羅傳慶張吾渝李 輝③馬艷霞馮永珍武文舉

（①青海大學(xué)地質(zhì)工程系 西寧 810016）

（②青海大學(xué)土木工程學(xué)院 西寧 810016）

（③中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 武漢 430071）

西寧地區(qū)原狀黃土強度各向異性試驗研究*

羅傳慶①張吾渝②李 輝②③馬艷霞②馮永珍②武文舉②

（①青海大學(xué)地質(zhì)工程系 西寧 810016）

（②青海大學(xué)土木工程學(xué)院 西寧 810016）

（③中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 武漢 430071）

為了研究西寧地區(qū)原狀黃土的各向異性特性，采用應(yīng)力－應(yīng)變控制式三軸儀對不同深度、與沉積方向呈不同角度土樣進行室內(nèi)固結(jié)不排水剪切試驗，分析不同深度處偏差應(yīng)力與取樣角度之間的關(guān)系以及在不同應(yīng)變下各向異性體現(xiàn)程度的規(guī)律。結(jié)果表明：黃土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在最優(yōu)含水率附近呈應(yīng)變硬化型，其破壞形式以脹鼓型為主；原狀黃土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在不同方向上呈現(xiàn)很明顯的不同，土樣的軸向應(yīng)變值相等時，偏差應(yīng)力在豎直方向最大，在與豎直面呈45°或90°方向時最??；原狀黃土的各向異性在不同應(yīng)變下的體現(xiàn)程度與其所承受的應(yīng)力歷史有關(guān)，當(dāng)其所承受的先期固結(jié)壓力較小時，黃土的各向異性程度隨應(yīng)變的增加而降低，反之，則各向異性的程度隨應(yīng)變的增加而升高。

原狀黃土 三軸剪切試驗 偏差應(yīng)力 各向異性

0 引 言

天然土體在沉積過程中，形狀不規(guī)則的土顆粒在重力場的作用下，排列方式更傾向于長邊沿水平方向的穩(wěn)定狀態(tài)。另外，在隨后的固結(jié)過程中土顆粒所承受的豎向和水平向的壓力是不相等的。以上兩種原因都會導(dǎo)致土體的各向異性（李廣信，2004）。各向異性作為土體的一個重要性質(zhì)，在基坑開挖、翻山公路設(shè)計、隧道支護等方面是不容忽視的。

龔曉南（1996）對黏土的各向異性進行了研究，結(jié)果顯示土體強度大小依次為：豎直方向＞水平方向＞45°角方向。周建等（2013）利用空心圓柱扭剪儀對原狀軟黏土進行了不同主應(yīng)力軸偏轉(zhuǎn)角的不排水定軸剪切試驗，試驗結(jié)果表明原狀黏土的內(nèi)摩擦角以及歸一化強度都隨著主應(yīng)力方向的變化先減小后增加。Oda et al.（1978），Oda（1982）對砂土的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加載方向垂直于沉積面時，土體所能達到的強度最大；當(dāng)加載方向平行于沉積面時，土體所能達到的強度最小，強度差值可以達到34％。由此可見，土體存在明顯的各向異性。但是對于黃土的各向異性的研究相對較少。

黃土在我國分布廣泛，面積63萬平方公里之多，因特殊的結(jié)構(gòu)組成，導(dǎo)致黃土的力學(xué)性質(zhì)與其他類別的土具有很大的差別（馮志焱，2013）。近年來，在黃土地區(qū)開展的工程項目日益增多，黃土在強度、變形等方面的研究已經(jīng)取得了豐富成果（陳偉等，2014；安輝，2015；常立君等，2015）。針對黃土各向異性的研究，主要集中在變形各向異性，濕陷性各向異性以及強度各向異性3個方面。張茂花等（2006）通過對原狀黃土進行不同方向的單軸壓縮試驗，試驗結(jié)果顯示：沿45°方向壓縮的壓縮性大于豎向壓縮的壓縮性；豎向壓縮的濕陷性大于沿45°方向壓縮的濕陷性；當(dāng)沿水平方向壓縮時，其濕陷性和壓縮性都介于前兩者之間，同時也得出浸水路徑對濕陷性黃土的各向異性無影響的結(jié)論。梁慶國等（2012），Liang et al.（2016）通過三軸剪切試驗，結(jié)果顯示黃土強度的各向異性主要體現(xiàn)在黏聚力方面，內(nèi)摩擦角的差異性較小，并認為黃土在力學(xué)方面的各向異性是其結(jié)構(gòu)性的另一種表現(xiàn)方式，在科學(xué)研究和實際應(yīng)用中應(yīng)該重視黃土在不同方向上強度和變形特征的差異性。葉朝良等（2014）、Mistutoshi（2005）通過直接剪切試驗、三軸剪切試驗以及壓縮試驗等多種試驗手段證明了豎直向和水平向取樣的黃土在力學(xué)性質(zhì)、變形模量、濕陷系數(shù)等方面存在差異性。徐善常等（2015）通過三軸剪切試驗研究了黃土各向異性隨著圍壓變化的規(guī)律，指出低圍壓時，各向異性明顯，高圍壓時各向異性差別在10％左右。

