砂质原状黄土强度各向异性试验研究

王华雄，蔡国庆，韩博文，李 舰，赵成刚

(1.城市地下工程教育部重点实验室， 北京 100044；2.北京交通大学 土木建筑工程学院， 北京 100044)

天然黄土颜色通常表现为黄色或棕黄色，其主要成分包括黏土和粉砂等，土体内部往往不会形成层理结构但会形成竖直节理[1]。剪切破坏往往是大部分土体的破坏形式[2]，因此研究原状黄土的抗剪强度十分重要。天然黄土在主要的形成过程会生成竖直方向的节理以及特有的较大的孔隙结构特征，导致其抗剪强度表现出显著的各向异性特性[3-4]。在原状黄土抗剪强度的试验研究领域，从竖直深度方向制得的土样往往被大部分研究者选用并开展一系列试验。然而，在实际工程情况下，原状黄土常常具有十分复杂的受力状态，只单一采用竖直方向或水平方向的抗剪强度参数，无法准确而全面地反映原状黄土的破坏及变形特征。所以，对原状黄土的抗剪强度各向异性特性进行研究，在理论上或者在实际应用上都将会表现出非常重大的研究意义。 关于黄土强度各向异性特征，国内外众多学者开展了相关研究。Casagrande等[5]较早发现土体强度的各向异性，且根据原因分成原有的以及外部应力导致的各向异性。许萍[6]和Liang等[7]通过研究发现黄土是风力搬运的天然沉积土，天然沉积土通常具有各向异性。李广信[8]认为原状黄土在主要的形成过程中都会呈现出各向异性特性。Kohata等[9]取饱和重塑土进行排水剪切试验，提出了一个各向异性条件下弱超固结土的本构模型。Arthur等[10]对黄土沉积和黄化过程进行试验模拟，结果表明，黄土在沉积和黄土化过程中均会形成各向异性。Arthur[11]取散砂法制备的各向异性土样进行三轴试验，结果表明，应力比相同时，不同加载方向试样的轴向应变值差别较大。Oda[12]取松砂进行常规三轴试验，结果表明，当施加荷载的方向和松砂的沉积方向不一致时，松砂的变形和抗剪强度表现出明显的各向异性。宋飞等[13]取不同沉积方向的砂土试样进行排水剪切试验，结果表明，各向异性条件下的k0值比各向同性时明显偏大。Yoshimine等[14]采用空心圆柱扭剪仪进行试验,结果表明，不同大主应力方向具有不同的强度。栗茂田等[15]取饱和松砂进行不排水剪切试验，结果表明，剪切过程应力-应变关系受到主应力方向的影响。鲁洁等[16]取压实黄土进行直剪和渗透试验,结果表明,压实黄土垂直向强度参数大于水平向,黏聚力各向异性随含水率增大而减小。杨朝旭[17]取陕西铜川压实黄土进行三轴剪切试验，结果表明，陕西铜川压实黄土具有明显的强度各向异性，同等应力条件下垂直向的抗剪强度大于水平方向，并且随着围压或者干密度的增大其抗剪强度的差异性表现的更加显著。梁庆国等[18]取兰州地区Q4黄土开展直剪和固结试验，结果表明，当施加的法向应力低于300 kPa时，水平向试样抗剪强度比垂直向大13.6%～20.8%，而当施加的法向应力高于300 kPa时，垂直向试样抗剪强度仅比水平向试样大3.7%～7.4%。刘奉银等[19]取西安地区原状Q3黄土进行直剪试验，结果表明，该地区黄土竖直方向的黏聚力大于水平向，而内摩擦角则相反。孙亚男[20]取西安某基坑土进行直剪试验，结果表明,基坑垂直向与水平向土体的抗剪强度存在明显的差异。张奇莹等[21]取陕西省泾阳原状黄土进行直剪试验，结果表明,黄土强度各向异性的影响因素主要有孔隙率和含水率。梁庆国等[18]取兰州Q4黄土进行三轴试验，结果表明，不同围压下，竖直向试样的变形模量大于水平向。徐善常等[22]取甘肃定西原状Q3黄土进行三轴试验，结果表明，垂直向抗剪强度明显高于水平向。罗传庆等[23]取西宁地区原状黄土进行不排水剪切试验，结果表明，黄土的各向异性在不同应变下的表现程度与其所承受的应力历史有关。叶朝良等[24]取原状Q3黄土进行直剪及三轴试验，结果表明，黄土内摩擦角和黏聚力均是水平方向较大。衣浩源[25]取山西原状马兰黄土进行三轴，结果表明，山西原状马兰黄土抗剪强度存在明显的各向异性；土体竖直方向的密实度和抗剪强度明显比水平方向高，竖直方向的抗剪强度约为水平向的1.15倍。张茂华等[26]取原状Q3黄土进行单轴压缩试验，结果表明，黄土的压缩变形和湿陷变形具有显著的各向异性。张帮强等[27]取陕西泾阳原状黄土进行平面应变试验，结果表明，随着主应力角增大，黄土的抗剪强度参数显著减小。邵生俊等[28]取西安Q3原状黄土进行真三轴试验研究，结果表明，应变相同时，竖向的最大偏应力比其它方向的大。陈伟等[29]采用空心圆柱扭剪仪对黄土进行试验，结果表明，主应力方向角增加，强度呈现出先减小后增大的变化规律。许萍等[30]取西安Q3原状黄土进行真三轴试验，结果表明，黄土的竖直向黏聚力和内摩擦角均大于水平方向。Li[31]通过研究得出黄土两个方向的抗剪强度参数即c值和φ值表现出各向异性，水平方向的c和φ都比竖直方向的大。

