郭江濤

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌712100)

我國(guó)國(guó)土面積廣大，其中黃土地區(qū)約占3.6%，主要分布在華北、西北、松遼平原等地，共6.35×105km2[1－3]。非飽和黃土的強(qiáng)度與黃土地區(qū)的工程建設(shè)密切相關(guān)，而含水率和干密度是影響黃土強(qiáng)度指標(biāo)的兩個(gè)主要因素[4－6]，以往的資料和規(guī)范多見(jiàn)針對(duì)陜、甘、寧、晉等地的黃土試驗(yàn)研究成果，而隨著西部大開(kāi)發(fā)的不斷深入，在新疆的工程建設(shè)中也遇到了黃土因含水率發(fā)生變化導(dǎo)致強(qiáng)度降低而造成破壞的問(wèn)題，而黃土的成因不同會(huì)造成顆粒組成的差異，進(jìn)而導(dǎo)致抗剪性能的不同，所以有必要對(duì)新疆黃土加以研究。了解其抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律，為工程建設(shè)提供可靠抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用土樣取自新疆伊犁地區(qū)一河道邊沿的黃土臺(tái)地，土樣為深度1 m～6 m混合擾動(dòng)土，土樣呈灰黃色，質(zhì)地均勻，土粒比重2.72，天然含水率平均7.0%，現(xiàn)場(chǎng)原狀黃土的平均干密度為 1.27 g/cm3，土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表 1，擊實(shí)試驗(yàn)[7－10]用輕型標(biāo)準(zhǔn)，單位體積擊實(shí)功能為 592.2 kJ/m3，試驗(yàn)結(jié)果為:最大干密度1.72 g/cm3;最優(yōu)含水率17.0%。

2 試驗(yàn)方案及方法

2.1 試驗(yàn)方案和組次

試驗(yàn)方案和組次的確定一方面考慮與最優(yōu)含水率相差正負(fù)3%，即14%到20%之間取含水率，另一方面取天然狀態(tài)下平均含水率7.0%和比自然狀態(tài)下稍微濕潤(rùn)的9.2%。共取含水率5個(gè);試驗(yàn)干密度的確定一方面考慮現(xiàn)場(chǎng)原狀土的平均干密度1.27 g/cm3，另一方面考慮擊實(shí)試驗(yàn)的最大干密度1.72 g/cm3，共選取6個(gè)干密度，兩者組合共30組，試驗(yàn)組次一覽表見(jiàn)表2。

表1 土料的物理性質(zhì)表

表2 試驗(yàn)組次一覽表

2.2 試驗(yàn)方法

抗剪強(qiáng)度指標(biāo)測(cè)定在南京土壤儀器廠生產(chǎn)的四聯(lián)電動(dòng)直剪儀上進(jìn)行，采用固結(jié)快剪的方法[11－12]。土樣制備過(guò)程:將通過(guò)2 mm篩的擾動(dòng)土樣配置成試驗(yàn)方案對(duì)應(yīng)的含水率，含水率誤差控制在±1%以內(nèi)，然后用壓樣法將計(jì)算得到的一定質(zhì)量的土壓入環(huán)刀內(nèi)，環(huán)刀的面積30 cm2，高2 cm。試驗(yàn)步驟:將試樣安裝在直剪儀上加壓固結(jié)，所加垂直壓力分別為 100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，等固結(jié)完成后，開(kāi)動(dòng)機(jī)器進(jìn)行快剪，剪切速率為2.4 mm/min，3 min～5 min內(nèi)剪切完成，剪切過(guò)程中讀出量力環(huán)中量表讀數(shù)，其后根據(jù)量力環(huán)校正系數(shù)，計(jì)算出試樣在各級(jí)壓力下的抗剪強(qiáng)度值，選峰值強(qiáng)度或應(yīng)力－應(yīng)變曲線上剪切位移為4 mm所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度值，繪制抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線，曲線的截距為抗剪強(qiáng)度指標(biāo)凝聚力值，斜率為抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角值。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以繪制抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線，其中含水率為6.3%的6組不同干密度下的抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線見(jiàn)圖1。由抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線可以得到非飽和黃土直接剪切試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。本次試驗(yàn)的6個(gè)含水率在不同干密度下的直接剪切試驗(yàn)的固結(jié)快剪強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)表3。

