基于三轴试验的黄土K0固结特性研究*

2022-11-19王瑜川黄光靖兰恒星

工程地质学报 2022年5期

王瑜川黄光靖刘鑫黄良兰恒星②

(①长安大学地质工程与测绘学院，西安 710064，中国)(②中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室，北京 100101，中国)

0 引言

如何确定静止土压力系数(K0)一直以来是岩土工程领域的经典问题之一。在岩土工程设计中，如机场、桥、隧、路基、民建等(图1)，K0系数是计算结构体水平方向受力大小和分布的关键参数(王元战等，2005；孙勇，2008)。随着新时代“西部大开发”和“一带一路”倡议的逐步实施，我国黄土高原重大工程建设(如治沟造地、平山造城等)正在广泛开展，仅以兰州市为例，兰州新城的建设在2012的半年内就夷平了700座荒山，产生了超过250km2的土地，形成了大量的挖、填方场地。由于黄土具有矿物成分复杂、结构多变的特点，加上工程建设对黄土天然结构的扰动，其静止土压力系数往往不容易获得，因此研究原状和重塑黄土的K0系数和固结特性十分有必要。

图1 工程中的静止土压力系数Fig.1 Coefficient of lateral earth pressure in geotechnical engineering

程海涛等(2007)基于静三轴仪，进行控制不同加载速率的连续加载K0固结试验，结果表明随着加载速率的增加，K0系数总体上略有减小但幅度不大。张宗福等(2022)采用K0固结仪法，指出原状黄土的K0系数小于重塑黄土，且随着竖向应力的增大，原状黄土的初始结构被破坏，其K0固结曲线逐渐趋近于重塑黄土。牛军贤等(2015)通过K0固结仪研究黄土的静止土压力系数，发现随着竖向应力的增大，K0固结曲线出现分段性。不难看出，黄土的K0系数受诸多因素影响，如密实度、应力状态、应力历史、时间效应、制样方法和矿物组成等，其中：前3个被公认为最重要的因素，然而原状和重塑黄土K0系数随固结有效围压和初始孔隙比的变化规律在文献中却鲜见报道。

在岩土工程中确定K0系数的方法一般有3种，即经验公式法、原位测试法和室内试验法。经验公式法是在大量试验数据的基础上，总结出土体K0系数与物性参数(如内摩擦角、含水率、相对密实度等)或状态参数(如有效应力、超固结比等)之间的经验公式，再对其他状态下土体的K0系数进行预测(Jaky，1944；Gu et al.，2018)，虽然经验公式法能反映土体K0系数大致的变化规律，但其适用范围存在一定限制，且部分公式的计算结果之间有较大的差异(Brooker et al.，1965；Federico et al.，2008)。就黄土而言，其粒径分布广，具有特殊的地层结构和颗粒内部组构，目前尚没有一个经验公式能适用于所有地区的黄土(陈存礼等，2017；张宗福等，2022)。原位测试法是通过现场测试技术直接测得原位土体的K0系数，一般包括原位土体水平压力测定法(KSB)(王国富等，2018)、旁压试验法(PMT)(王沛等，2008)、扁铲侧胀试验法(DMT)(Marchrtti，1980)等测试方法，虽然原位测试法具有对土体扰动较小，测试数据连续等优点(蔡国军等，2008)，但由于实际黄土场地地层的复杂性，导致现场测试结果的不确定性较高。

室内试验法一般包括K0固结仪法(Wanatowski et al.，2007)、离心机模型试验法(蔡正银，2020)和三轴仪法(Lo et al.，1991；Liu et al.，2022a)。其中：在使用K0固结仪法在对试样进行竖向加载的过程中，橡皮膜的不均匀变形对试样在水平方向应力测定产生较大干扰；而离心机模型试验法由于试验成本较高，在K0系数的研究中并未得到广泛应用。多数学者认为，在采用三轴仪法研究土体K0系数的过程中，若能严格控制试样的径向应变，得到的K0系数是很可靠的(Fukagawa et al.，1988；Okochi et al.，2008)。Gu et al.(2015)和Santana et al.(2017)通过三轴仪研究了密实度和有效围压对砂土K0固结特性的影响，发现砂土K0系数随密实度和有效围压的升高而减小。纠永志等(2017)通过三轴仪对不同超固结比(OCR)下饱和软黏土的K0系数和抗剪强度进行了研究，通过考虑土体K0系数随OCR的变化，提出了更加准确的不排水抗剪强度预测公式。可见采用三轴仪法研究石英砂土和黏土的K0系数已经取得了多方面的成果，而针对黄土的研究目前仍然较少。