针对取自北京地区某工点的水平和竖直方向原状黄土试样，在保持土样天然含水率条件下，分别开展了固结不排水和固结排水三轴剪切试验，以此来研究各向异性条件下原状黄土的变形及强度特性。

1 试验材料及试验方法

1.1 取样及制样

现场取样点位于北京市大兴区某施工工地基坑工程，取样深度3 m～4 m，所取土样位于基坑侧壁和底部，取样处黄土呈黄色，为典型的黄土，孔隙发育较好。

现场所取土样运回实验室后，对其进行基本物理性质指标的试验测定，然后分别从竖直方向和水平方向制备标准三轴试样，试样直径为39.1 mm，高80 mm，制备水平方向和竖直方向试样各6个，共计12个试样。

1.2 试验方法

制备好的试样，保持土样天然含水率，采用TSZ-3型应变控制式三轴仪，在100 kPa、200 kPa、300 kPa的围压下，分别在固结不排水和固结排水试验条件对试样进行剪切。

2 试验结果及分析

2.1 土样基本性质试验

土样的比重、液限、塑限等指标见表1。

表1 土样基本性质指标

2.2 竖直和水平方向试样固结不排水三轴剪切试验

现场所取的原状土样从竖直方向和水平方向制备三轴试样。分别在100 kPa、200 kPa、300 kPa围压下进行固结不排水三轴剪切试验，试样的天然含水率和干密度如表2所示。

表2 试样天然含水率和干密度(固结不排水)

水平和竖直方向试样剪切过程中的应力-应变关系曲线如图1所示。两个方向均表现为：不同围压下，随着轴向应变增大，试样的偏应力先增大，达到峰值，然后逐渐减小，试样的破坏呈现出塑性破坏。

图1 水平和竖直方向试样不同围压条件应力应变关系曲线(固结不排水)

不同围压下两个方向的最大偏应力如图2所示。围压为100 kPa、200 kPa、300 kPa，竖直方向试样的最大偏应力为96 kPa、174 kPa、269 kPa；水平方向为76 kPa、144 kPa、224 kPa。两个方向的最大偏应力均随着围压的增大而增大。

图2 不同围压下不同方向试样最大偏应力值(固结不排水)

不同围压下不同方向的破坏应变值如图3所示。竖直方向试样的破坏应变值分别为8.83%、14.04%、15.43%；水平方向应变值分别为6.30%、15.31%、15.41%。随着围压的增大，两个方向试样的破坏应变值均不断增大。

图3 不同围压下不同方向试样的破坏应变值(固结不排水)

2.3 竖直和水平方向试样固结排水三轴剪切试验

沿竖直和水平方向制备的试样，分别在100 kPa、200 kPa、300 kPa围压下进行固结排水三轴剪切试验，试样的天然含水率和干密度如表3所示。

表3 试样的天然含水率和干密度(固结排水)

水平和竖直方向试样剪切过程中的应力-应变关系曲线如图4所示。两个方向的试样均表现出塑性破坏：不同围压下，随着轴向应变增大，试样的偏应力先增大，达到峰值，然后逐渐减小。

