黄土古土壤工程力学性质机理研究

赵守全，朱兆荣*，吴红刚，韩 侃，陈 明

（1.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000；2.中铁十二局集团第四工程有限公司，陕西 西安 710000）

随着我国交通基础设施的快速发展，黄土及黄土古土壤地区工程建设活动也越来越多，黄土是一种具有特殊结构性质的疏松多孔弱胶结层状沉积物[1-3]，其工程力学性质受环境影响较大，属于易发生灾害的土体[4-5]，在工程建设中常引发一系列灾害。而黄土古土壤则是在地质历史时期，黄土堆积过程中，由于经历古气候暖、湿交替的变化过程形成的土壤层，黄土与黄土古土壤在物理性质和化学性质上有一定的区别。目前，国内外对于黄土的工程力学性质研究比较多，例如黄土的液化问题、应力应变特性、结构屈服特性等，但对于黄土古土壤的工程力学性质的研究却相对较少，自20世纪90年代开始，人们才逐渐开展对于黄土地层中的黄土古土壤的工程力学性质的研究。

Shao等[6]通过数值分析并揭示了黄土隧道在施工过程中不同破坏形式的形成机理；Xue等[7]建立了基于开挖过程中的稳定性评价模型，并将其应用到实际工程中进行验证，研究有助于加深对黄土稳定性的认识；Deng等[8]对黄土微观结构的定量表征和变化进行研究并探讨了黄土宏观物理力学性质与拟合参数的变化规律的相关关系，研究有助于更好地理解黄土的灾变行为和该区地质灾害的物理机制。Shao等[9]系统地研究了黄土和古土壤层的渗透率、磁化率和孔隙度等性质。Peng等[10]通过现场和室内直剪试验探讨了黄土与古土壤界面过渡带的物理力学性质。张奇莹等[11]开展直剪试验，研究了原状黄土-古土壤抗剪强度的各向异性特征及其形成机制和影响因素。雷祥义[12]在对黄土高原南部晚更新世黄土的研究中发现，此区域黄土地层自北向南的显微结构由微胶结结构逐步过渡为半胶结结构，直到胶结结构，黄土的力学特性也相应由差变好，黄土地层剖面自上而下也存在着上述变化规律，且黄土古土壤的结构致密，湿陷性较弱，力学性质较好。刘祖典[13]通过对不同沉积时代的黄土抗剪强度指标与含水量之间的关系分析得出，年代越久远的黄土抗剪强度越大，同时代的黄土，当干重度相同时，c值随含水量的增加而减小，φ值略有减小。赵景波等[14]研究了黄土抗剪强度、湿陷性和颗粒成分在垂直向上的变化规律及其成因，研究发现黄土地层工程性质在垂向上有波动变化的特征，且红色黄土古土壤相比成壤作用弱的黄土层，其抗剪强度变大、湿陷性变弱及孔隙度降低，并指出造成黄土地层工程物理性质差异的根本原因是第四纪暖湿与冷干气候交替，红色黄土古土壤中黏粒含量高，黏化作用强，导致其致密、坚硬，抗剪强度更大，结构更加稳定。刘小军等[15]在对黄土窑洞病害研究调查及分析中阐述了黄土古土壤层分布位置的不同对于窑洞稳定性的影响不同，若黄土古土壤位于窑洞顶部之上，则黄土古土壤可以充当天然顶棚，对窑洞整体稳定有利，若黄土古土壤层夹于窑顶偏下或窑腿部位，则对窑洞不利，研究中可发现黄土古土壤的力学特性不同于黄土，且黄土古土壤的力学特性对于黄土地区建设具有重要的意义。刘海松、彦斌等[16-17]根据洛川标准剖面黄土-黄土古土壤的分布，研究了黄土随地层深度物理力学性质的变化特征，得出黄土地层沿深度力学特性出现幅度不等的波动性变化。这些研究表明，黄土与黄土古土壤在物理性质和化学性质上有明显的区别。邓军涛等[18]对原状与重塑黄土古土壤的抗剪强度特性随含水率与干密度的变化进行了研究，进行了多组室内直剪试验，发现黄土古土壤的抗剪强度指标随含水率的增大而减小，内摩擦角与含水率呈二次抛物线关系，粘聚力与含水率呈指数关系，为黄土地区工程建设中的参数选取提供了依据。

国内外学者对黄土古土壤渗透性、抗剪性等物理性质的试验研究已有较多成果。然而，对黄土古土壤的抗压、抗拉强度及无荷载膨胀率等工程力学性质的研究却相对较少，缺乏相关的研究文献资料支撑。因此，本文着重从银西铁路黄土塬区早胜一号隧道开挖断面黄土古土壤试样的抗压、抗拉及抗剪强度3方面进一步开展研究工作，以期为工程建设设计提供指导。