在上述背景下，本文采用加装局部径向位移计的应力路径三轴仪进行K0固结三轴试验，研究固结有效围压和初始孔隙比对原状和重塑黄土K0系数的影响，研究成果可为我国黄土高原黄土重大工程建设提供参考依据。

1 试验过程

1.1 材料和制样方法

研究使用的黄土取自延安市南沟村，为黄土高原治沟造地示范点，取样的深度为3～4m，为了尽量减少对试样的扰动，现场取样后迅速对试样用保鲜膜包裹并用石蜡封存，以保持土体结构和最大限度地减少水分损失，然后将试样放入装有泡沫纸的盒子里，运送到实验室进行测试。为准确测量黄土的粒径级配，依照《土工试验方法标准》(GB/T50123-2019)对黄土进行水筛法和密度计法试验，得到试样的粒径级配如图2所示。试样的黏粒含量(<5μm)为10.5%，粉粒含量(5～75μm)为83.2%，砂粒含量(>75μm)为6.3%，属于粉质黏土。黄土试样的其他物理参数见表 1。

图2 延安黄土的粒径级配Fig.2 Particle size grading of Yan’an loess

表 1 延安黄土基本物理参数Table1 Basic physical parameters of Yan’an loess

在对原状黄土试验前，将原状黄土削成直径D=50mm，高度H=100mm的圆柱形试样，三轴试验轴力的加载方向与现场土自重的方向一致。重塑黄土和原状黄土为同一地点取样，经过烘干、过筛、加纯水配至11.6%的目标含水率，闷土24h后采用湿法制备重塑试样：根据试样的预设孔隙比，取适当质量的土样在制样器内分5层逐层压实(Liu etal.，2020，2022b)。该制样方法的优点在于能够准确控制试样的初始孔隙比(精确到0.01)，并且有效避免了颗粒在制样时产生分层。在以往的研究中，Ishihara(1996)和Liu et al.(2019)都采用上述方法制备土样，取得了理想的效果。制样结束后，需要对试样施加30kPa的吸力使其固定，然后测量试样的尺寸。另外，在测试之前需要对试样进行饱和，本次研究采用二氧化碳和无气水依次淋滤处理试样，待试样完全饱和后(孔压系数B≥0.95)进行三轴K0固结试验(Zhang et al.，2021)。

1.2 K0固结过程

使用英国VJ Tech公司生产的应力路径三轴仪进行K0固结三轴试验(图3a)，试验的特点在于加装了高精度局部径向位移计，用于监测试样的径向变形。径向位移计具有±2.5mm的线性量程，相对误差限小于0.032%。假设试样在固结过程中产生径向变形，试样的顶、底端由于端阻效应的影响，其径向变形可能受到约束，因此径向位移计被安装在试样的中部；同时，为了防止局部径向位移计对试样产生约束作用，试验前将径向位移计通过强力胶黏在乳胶膜上(图3b)。在试验中，通过反压控制器记录试样的体积变化，用于计算体变(εv)。试样在K0固结阶段，通过施加轴力控制试样的轴向应变(εa)，使试样的体变和轴变大小相等(εv=εa)，理想状况下此时试样的径向应变εr为0，即试样达到了K0应力状态。本研究中采用局部径向位移计实时记录试样在K0固结中的控制情况。为了达到目标有效围压(σ′3)，试验采用了慢速3kPa·h-1的加载速率，在固结过程中试样的超孔隙水压力保持得非常小(小于5kPa)。