圖1 含水率6.3%時(shí)抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線

表3 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)成果表

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 相同含水率不同干密度下的抗剪強(qiáng)度

對(duì)相同含水率不同干密度土樣抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)指標(biāo)的凝聚力和內(nèi)摩擦角整理，分別見(jiàn)圖2和圖3。分析發(fā)現(xiàn):相同含水率、相同垂直壓力作用下隨干密度的增加土的抗剪強(qiáng)度逐漸增大;凝聚力隨干密度的增加而增大，變化幅度在11 kPa以內(nèi);內(nèi)摩擦角隨干密度的增大變化不大，沒(méi)超出2°。因?yàn)橥恋目辜魪?qiáng)度與土的固結(jié)程度有關(guān)，對(duì)于不同干密度的土樣，在固結(jié)后干密度的差值就會(huì)比實(shí)際的差值小，從而凝聚力變幅在11 kPa以內(nèi);粘性土的內(nèi)摩擦角取決于土的礦物成分，當(dāng)土生成后，內(nèi)摩擦角主要隨含水率發(fā)生變化，變化范圍較小，一般不超過(guò) ± 2°[13－14]。

圖2 凝聚力隨干密度變化曲線

圖3 內(nèi)摩擦角隨干密度變化曲線

3.2.2 相同干密度不同含水率下的抗剪強(qiáng)度

為了研究相同干密度不同含水率下抗剪強(qiáng)度的變化，將相同干密度不同含水率下的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理，其中一組的抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線如圖4所示，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)凝聚力隨含水率的變化以及內(nèi)摩擦角隨含水率的變化關(guān)系分別見(jiàn)圖 5、圖 6。

對(duì)相同干密度不同含水率的土樣試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn):同一干密度的土樣隨含水率的增加抗剪強(qiáng)度減小;相同各干密度條件下隨含水率的增加凝聚力下降，這與含水率越大抗剪強(qiáng)度越低趨勢(shì)相一致;而內(nèi)摩擦角隨含水率的變化不顯著。凝聚力變化范圍在20 kPa左右，內(nèi)摩擦角變幅沒(méi)超過(guò)1.5°。含水率的增加降低了非飽和土顆粒之間水膜的物理化學(xué)作用，從而導(dǎo)致凝聚力的降低。內(nèi)摩擦角取決于土的礦物成分，因此變化范圍較小。

圖4 干密度一定時(shí)(1.72 g/cm3)不同含水率下的抗剪強(qiáng)度與壓力關(guān)系圖

圖5 凝聚力隨含水率變化曲線

圖6 內(nèi)摩擦角隨含水率變化曲線

3.2.3 重塑黃土干密度和含水率對(duì)抗剪指標(biāo)的影響

非飽和黃土的抗剪強(qiáng)度由摩擦強(qiáng)度和凝聚強(qiáng)度兩部分組成，摩擦強(qiáng)度是由土顆粒接觸面或顆粒與膠結(jié)物質(zhì)接觸面上的摩擦產(chǎn)生，其值的大小反映為抗剪強(qiáng)度指標(biāo)中的內(nèi)摩擦角;重塑土的凝聚強(qiáng)度包括:水膜的物理化學(xué)作用、粘土礦物的粘結(jié)和顆粒間的分子引力形成的原始凝聚力、非飽和土的基質(zhì)吸力和毛細(xì)作用形成的強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果中的內(nèi)摩擦角隨含水率和干密度的變化不顯著。