1 试验材料及试验方案

1.1 试验材料

土样为取自银西铁路黄土塬区早胜一号隧道开挖断面的黄土古土壤，土样呈鲜红色，结构致密均匀，根据SL237—1999《土工试验规程》[19]及GB/T50123—1999《土工试验方法标准》[20]，严格执行规范开展相关室内试验，测得的土样基本物理性质详细结果见表1。该黄土古土壤组成主要以粉粒为主，各部位（上、中、下台阶）含量分别高达79.13%、76.98%、79.31%，其次是粘粒，含量分别为19.44%、17.66%和19.94%；此外，各部位（上、中、下台阶）土样液限分别为44.54%、42.78%和44.02%，均低于50%，塑性指数均大于17，由此可知，黄土古土壤土体可塑性较好，属于低液限粉质黄土古土壤。

表1 土样物理性质

1.2 试验方案

（1）通过室内无侧限抗压强度试验，研究西铁路黄土塬区早胜一号隧道开挖断面处黄土古土壤的抗压强度。

（2）通过室内抗拉强度试验，研究西铁路黄土塬区早胜一号隧道开挖断面处黄土古土壤的抗拉强度。

（3）采用南京土壤仪器厂的ZJY-3型等应变直剪仪，通过室内直剪试验，研究西铁路黄土塬区早胜一号隧道开挖断面处黄土古土壤的抗剪强度及其强度参数内摩擦角和粘聚力。

（4）通过室内无荷载膨胀率试验，研究西铁路黄土塬区早胜一号隧道开挖断面处黄土古土壤无荷载膨胀率，以及原状和重塑黄土古土壤的膨胀率随含水率的变化状况。

2 试验结果及分析

2.1 无侧限抗压强度试验结果分析

无侧限抗压强度试验示意图如图1（a）所示，无侧限抗压强度应力应变曲线如图1（b）所示，由图1（b）可知，在早胜一号隧道1号斜井西安方向上、中、下3个台阶处，隧道围岩黄土古土壤试样的无侧限抗压强度应力应变关系曲线变化趋势总体上表现一致，且无侧限抗压强度相差不大，峰值抗压强度均在5 MPa左右。在达到峰值抗压强度前总体呈现上凸形增长，快速经历应变硬化过程达到峰值强度，曲线峰值明显，轴向应力达到峰值抗压强度值后试样剪切破坏，轴向应力逐渐降低，试样的破坏后呈稳定破裂传播的特征，试样破坏后保持一定的残余强度，表明试件抗压时延性较好。

图1 无侧限抗压强度试验结果图

2.2 抗拉强度试验结果分析

抗拉强度试验示意图如图2（a）所示，抗拉强度应力应变曲线图如图2（b）所示。由图2（b）可知，早胜一号隧道1号斜井西安方向上、中、下3个台阶处的围岩黄土古土壤试样抗拉强度相差不大，均在0.6 MPa左右，而一般的黄土的抗拉强度一般为几千帕到几十千帕，由此可知隧道围岩的力学性质优于一般的黄土；此外，试样的延性度都小于3%，试样在力的作用下应变很小就发生破坏，试样抗拉时脆性比较明显，在达到峰值抗拉强度时，应力明显出现直线跌落的现象。

图2 抗拉强度试验结果图

2.3 直剪试验结果分析

早胜一号隧道各方位围岩黄土古土壤在不同正应力水平（100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa）下的剪切位移与剪切应力关系曲线如图3、图4所示。由试验结果可知，在同一断面，各台阶黄土古土壤的剪切应力随施加在竖直方向上的正应力水平的增加而增大，且在各正应力条件下的剪切位移-剪切应力曲线变化趋势基本一致，表现为驼峰分布；此外，一个明显的现象是，同一断面，相同台阶处围岩黄土古土壤围岩黄土古土壤达到峰值剪切应力而剪切破坏时的剪切位移随竖向正应力水平的增加而加大，即正应力水平越高，试样剪切破坏需要的时间越长；试样剪切破坏后呈现稳定破裂传播的特征，破坏后仍能保持一定的残余强度，抗剪切延性较好。

图3 直剪试验结果图

图4 剪切应力与剪切位移曲线图

2.4 黄土古土壤强度参数分析

为进一步研究黄土古土壤强度，采用Mohr-Coulomb准则进行拟合峰值抗剪强度与正应力之间的关系如图5所示，得到黄土古土壤强度参数（内摩擦角和粘聚力）。将黄土古土壤强度性质试验详细结果进行处理统计详细结果见表2。