以上學(xué)者通過多種試驗手段，從多個角度分析了黃土的各向異性，取得了一定的試驗成果，然而取樣方式大多局限于水平和豎直方向取樣，不能很好地代表0°～90°范圍內(nèi)黃土的各向異性。因此，為了進一步研究黃土的各向異性，利用TFB-1型非飽和土應(yīng)力－應(yīng)變控制式三軸儀對不同深度、與沉積方向呈多個角度（0°、30°、45°、60°、90°）的原狀土樣進行固結(jié)不排水三軸剪切試驗，研究西寧地區(qū)原狀黃土的強度各向異性，以期對當(dāng)?shù)氐膹?fù)雜基坑開挖、土料堆載、隧道支護等工程建設(shè)起到指導(dǎo)作用。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

原狀黃土土樣取自西寧市城北區(qū)二十里鋪鎮(zhèn)的某典型Q3黃土建筑場地，在距離自然沉積地表3～8m處采取土樣。土樣呈褐黃色或黃色，以粉粒為主，通過室內(nèi)土工試驗得到的土樣基本物理性質(zhì)（表1）。

表1 黃土試樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical properties of loess specimen

1.2 試驗方法

黃土的力學(xué)性質(zhì)受干密度和含水率的影響較大（陳偉等，2014；常立君等，2015；羅浩等，2015），由于西寧地區(qū)干燥的氣候以及取樣時的降雨情況，所取原狀土樣的含水率在7％～9％，其應(yīng)力－應(yīng)變曲線易出現(xiàn)應(yīng)變軟化。李廣信（2004）曾指出：應(yīng)變軟化實際上是一種不穩(wěn)定的過程，土體的應(yīng)力－應(yīng)變曲線對一些不確定因素的影響比較敏感。因此不采用土樣的天然含水率進行試驗，在原狀土樣切削成型后，放置于三瓣模內(nèi)采用滴定注水的方法使土樣的含水率達到14％（陳存禮等，2011）；同時，為了避免干密度對試驗結(jié)果的影響，本試驗在單一土層內(nèi)選取土樣時，土樣的干密度差值應(yīng)小于0.02g·cm－3。

假設(shè)土體的自然沉積豎直面為標(biāo)準(zhǔn)面，為了研究土體的原生各向異性，在制備土樣時分別與標(biāo)準(zhǔn)面呈θ角（θ＝0°、30°、45°、60°、90°）切削，所制備土樣的土樣尺寸為39.1mm（Φ）×80mm（h）。試驗采用南京土壤儀器廠有限公司生產(chǎn)的TFB-1型非飽和土應(yīng)力－應(yīng)變控制式三軸儀，進行固結(jié)不排水剪切試驗，控制應(yīng)變加載速率為0.08mm·min－1，為了更好地研究土體的各向異性隨應(yīng)變的變化規(guī)律，在土樣不發(fā)生軟化的情況下，土樣軸向應(yīng)變達到20％時試驗結(jié)束（中華人民共和國建設(shè)部，1999）。

2 試驗結(jié)果分析

圖1 不同深度θ角度土樣偏差應(yīng)力－軸向應(yīng)變關(guān)系Fig.1 Relationship between deviatoric stress and strain under different depths and anglesa.h＝3m；b.h＝5m；c.h＝6m；d.h＝8m

2.1 應(yīng)力－應(yīng)變特性及破壞形式

在每個深度內(nèi)，以軸向應(yīng)變?yōu)闄M軸，以偏差應(yīng)力為縱軸，得到與標(biāo)準(zhǔn)面呈0°、30°、45°、60°、90°的土樣的應(yīng)力－應(yīng)變曲線（圖1）。

由圖1可知，處于同一深度、不同角度的原狀黃土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)很明顯的差異，且在各個深度內(nèi)的黃土，土樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈弱應(yīng)變硬化型，在軸向應(yīng)變達到20％時土樣基本為脹鼓形式的破壞，極少部分45°、90°土樣有細微的剪切帶。

