轴仪进行无侧限压缩测试，压缩速率设置为0.38 mm/min。

2 试验结果与分析

2.1 基质吸力与含水率、干密度关系

本次试验中，不同干密度重塑黄土试样基质吸力与含水率之间的关系如图2所示。图2表明，不同干密度的重塑黄土，其基质吸力随含水率的变化具有相同的趋势：随着含水率的增大，基质吸力连续减小。当含水率小于9%时，二者曲线斜率均较大，基质吸力随含水率增大而急剧减小，表明在该范围内含水率对基质吸力的影响较大。当含水率为10%左右时，曲线均较为平缓，该范围内，基质吸力随含水率的变化幅度较小。

图2 不同干密度试样基质吸力与含水率的关系Fig.2 Relationship between matric suction and water content of different dry density samples

从图2中看出，干密度为1.67 g/cm3的试样，其基质吸力始终大于干密度为1.62 g/cm3的试样，当含水率较小时，二者曲线较陡，且基质吸力相差较大；随含水率增大，二者曲线近于平缓且接近重合，且二者之间的基质吸力差异逐渐减小。由此可推断：在含水率较低时，黄土基质吸力的大小不仅取决于含水量，还与土的干密度因素有关，干密度越大，其基质吸力越大；在含水率较高时，黄土基质吸力的大小受其干密度影响不明显。

2.2 无侧限抗压强度与含水率、干密度关系

试样压缩过程的应力-应变曲线如图3所示(以干密度为1.67 g/cm3试样为例)，表示试样分别在干燥0，3，6 h和12 h后的应力-应变曲线。曲线峰值最大应力处对应的强度即为测试试样的无侧限抗压强度。

图3 干密度为1.67 g/cm3时不同干燥时间试样的应力-应变关系Fig.3 Stress-strain relationship of samples with different dry time at 1.67 g/cm3 dry density

试样的应力-应变曲线反映了其变形破坏的整个过程。曲线在达到峰值前，经历了压密阶段、弹性变形(直线段)以及屈服阶段(凸起段)。曲线的峰值应力即为试样的无侧限抗压强度值。曲线经历峰值后土体被压裂破坏，随着应变增大土体裂缝继续增大。从曲线起伏变化形态看出，随着干燥时间的增加，即含水率的减小，压缩曲线的整体斜率增大，曲线对应的极限压应变值减小，曲线的屈服阶段范围也随之减小，试样的残余强度增大。

试样无侧限抗压强度与含水率的关系如图4所示。同一干密度试样，随着含水率增大，其无侧限抗压强度连续减小。干密度为1.67 g/cm3试样，含水率由6.1%增大到11.2%，其无侧限抗压强度由700 kPa减小到170 kPa；干密度为1.62 g/cm3试样，含水率由5.9%增大到9.8%，其无侧限抗压强度由360 kPa减小到90 kPa。随含水率增大，不同干密度试样的无侧限抗压强度均减小了75%左右。

图4 不同干密度试样无侧限抗压强度与含水率关系Fig.4 Relationship between unconfined compressive strength and water content of different dry density samples

图4表明，含水率相同时，干密度为1.67 g/cm3黄土试样的无侧限抗压强度明显高于干密度为1.62 g/cm3的黄土试样。试样压实度由93%增加到96%，其无侧限抗压强度增大到原先的2倍，表明压实度(干密度)越大，则无侧限抗压强度越大。随着含水率增大，不同干密度试样的无侧限抗压强度差值逐渐减小。

试样无侧限抗压强度随含水率的变化趋势，同图2中试样基质吸力与含水率关系变化具有同步性，即当含水率达到10%时，其无侧限抗压强度与基质吸力随含水率的变化趋势均明显减小，表明此时土体内部孔隙水效应对其无侧限抗压强度的影响大幅降低，含水量对基质吸力的影响作用也较小。