表 2概述了本次试验条件，试验编号前缀“I”表示原状试样，“R”表示重塑试样。在初始孔隙比相近的条件下，通过改变有效围压，进行了原状黄土试样和重塑黄土试样的对照试验，同时，为了研究初始孔隙比对K0系数的影响，在有效围压为100kPa的条件下，进行了3种不同初始孔隙比的重塑黄土试样K0固结试验。

图3 三轴试验仪Fig.3 Triaxial test apparatusa.试验原理介绍，b.局部径向位移计工作图；①.力传感器，②.位移传感器，③.局部径向位移计，④.反压控制器，⑤.孔压传感器，⑥.围压控制器，⑦.试样

表 2 黄土K0固结试验条件Table2 Summary of K0 consolidation tests on loess

图4 K0固结过程中的体积应变εv/轴向应变εaFig.4 Ratio of volumetric strain to axial strain during K0 consolidation

图5 K0固结过程中的体积应变与径向应变Fig.5 Volumetric strain and radial strain during K0 consolidationa.径向应变；b.体积应变与径向应变的关系

2 试验结果分析

2.1 试验控制效果

在K0固结过程中，三轴仪器通过施加轴力(q)控制试样的轴向应变(εa)等于体积应变(εv)，来使试样逐渐达到K0应力状态。原状和重塑试样在K0固结过程中的体积应变与轴向应变之比(εv/εa)如图4所示，不难看出，试样的体积应变和轴向应变仅在固结开始的前5个小时之内存在微小差异，εv/εa值的最大变化范围处在0.95～1.05之间，在之后的固结中，数据显示试样保持体积应变等于轴向应变，说明三轴仪器K0反馈控制效果良好。

为了进一步验证K0固结三轴试验的合理性，试验还采用局部径向位移计监测试样的径向应变。如图5a所示，试样“I-5”的目标有效围压为450kPa，其在固结过程中产生的最大径向应变为0.8%，此外，试样“I-2”的目标有效围压为150kPa，在固结过程中该试样产生径向应变更小(仅为εr=0.12%)。图5b为“I-2”、“I-5”两组试验在K0固结过程中体积应变与径向应变的关系，试样“I-5”在固结过程中的最大体积应变约为8%，而试样“I-2”在固结过程中的最大体积应变约为1%，试样的体变大约是径向应变的10倍。值得注意的是，试样从各向均压状态向K0应力状态过渡的过程中，会不可避免地产生径向应变，但是局部径向位移计的监测数据表明径向应变相对于轴变和体变非常小。当试样达到K0应力状态后，不再产生新的径向应变。

2.2 原状/重塑试样K0固结效果

图6是原状试样在不同有效围压下的K0固结结果，试样在饱和结束后处于均压状态，即K0系数为1。随着固结时间增加，试样的K0系数总体呈下降趋势。需要注意的是，当有效围压超过一定范围时，原状黄土试样的K0系数会突然降低，之后，随着σ′3的继续升高，K0系数才趋于稳定，图中用红色箭头标识陡降发生时的有效围压，可以看出，对于原状试样而言，陡降发生在有效围压350kPa附近。此外，在初始孔隙比相差不大的情况下，原状试样的K0系数明显受到有效围压的影响，当σ′3<350kPa时，K0系数较大(0.77～0.85)。

图6 不同有效围压下原状黄土试样K0固结结果Fig.6 K0 consolidation results of intact loess samples under different effective confining pressures

图7 重塑黄土松样的K0固结结果Fig.7 K0 consolidation results of remolded loose specimens

图7为重塑黄土松样(R-1、R-4、R-5、R-6)的试验结果。与图6的观察类似，试样的K0系数也随固结时间的增加而减小，且重塑黄土松样在K0固结过程中依然存在K0系数陡降的现象；但是，和原状黄土试样相比，重塑黄土松样的陡降发生在更低的有效围压附近(100kPa)。此外，即使目标有效围压升高(σ′3=100kPa、150kPa、250kPa、350kPa)，重塑黄土试样的K0系数变化范围并不大(0.44～0.53)。对比原状黄土试样和重塑黄土松样的K0固结结果，可以看出，在有效围压相同、初始孔隙比近似的条件下，原状试样的K0系数大于重塑黄土松样，这一现象在目标有效围压较低时尤为明显，随着目标有效围压升高，两者的差距逐渐减小。