通過分析，產(chǎn)生以上差異的主要原因為：隨著土樣應(yīng)變的增加，土顆粒之間的弱結(jié)合水膜作用和靜電引力作用逐漸減小，顆粒之間的咬合作用逐漸增強，在整個應(yīng)變過程中，土體所承受的外力小于極限抗剪強度，使得土體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)應(yīng)變硬化型；此外，由于上下透水石的摩擦作用，土樣上下兩端處很難發(fā)生徑向位移，在土樣中部，隨著軸向位移的增加，顆粒間的相互擠壓作用使得土顆粒傾向于扁平狀排列，顆粒間上下接觸面的孔隙減小，垂直于σ1作用面方向的土顆粒面積增加，從宏觀上就表現(xiàn)為土樣軸向被壓縮，徑向兩端處幾乎不變，徑向中部外脹的脹鼓形式。

2.2 土體力學(xué)性質(zhì)與取樣角度之間的關(guān)系

為了研究土樣達到同一應(yīng)變時偏差應(yīng)力與取樣角度之間的關(guān)系，同一應(yīng)變時，不同深度、不同應(yīng)變處的土樣偏差應(yīng)力與取樣角度之間的關(guān)系如圖2所示。

根據(jù)圖2可知：當(dāng)土樣達到同一軸向應(yīng)變時，土樣的偏差應(yīng)力值在與標(biāo)準(zhǔn)面呈45°或90°時最小，0°時最大。

分析產(chǎn)生此種結(jié)果的主要原因與土體顆粒的形狀以及排列方式有關(guān)：由于外力的侵蝕、沖刷作用，使得土體顆粒呈現(xiàn)針狀或棒狀，在沉積過程中由于重力或其他外力作用使得土顆粒排列時傾向扁平面平行于自然沉積面方向，在加載過程中由于外力作用土顆粒會出現(xiàn)重新排列情況，但是由于圍壓以及軸壓的作用，土顆粒能夠活動的范圍是有限的。所以，土體的強度在與標(biāo)準(zhǔn)面呈0°時最大，90°時最?。涣硗?，因為土體的破裂角與標(biāo)準(zhǔn)面近似呈45°±φ／2，所以當(dāng)土體所受外力接近其極限抗剪強度時，土體出現(xiàn)微細破裂帶，此時對于這一層土來說，偏差應(yīng)力就會在接近45°時最小。

2.3 黃土各向異性隨應(yīng)變的關(guān)系

標(biāo)準(zhǔn)差能夠很好的體現(xiàn)數(shù)據(jù)離散程度，為了反映在不同應(yīng)變下黃土偏差應(yīng)力的差異程度，利用式（1）得出同一深度取樣、與沉積方向呈不同角度切削的土樣在每個軸向應(yīng)變處的標(biāo)準(zhǔn)差，處理結(jié)果如圖3所示。

其中，Shx為在h深度內(nèi)，軸向應(yīng)變達到x時的標(biāo)準(zhǔn)差；（σ1－σ3）θ為與標(biāo)準(zhǔn)面呈θ角度軸向應(yīng)變?yōu)閤時的偏差應(yīng)力（θ＝0°、30°、45°、60°、90°）；為 達到x的軸向應(yīng)變的偏差應(yīng)力的平均值（x＝4、8、12、16）；N為數(shù)據(jù)點數(shù)。

由圖3可知：在3～5m深度范圍內(nèi)，黃土各向異性的程度隨應(yīng)變的增加而逐漸降低；在6m處，各向異性的程度隨應(yīng)變的增加先降低后升高；在7～8m深度內(nèi)，黃土各向異性的程度隨應(yīng)變的增加而逐漸升高。

圖2 不同軸向應(yīng)變、不同深度偏差應(yīng)力與角度之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between deviator stress and angles under different depths and straina.ε1＝5％；b.ε1＝10％；c.ε1＝15％；d.ε1＝20％

沈愷倫（2006）認為：土顆粒在沉積前是雜亂無章的，可以認為土體是各向同性的，也不存在結(jié)構(gòu)性；在不等向的固結(jié)應(yīng)力作用下，土顆粒排列呈現(xiàn)出的方向性，使得土體呈現(xiàn)各向異性，結(jié)構(gòu)性也增強；此后在土體剪切過程中，土顆粒有序的排列結(jié)構(gòu)遭到破壞，土體各向異性逐漸減弱。

圖3 不同深度處標(biāo)準(zhǔn)差與軸向應(yīng)變的關(guān)系Fig.3 Relationship between standard deviation and strain under different depths

