朱登武，王文生，劉路路，譚立振

(1.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064；2.陜西省交通規(guī)劃設計研究院，陜西 西安 710065)

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飽和原狀黃土三軸試驗研究

朱登武1，王文生2，劉路路1，譚立振1

(1.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064；2.陜西省交通規(guī)劃設計研究院，陜西 西安 710065)

采用GDS靜三軸試驗系統(tǒng)，對延安-延川(陜晉界)高速公路隧道的Q2老黃土進行了固結不排水剪試驗。結果表明：低圍壓下，應力應變關系表現為軟化型，隨著圍壓的增大，軟化特性有所減弱，部分表現出硬化特性；隨著干密度的變化，土的抗剪強度指標變化較大，干密度增大，粘聚力總體上呈現增大的趨勢，而內摩擦角和干密度之間不具有很好的相關性。

飽和原狀黃土；三軸試驗；應力應變曲線；強度指標

我國黃土分布面積約64萬km2，其中以西北地區(qū)和黃河中游地區(qū)最為發(fā)育，多分布于甘肅、陜西、山西等地區(qū)。近年來，國家對基礎設施建設加大投入，一批高標準的高速鐵路項目已經建成或正在建設[1]，黃土圍巖等級劃分中存在的問題也日益突出。本文以延安-延川高速公路隧道老黃土隧道圍巖為研究對象，采用常規(guī)三軸試驗研究Q2飽和原狀黃土在不同圍巖壓力下的應力應變特性以及干密度對于土體強度指標的影響[2]，為黃土隧道圍巖的等級劃分提供參考。

1　試驗設計

本文試驗所用土樣為Q2黃土，樣品取自延安-延川(陜晉界)高速公路隧道,取土深度20～116 m。按取樣地點，分6組進行試驗，共36個土樣。土樣基本參數如表1所示。所有土樣均為直徑39.1 mm、高80 mm的圓柱體。

表1　黃土試樣的物理性質指標

本文試驗采用英國GDS公司生產的GDS靜三軸試驗儀器，選用固結不排水的剪切方法，加載方式為應變控制式，按照《公路土工試驗規(guī)程》要求，剪切應變速率為每分鐘應變0.5%[3]。每組6個試樣，采用6級圍壓，圍壓在50～700 kPa。

2　試驗結果分析

2.1試樣破壞形態(tài)圖

圖1和圖2是試樣在不同圍壓下的破壞形態(tài)。

(a)σ3=100 kPa　　　　　　　(b)σ3=200 kPa　　　　　　　　(c)σ3=100 kPa

(a)σ3=500 kPa　　　　　　　(b)σ3=600 kPa　　　　　　　　(c)σ3=700 kPa

由圖1、圖2可見，飽和原狀黃土試樣在低圍壓下，往往發(fā)生脆性破壞，出現明顯的剪切破裂面；在較高圍壓下，試樣呈塑性破壞，沒有明顯的破裂面，試樣中部膨大[4]。

圖3　強度莫爾圓的示意圖

2.2強度特性

以(σ1-σ3)的峰值為破壞點，無峰值時，取15%軸向應變時的主應力差值作為破壞點，以法向應力為橫坐標，剪應力為縱坐標，在橫坐標上以(σ1f+σ3f)/2為圓心，(σ1f-σ3f)/2為半徑，在τ-σ應力平面圖上繪制破損應力圖，并繪制不同圍壓下破損應力圓的包線，求出不排水強度參數，如圖3所示[5]。

表2　土的抗剪強度指標

圖4　抗剪強度指標與干密度的關系

根據表2及圖4可知：(1)隨著干密度的變化，Q2飽和原狀黃土強度指標值變化較大，粘聚力c的變化范圍介于100～300 kPa，內摩擦角φ的變化范圍介于15°～ 35°；(2)粘聚力c隨著干密度的增大，總體上呈現增大的趨勢，而內摩擦角φ和干密度之間的數據較為離散，兩者之間不具有很好的相關性。

2.3剪切過程中的應力應變特性

以主應力差值(σ1-σ3)為縱坐標，軸向應變?yōu)闄M坐標，繪制應力-應變關系曲線 ，圖5反映了不同圍壓條件下飽和原狀黃土在剪切過程中的應力應變特性。由圖5可以看出：(1)固結不排水剪試驗中，飽和原狀黃土的應力-應變關系曲線表現為兩種形態(tài)，即應變軟化和應變硬化[6]，在低圍壓條件下，均表現為強軟化型，隨著圍壓的增大軟化程度有所減弱，部分表現出硬化特征；(2)峰值應變大約在1%～3%，隨著圍壓的增大，峰值應變增大，峰值強度提高。天然黃土都具有一定的結構強度，圍壓小于結構強度時，應力應變關系呈軟化型或弱硬化型，當圍壓大于土的結構強度時，土的結構在均壓固結時就遭到部分破壞，剪縮現象顯著，其應力應變關系一般呈強硬化型。土的強度隨著塑性體應變增大而提高[6]。

圖5　各土樣應力-應變關系曲線

3　結論

(1)土樣的破壞形態(tài)和圍壓的大小有關。低圍壓下多為脆性破壞，有明顯的剪切破裂面；較高圍壓下，多呈塑性破壞，無明顯破裂面出現，并出現剪縮現象。

(2)不同圍壓條件下，飽和原狀黃土的應力應變關系不同。在低圍壓下，飽和原狀黃土的應力應關系，均表現為軟化型，隨著圍壓的增大，軟化特性有所減弱，部分表現出硬化特性。

(3)隨著干密度的變化，土的抗剪強度指標變化較大，其中，粘聚力c隨著干密度的增大，總體上呈現增大的趨勢，而內摩擦角φ和干密度之間不具有很好的相關性。

[1]趙勇,李國良，喻渝.黃土隧道工程[M].北京：中國鐵道出版社,2011.

[2]中國工程建設標準化協會.土工試驗方法標準:GB/T 50123-1999 [S].北京：中國計 劃出版社,1999.

[3]趙麗婭.飽和黃土的應力應變及強度特性研究[D].西安：長安大學, 2010.

[4]何小亮,謝婉麗,丁勇. 涇陽南塬黃土剪切強度的三軸試驗研究[C]. 2010年全國工程地質學術年會暨“工程地質與海西建設”學術大會.中國地質學會工程 地質專業(yè)委員會,2010.

[5]中華人民共和國交通運輸部.公路土工試驗規(guī)程:JTG E40—2007[S].北京:人民交通出版社,2007.

[6]劉祖典.黃土力學與工程[M].西安：陜西科技出版社,1997.

Study of tri-axial tests for undisturbed saturated loess

ZHU Deng-wu1，WANG Wen-sheng2，LIU Lu-lu1，TAN Li-zhen1

( 1.School of Highway,Chang′an University,Xi′an 710064,China； 2.Shaanxi Transportation Planning Design and Research Institute,Xi′an 710065,China)

With the GDS static triaxial test system,undrained shear test is conducted to the old Q2 loess in Yan′an-Yanchuan(Shanjin boundary) Highway tunnel,the research results shows that under the small consolidate pressure,stress-strain relationship characterized by softening type,and with the increase of small consolidate pressure,softening properties reduced in a way,part of them showed hardening characteristics;the soli strength index changes a lot with the change of dry density.Cohesion showed a tendency to increase in general with the increasing of the dry density.There is not very good correlation between the internal friction angle and dry density .

saturated intact loess;triaxial test;stress-strain curve;strength index

2015-12-10

朱登武(1990—)，男，安徽安慶人，碩士研究生。

1674-7046(2016)04-0045-04

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.04.009

TU411

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