2.3 无侧限抗压强度与基质吸力关系

将每一试样的抗压强度值与基质吸力一一对应，绘制出对应点图，如图5所示。图5表明，不同干密度试样其无侧限抗压强度随基质吸力变化具有相同趋势，基质吸力在低范围内，曲线较为平缓，试样无侧限抗压强度随基质吸力的增大而缓慢增长，说明此时基质吸力对无侧限抗压强度的影响较小；而当基质吸力处于高范围时，曲线斜率增大，随着基质吸力的增加，样品的无侧限抗压强度急剧增大，表明在高基质吸力的情况下，基质吸力对其无侧限抗压强度的影响十分显著。此外，基质吸力相同时，试样干密度越大，其无侧限抗压强度越大。

图5 不同干密度试样无侧限抗压强度与基质吸力关系Fig.5 Relationship between unconfined compressive strength and matric suction of different dry density samples

对试样的无侧限抗压强度与基质吸力关系进行拟合，发现其两者具有良好的指数函数关系，拟合公式如下。

qu= 142.7e0.019Ψ(ρ=1.67 g/cm3)

(1)

qu= 88.5e0.020Ψ(ρ=1.62 g/cm3)

(2)

式中，qu为试样无侧限抗压强度，kPa；Ψ为试样基质吸力，kPa。

2.4 讨 论

重塑黄土含水率的增大使土体颗粒间水体增多，孔隙水压力增大，同时孔隙减少，相应毛细效应减弱，颗粒间吸附力难以保持原有状态，导致土体基质吸力减小。另外，土体含水量增大，其相应的溶解、润滑作用增强，黄土中存在的可溶盐溶解，同时水膜的楔入作用均会导致土体结构发生一定破坏，土粒间的摩擦力和凝聚力减小，降低了颗粒间胶结强度，从而导致土的抗压强度减[12-14]。

重塑黄土干密度的增大使土体结构发生改变，土体密实度增大，孔隙气压力增大，导致土体基质吸力增大。同时，土体内部孔隙大幅减小，增大了土颗粒之间接触面积及相互之间的咬合力和凝聚力，土体胶结强度和抵抗变形破坏能力增强，提高了土体抗压强度[15-17]。

重塑黄土的基质吸力与无侧限抗压强度均受试样含水率和干密度的影响显著，且二者随含水率、干密度变化具有同步性，二者之间存在良好的正相关关系。

3 结 论

开展重塑马兰黄土抗压强度与基质吸力的关系研究，不仅对实际工程应用中地基土的设计和施工具有重要的指导意义，更有助于完善土体的强度理论。本文通过对不同干密度和含水率的重塑马兰黄土试样进行基质吸力测定和无侧限压缩试验，得出了如下结论和认识。

(1) 含水率越大，重塑马兰黄土的基质吸力与无侧限抗压强度越小；干密度越大，其基质吸力与无侧限抗压强度也越大。

(2) 在低含水率范围内，随含水率的增大，重塑马兰黄土基质吸力与无侧限抗压强度迅速减小；在高含水率范围内，其基质吸力与无侧限抗压强度随含水率改变的变化幅度均较小。由此得出，天然含水率下，非饱和黄土的含水率较低，此时土体工程性质受含水量影响很大，应引起重视。

(3) 重塑马兰黄土无侧限抗压强度与基质吸力之间存在良好的正指数关系。基质吸力在低范围内时，重塑黄土的无侧限抗压强度随基质吸力增大而增加的幅度较小；而基质吸力在高范围内时，其无侧限抗压强度随基质吸力增大而急剧增大。

(4) 在实际工程应用中，需根据工程等级的要求，确保黄土路基、地基的密实度，同时要保证工程建设完工后黄土体能始终处于低含水量状态，导致避免黄土体性质受降水入渗的影响发生改变，进而导致工程质量及安全问题。

(5) 本文将黄土的力学性质和土体内部吸力创造性地结合起来，具有进一步研究的吸引力，可对黄土压缩破坏过程中土体基质吸力的变化情况开展深入研究。