分析土體發(fā)生破壞的過程，土體內(nèi)部的變化大致可以分為以下3個階段：（1）外力要克服土顆粒之間的聯(lián)結(jié)作用以及弱結(jié)合水產(chǎn)生的靜電引力，在此過程中隨應(yīng)變的增加土顆粒之間的孔隙逐漸減小，土顆粒間的咬合作用逐漸增強，弱結(jié)合水膜逐漸消失，強結(jié)合水膜的靜電引力作用逐漸顯現(xiàn)；（2）隨著應(yīng)變的增加，外力必須克服顆粒之間的咬合作用和強結(jié)合水膜產(chǎn)生的靜電引力作用，此時土顆粒的排列形式和顆粒之間的孔隙形態(tài)就會被迫向有利于產(chǎn)生剪切帶的方向變化；（3）當(dāng)應(yīng)變達到一定程度時，土體沿上一階段形成的最弱面發(fā)生滑動，在宏觀上就表現(xiàn)為破裂帶。

由以上分析可知，黃土的各向異性主要體現(xiàn)在破壞前的第二階段。淺層黃土沒有經(jīng)過長期的應(yīng)力歷史，其所承受的先期固結(jié)壓力也較小，土顆粒之間的聯(lián)結(jié)作用較弱，使得土樣在較小的應(yīng)變下，土顆粒之間的聯(lián)結(jié)作用已經(jīng)被破壞，直接進入破壞前的第二階段，隨著應(yīng)變的增加，土顆粒的排列形式逐漸與滑動面一致，所以各個方向力學(xué)性質(zhì)的差異也就逐漸減小；深層黃土的沉積歷史相對淺層黃土較長，所以黃土破壞前的第一階段就相對較強，然后才會進入第二階段。所以在不同深度范圍內(nèi)，黃土的各向異性的程度呈現(xiàn)以上差異。

3 結(jié) 論

本文通過對西寧地區(qū)不同深度、與沉積面呈不同角度的原狀黃土進行固結(jié)不排水三軸剪切試驗，探究了黃土的各向異性特性，主要得出以下結(jié)論：

（1）土體取樣角度不同，其力學(xué)性質(zhì)有很明顯的差異，土體在最優(yōu)含水率附近的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)應(yīng)變硬化型，并且土樣的軸向應(yīng)變達到20％時，破壞形式以脹鼓形式為主。

（2）不同深度范圍內(nèi)達到同一應(yīng)變時不同角度土樣的偏差應(yīng)力在與標(biāo)準(zhǔn)面呈45°或90°時最小，0°時最大。

（3）處在較淺土層的黃土，其各向異性程度隨土體的軸向應(yīng)變增加逐漸降低；處在較深土層的黃土，其各向異性程度隨土體的軸向應(yīng)變增加逐漸升高。

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EXPERIMENTAL STUDY ON THE ANISOTROPIC STRENGTH OF INTACT LOESS IN XINING

LUO Chuanqing①ZHANGWuyu②LIHui②③MA Yanxia②FENG Yongzhen②WUWenju②
（①Geological Engineering Department，Qinghai University，Xining 810016）
（②School of Civil Engineering，Qinghai University，Xining 810016）
（③Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071）

For studying the anisotropy of intact loess in Xining，through triaxial testwith consolidated undrained at different angles in every depth，analyzing the relationship between deviatoric stress and angles in loess，meanwhile，exploring the law about the degree in anisotropy with the strain increasing.The results show that the deviatoric stress-strain relationship of loess which is near the optimum water content is strain-hardening，the most failure modes is bulging in middle part；the deviatoric stress-strain relationship of intact loess in different depths present obvious anisotropy，at the same strain，the deviatoric stress have the maximum value in the vertical direction and have theminimum value in the angle of 45°or 90°to the vertical direction.The degree in anisotropy of intact loess with the strain is connected with the stress history.When the preconsolidation pressure is small，the degree inanisotropy of intact loess decreases with the increase of the strain，and conversely，the degree in anisotropy increaseswith the increase of strain.

Intact loess，Triaxial test，Deviatoric stress，Anisotropy

P642.3

：A

10.13544／j.cnki.jeg.2016.06.036

2015－12－25；

2016－07－04.

青海省科學(xué)技術(shù)廳應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃（2015-ZJ-720），青海省高等學(xué)校地基與基礎(chǔ)教研創(chuàng)新團隊項目，青海大學(xué)教學(xué)名師培育計劃項目，青海大學(xué)研究生課程建設(shè)（qdyk-160101，qdyk-160104），清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室開放研究基金項目（sklhse-2016-D-02）資助.

羅傳慶（1990－），男，碩士生，從事巖土工程及防災(zāi)減災(zāi)方面的研究.Email：luhezelchq＠163.com

張吾渝（1969－），女，碩士，教授，從事黃土地基處理方面的研究.Email：qdzwy＠163.com