2.3 密实试样K0固结结果

为了查明密度对黄土K0系数的影响，取不同初始孔隙比的重塑黄土试样，在固结围压100kPa进行试验。如图8所示，重塑黄土密样(“R-2”、“R-3”)的K0固结表现与重塑黄土松样(“R-1”)有明显的区别：密样的K0系数在固结的开始阶段就迅速降低，随后趋于稳定。下文将对出现此现象的原因详细解释。在固结结束后，试样“R-1”的K0系数为0.51，而试样“R-2”和试样“R-3”的K0系数分别为0.28和0.23，可见重塑黄土试样的K0系数随着初始孔隙比的减小而明显降低。

图8 不同初始孔隙比下重塑试样K0固结结果Fig.8 K0 consolidation results of remolded samples under different initial void ratios

3 讨论

3.1 关于K0系数陡降原因的讨论

图9 “R-5”K0固结结果Fig.9 K0 consolidation result of sample“R-5”

通过对试样“R-5”K0系数陡降过程的分析，发现试样超孔隙水压力突然升高导致了后续的一系列变化。一种合理的解释是随着σ′3增大，当有效围压超过试样孔隙结构的强度时，原本稳定的孔隙结构在外荷载作用下受到破坏，部分颗粒向结构更加稳定的方向重新排列，导致超孔隙水压力突然升高，因此，试样的体变变大，轴变也随着体变迅速发展，q迅速升高，K0系数出现陡降。

另外，重塑黄土密样的K0系数在固结的起始阶段即快速下降，其原因在于，相对于重塑黄土松样(如“R-5”)，重塑黄土密样的孔隙结构强度更高，产生相同的体变时，需要施加更大的q来保持密实试样的εa=εv，重塑黄土密样的偏应力在固结的起始阶段便迅速升高(图10)，导致K0系数快速下降。在本研究所采用的有效围压范围内，重塑黄土密样固结过程中的排水表现始终比较稳定，并未出现排水体积突然升高的现象。但在更高围压下的固结表现仍有待研究。

图10 重塑密样轴力与固结时间的关系Fig.10 Relationship between q and time of dense sample

3.2 微观机理解释

为了进一步解释原状试样和重塑黄土松样结构强度的差异性，图11给出了原状试样和重塑黄土的核磁试验(NMR)结果。如图11b所示，首先两种试样的孔径主要分布在0～0.1μm范围之间(>73%)。其次，在相同的孔隙比条件下，重塑黄土的孔径在0.1～0.4μm范围分布更多，宏观表现为结构更加疏松，在较低的固结围压下即表现出不稳定性(图7)，试样中的孔隙从大到小被逐步压缩。罗浩等(2021)通过固结试验和扫描电镜对马兰黄土在固结过程中的孔隙分布变化和变形特性进行分析，发现大、中架空孔隙是黄土固结过程中的主要变形区，该发现与本文试验中的现象十分吻合。

图11 原状/重塑试样核磁试验结果Fig.11 NMR test results of intact/remolded samplesa.核磁试验仪器;b.原状/重塑试样孔径分布

相比重塑黄土试样，原状黄土不仅在自然条件下形成了强度更高、结构更加稳定的孔隙结构，颗粒接触处的碳酸盐胶结物对其结构稳定性的贡献也不容忽视，两者共同作用，使原状黄土孔隙在荷载作用下的表现更加稳定(Li et al.，2021)。在K0固结过程中，当有效围压达到较高范围时(本研究中为350kPa左右)，原状黄土结构才产生“屈服”，进而引起K0固结曲线出现陡降现象。