图5 Mohr-Coulomb准则拟合曲线

其中，φ、c分别表示黄土古土壤强度的内摩擦角和粘聚力。

由表2可知，早胜一号隧道1号斜井西安方向上、中、下台阶处黄土古土壤试样的无侧限抗压强度分别为5.09 MPa、4.98 MPa和4.28 MPa，大小比较接近；而抗拉强度值很接近，其大小分别为0.59 MPa、0.57 MPa和0.56 MPa；相比无侧限抗压强度，黄土古土壤试样的抗拉强度要弱得很多，大小相差十余倍；此外，由Mohr-Coulomb准则拟合峰值抗剪强度与正应力关系，得到上、中、下台阶处黄土古土壤试样的抗剪强度参数见表2，其中内摩擦角分别为34.70°、36.14°和35.39°，粘聚力分别为67.93 kPa、68.74 kPa和65.59 kPa。

表2 黄土古土壤强度性质试验详细结果

2.5 无荷载膨胀率试验结果分析

隧道开挖过程中，围岩含水率会发生变化，有部分围岩受到扰动，则部分围岩为扰动黄土古土壤，部分围岩为原状黄土古土壤。因此，有必要测试不同含水率情况下原状和重塑黄土古土壤膨胀率的变化趋势，探究原状与重塑黄土古土壤膨胀力受含水率的影响。同样，将早胜一号隧道1号斜井西安方向黄土古土壤做为研究对象，开展室内无荷载膨胀率试验研究。早胜一号隧道1号斜井西安方向上、中、下台阶处黄土古土壤试样膨胀率随时间的变化如图6（b）所示，由图6（b）可看出，在0～250 min内，膨胀率快速增长；250～1 000 min内，膨胀率缓慢增长；1 000 min以后膨胀率几乎不再增加，上台阶处黄土古土壤最大值可达5.78%。原状和重塑黄土古土壤最大无荷载膨胀率随含水率的变化如图6（c）所示，由图6（c）所示可以看出，含水率为0%时，原状黄土古土壤的最大无荷载膨胀率可达37.3%，重塑黄土古土壤的最大无荷载膨胀率可达36.4%。随着含水率的增加，原状和重塑黄土古土壤的最大无荷载膨胀率呈幂函数下降。整个含水率的变化过程，重塑黄土古土壤的最大无荷载膨胀率大于原状黄土古土壤。因此，对围岩为黄土古土壤的隧道而言，这个最大无荷载膨胀率的值不容忽视，应采取相应措施减少围岩膨胀的危害。

图6 无荷载膨胀率试验结果图

3 结论

通过对银西铁路黄土塬区早胜一号隧道开挖断面处黄土古土壤力学性质的研究，对黄土古土壤力学性质的认识具有重要意义，可为黄土古土壤地区工程建设活动提供科学依据和研究参考，确保相关工程的稳定性。通过无侧限抗压强度试验、抗拉强度试验、直剪试验和无荷载膨胀率试验研究分析，得到以下结论。

（1）无侧限抗压强度试验得出在早胜一号隧道1号斜井西安方向上、中、下3个台阶处，隧道围岩黄土古土壤试样的峰值抗压强度分别为5.09 MPa、4.98 MPa和4.28 MPa，在达到峰值抗压强度前总体呈现上凸形增长，快速经历应变硬化过程达到峰值抗压强度值后试样剪切破坏，轴向应力逐渐降低，试样破坏后保持一定的残余强度，该区域黄土古土壤试样抗压延性较好。

（2）抗拉强度试验得出早胜一号隧道1号斜井西安方向上、中、下3个台阶处的围岩黄土古土壤试样抗拉强度均较小，但都相差不大，分别为0.59 MPa、0.57 MPa和0.56 MPa。此外，试样的延性度都小于3%，试样在力的作用下应变很小就发生破坏，试样抗拉时脆性比较明显，在达到峰值抗拉强度时，应力明显出现直线跌落的现象。

（3）直剪试验研究获得早胜一号隧道1号斜井西安方向上、中、下3个台阶处黄土古土壤的内摩擦角分别为34.70°、36.14°和35.39°，粘聚力分别为67.93 kPa、68.74 kPa和65.59 kPa，为黄土古土壤地区力学性质机理研究提供了参考。

（4）早胜一号隧道1号斜井西安方向上台阶处黄土古土壤膨胀率最大值可达5.78%，原状和重塑黄土古土壤的最大无荷载膨胀率随含水率的增加呈幂函数下降，整个含水率的变化过程，重塑黄土古土壤的最大无荷载膨胀率均比原状黄土古土壤的大。