不同围压下不同方向试样的最大偏应力如图5所示。围压为100 kPa、200 kPa、300 kPa时，竖直方向试样的最大偏应力分别为120 kPa、264 kPa、401 kPa；水平方向分别为88 kPa、193 kPa、288 kPa。两个方向的最大偏应力均随围压增大而增大。

不同围压下不同方向试样的破坏应变值如图6所示。竖直方向试样的破坏应变值分别为15.13%、13.99%、15.32%；水平方向应变值分别为6.31%、15.27%、15.32%。随着围压增大，竖直方向试样的破坏应变值先减小后增大，水平方向试样则逐渐增大。

图4 水平和竖直方向试样不同围压条件应力应变关系曲线(固结排水)

图5 不同围压下不同方向试样最大偏应力值(固结排水)

图6 不同围压下不同方向试样的破坏应变值

3 各向异性分析

3.1 最大偏应力

固结不排水和固结排水试验条件下水平方向和竖直方向试样的最大偏应力差值如图7所示。固结不排水试验中，两个方向的最大偏应力差值分别为20 kPa、30 kPa、45 kPa；固结排水试验中，两个方向最大偏应力差值分别为32 kPa、71 kPa、113 kPa。两种试验条件下，差值均大于0，即竖直方向试样的最大偏应力大于水平方向，最大偏应力在竖直方向和水平方向上表现出明显的各向异性。随着围压增大，两个方向的最大偏应力差值在逐渐增大，即各向异性特性随围压的增大表现越来越明显。

图7 水平和竖直方向试样不同围压条件最大偏应力差值

3.2 破坏应变值

固结不排水和固结排水试验条件下水平方向和竖直方向试样的破坏应变值差值如图8所示。固结不排水试验中，两个方向试样的破坏应变值差值分别为2.53%、-1.28%、0.02%；固结排水试验中，两个方向破坏应变值差值分别为8.82%、-1.28%、0.01%。两种试验条件下均表现为：围压100 kPa和300 kPa时差值大于0，即竖直方向试样的破坏应变值大于水平方向；围压200 kPa时差值小于0，即竖直方向试样的破坏应变值小于水平方向。不同围压作用下，土体竖直方向和水平方向的破坏应变值表现出各向异性。随着围压的增大，两个方向的破坏应变值差值呈现逐渐减小的趋势，即破坏应变值各向异性特性表现不明显。

3.3 抗剪强度参数

固结不排水和固结排水试验条件下水平方向和竖直方向试样的抗剪强度参数见表4。竖直方向的内摩擦角均大于水平方向；固结不排水试验中竖直方向的黏聚力大于水平方向，而固结排水试验中则是水平方向大于竖直方向。土体的抗剪强度参数在竖直方向和水平方向上表现出各向异性。

图8 水平和竖直方向试样不同围压条件破坏应变值差值

表4 水平方向和竖直方向试样的抗剪强度参数

固结不排水和固结排水试验条件下竖直方向的抗剪强度包线均位于水平方向的抗剪强度包线之上，即竖直方向的抗剪强度大于水平方向，土体的抗剪强度在竖直方向和水平方向上表现出各向异性。

4 结 论

本文针对北京地区原状砂黄土，以室内试验为手段，对黄土强度各向异性进行试验研究。选取了北京市大兴区某地地下埋深3 m～4 m的原状黄土，沿竖直方向和水平方向制备三轴试样，并在100 kPa、200 kPa、300 kPa围压下进行了固结不排水和固结排水三轴剪切试验。主要得到了以下结论：

(1) 在固结不排水和固结排水三轴剪切试验条件下，不同围压下，竖直方向和水平方向试样的破坏形式均为塑性：土体剪切过程开始，第一阶段的变形为弹性，伴随轴向应变的增大，土体步入应变硬化阶段；当偏应力上升到最大值以后，轴向应变不断增加，偏应力表现出缓慢下降的变化趋势，土体步入了应变软化阶段。

(2) 在固结不排水和固结排水三轴剪切试验条件下，原状黄土土样的抗剪强度在竖直方向和水平方向上表现出明显的各向异性。竖直方向的内摩擦角均大于水平方向,固结不排水试验中竖直方向的黏聚力大于水平方向，而固结排水试验中则是水平方向大于竖直方向。随着试验围压的增大，土体的抗剪强度在竖直方向和水平方向上表现出的各向异性越来越明显。

(3) 北京地区原状砂黄土抗剪强度在竖直方向和水平方向表现出各向异性的原因可能是黄土在沉积和演化过程中形成了特有的结构性。