凝聚強(qiáng)度主要由非飽和土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度組成，所以隨著干密度的增加和非飽和土含水率的降低凝聚力值會(huì)增大。另外一個(gè)原因是目前土的強(qiáng)度試驗(yàn)中一個(gè)根本性的缺點(diǎn)，就是在測(cè)試中控制了試樣的干密度和含水率，而當(dāng)給試樣施加了不同的固結(jié)壓力以后，原來(lái)密度和含水率為一定的一組土樣，由于固結(jié)壓力不同而密度和飽和度已經(jīng)發(fā)生了變化，因此實(shí)際情況是一組剪切試驗(yàn)中所用的已經(jīng)不是相同的試樣。一組含水率和一組干密度的試樣如此，幾組不同含水率和幾組干密度的試樣更是如此。

3.2.4 重塑非飽和黃土和原狀黃土抗剪強(qiáng)度的差異

為了分析重塑黃土與原狀黃土直剪試驗(yàn)結(jié)果的變化規(guī)律，參考《工程地質(zhì)手冊(cè)》[15]中不同干密度、不同含水率原狀黃土的固結(jié)排水剪直剪試驗(yàn)結(jié)果，凝聚力和內(nèi)摩擦角隨含水率變化關(guān)系見(jiàn)圖7、圖8。

圖8 原狀黃土內(nèi)摩擦角隨含水率變化曲線

從原狀黃土的直剪試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看:相同各干密度條件下隨含水率的增加凝聚力下降，并且變化幅度較大，在140 kPa左右;而內(nèi)摩擦角也隨著含水率的增大而有顯著的降低，內(nèi)摩擦角變幅最大達(dá)到了 12°。

重塑黃土和原狀黃土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)中凝聚力的變化趨勢(shì)基本一致，但變幅差別較大;內(nèi)摩擦角的變化趨勢(shì)不一致，原狀黃土內(nèi)摩擦角變幅較大，重塑黃土內(nèi)摩擦角變幅很小，一方面是由天然結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差異造成，另一方面可能是試驗(yàn)方法及新疆黃土特有的性質(zhì)引起的。

原狀黃土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是在固結(jié)排水剪條件下得出的，而新疆重塑黃土直剪強(qiáng)度指標(biāo)是固結(jié)不排水剪條件下得出的，排水剪得出的是有效應(yīng)力指標(biāo)，而固結(jié)不排水剪條件下得出的指標(biāo)為總應(yīng)力指標(biāo)，所以原狀黃土的直剪試驗(yàn)結(jié)果值大。另原狀黃土存在天然的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，即黃土在生成過(guò)程中，聚集在粗顆粒接觸點(diǎn)處的膠體顆粒、腐殖質(zhì)膠體和可溶鹽等膠結(jié)物質(zhì)形成的加固凝聚力，而重塑黃土則缺乏這種膠結(jié)強(qiáng)度;新疆伊犁黃土堆積時(shí)，西風(fēng)較弱，氣候變化相對(duì)穩(wěn)定，降水相對(duì)較少，但由于氣候總體較為溫暖，風(fēng)化成壤作用相對(duì)較強(qiáng)，因此，新疆黃土的顆粒分布特點(diǎn)是，砂粒含量小，粉粒含量多，粘粒含量大。

4 結(jié)論與建議

(1)新疆伊利重塑非飽和黃土直剪試驗(yàn)結(jié)果表明，相同壓力下隨干密度的增加土的抗剪強(qiáng)度逐漸增大，內(nèi)摩擦角隨干密度的增加變化不大，凝聚力隨干密度的增加而增大。干密度一定時(shí)隨含水率的增加凝聚力逐漸減小，內(nèi)摩擦角變化無(wú)顯著規(guī)律。

(2)重塑黃土和原狀黃土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)中凝聚力的變化趨勢(shì)基本一致，但變幅差別較大;重塑黃土和原狀的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)中內(nèi)摩擦角的變化趨勢(shì)不一致，原狀黃土內(nèi)摩擦角變幅較大，重塑黃土內(nèi)摩擦角變幅很小。

(3)鑒于重塑黃土和原狀黃土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的差別，建議工程中無(wú)論是邊坡或基坑要盡量減少對(duì)黃土的擾動(dòng)，這樣有利于黃土的穩(wěn)定;從對(duì)新疆黃土的物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果看，新疆黃土具有其獨(dú)特性，應(yīng)該多對(duì)其進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)以積累資料。

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