朱云江， 姜彤， 霍繼煒， 高宇甲， 張俊然， 趙金玓

(1.華北水利水電大學,河南 鄭州 450046; 2.中建七局第四建筑有限公司，陜西 延安 710016)

黃土具有結(jié)構(gòu)疏松、富含大孔隙、垂直節(jié)理發(fā)育等特征，是典型的第四紀沉積物[1-2]。在工程實踐中，黃土的抗剪強度和變形特性是影響工程安全的重要因素[3]。相關學者做了大量的研究工作：張志權(quán)等[4]對西安、洛川和蘭州等地區(qū)的代表性黃土進行了顆粒分析試驗、擊實試驗和直剪試驗，通過對比分析得出隨著黃土試樣的黏性顆粒含量減小，黃土的最大干密度和最優(yōu)含水率逐漸減?。辉谕怀跏几擅芏认码S著含水量的增加，試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角均逐漸減小。張玉等[5]通過均壓固結(jié)豎向加載和側(cè)向卸載的平面應變試驗，對比得出剪切變形特性和屈服、破壞強度的變化規(guī)律，且不同含水率黃土的側(cè)向卸載與豎向加載的剪切變形特性和強度變化規(guī)律基本相似。王鐵行等[6]、劉小軍等[7]采用人工節(jié)理黃土試樣，通過常規(guī)直剪試驗對重塑黃土剪切強度等相關性質(zhì)進行了試驗研究，得出節(jié)理形態(tài)、試樣干密度和含水量對黃土節(jié)理抗剪強度的影響規(guī)律，并建立了該黃土的本構(gòu)模型。楊繼紅等[8]通過室內(nèi)大型直剪試驗，探究了不同含石量條件下堆積體抗剪強度特性。SHAKOOR A等[9]通過大型直剪試驗研究了礫石含量、粒徑以及礫石形狀對含礫石質(zhì)黏土的抗剪強度和無側(cè)限抗壓強度的影響規(guī)律。韓璞璞[10]利用Shear Trac-Ⅲ大型直剪試驗儀器，通過大型直剪試驗，研究了不同法向應力和不同混凝土接觸面粗糙度對黃土與混凝土界面的力學特性的影響規(guī)律。

綜上發(fā)現(xiàn)，以往原狀黃土剪切強度及變形特性試驗多以常規(guī)直剪試驗為主，而針對原狀黃土開展的大型直剪試驗較少。因此，開展原狀黃土的大型直剪試驗研究顯得非常必要。本文對三門峽原狀黃土開展一系列的大型直剪試驗，同時結(jié)合常規(guī)直剪試驗分析尺寸效應對原狀黃土抗剪強度的影響。

1 黃土基本物理性質(zhì)試驗

黃土試樣取自三門峽函谷關，距離黃河南岸1.2 km處，該地為黃土丘陵—黃土梁地貌，黃土層厚度約145 m，地形起伏不平，溝谷深切，山間植被茂盛。其中取樣深度距地表4～5 m，為第四系上更新統(tǒng)(Q3)黃土狀土，天然干密度為1.47～1.50 g/cm3，天然含水率為8.75%。根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTGE 40—2007)和《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)進行室內(nèi)試驗。通過試驗得出該黃土試樣的基本物性指標：相對密度為2.69，液限和塑限含水率分別為26.9%、18.1%，塑性指數(shù)為8.8；其中，黃土顆粒級配曲線如圖1所示，不均勻系數(shù)為12.43，曲率系數(shù)為2.57，級配良好。

圖1 黃土的顆粒級配曲線

2 大型直剪試驗

2.1 試驗儀器及試樣制備

試驗儀器為室內(nèi)大型應變控制式直剪儀，主要包括垂直加載系統(tǒng)、水平加載系統(tǒng)、剪切盒和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，該直剪儀剪切盒內(nèi)試樣尺寸為φ504.6 mm×400 mm。其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括4個豎向位移傳感器和1個水平剪切位移傳感器，如圖2所示。

圖2 大型應變控制式直剪儀

本次試驗對工程實踐獲取準確的強度參數(shù)具有重要的意義，因此，開展大型直剪試驗之前對取樣地點進行了多次實地考察。首先，在三門峽地區(qū)進行具有工程代表性的原狀黃土選址。然后，采集試樣。由于所需試樣體積較大，為了避免對原狀土的擾動，采用機械和人工配合的方式采集試樣，采集后將試樣用塑料膜密封。最后，對原狀黃土試樣進行人工分割，在保持黃土試樣節(jié)理的上下位置與原始狀態(tài)吻合的前提下，制成φ500 mm×400 mm的圓柱試樣。通過觀察試樣，可見其在垂直方向上節(jié)理較為發(fā)育，有蝸牛殼白色菌絲和植物根系。原狀黃土的取樣和制樣過程如圖3所示。

圖3 原狀黃土取樣及試樣制備

2.2 試驗方法

原狀黃土試樣制作完成后，進行裝樣。首先，在剪切盒下墊一層5 mm厚松散土層，緩慢進行原狀黃土樣裝樣；然后，安裝上剪切盒，進行剪切盒四周縫隙填土壓密；最后，在試樣頂部墊5 mm厚松散土層，緩慢放下剪切盒頂蓋，進行剪切試驗。因原狀黃土試樣的含水量較低，故不考慮剪切過程中的排水問題。

有學者采用Shear Trac-Ⅲ大型直剪試驗儀進行黃土快剪試驗，依次對試樣施加50、100、150、200 kPa垂直壓力，分析各垂直壓力下黃土試樣的強度特性[11]。本次試驗進一步結(jié)合《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)，確定了試樣施加的垂直壓力σ分別為50、100、200、300 kPa。為了使試驗結(jié)果更加準確，開展了2組對照試驗，耗時10 d，共進行了8個原狀黃土大型直剪試樣的制備和剪切。根據(jù)所施加垂直壓力由小到大的順序?qū)υ嚇舆M行編號，依次為SY1、SY2、…、SY8。其中大型直剪試驗采用快剪法，剪切速率為0.8 mm/min，試樣剪切時間約為40 min，待剪切強度穩(wěn)定后，結(jié)束試驗。試驗后，部分試樣的剪切面如圖4所示。

圖4 大型直剪試樣剪切面

2.3 試驗結(jié)果

原狀黃土大型直剪試驗的剪應力-剪切位移關系曲線如圖5所示，由圖5可得到如下結(jié)論。

圖5 大型直剪試驗的剪應力-剪切位移關系曲線

1)當垂直壓力σ為50、100 kPa時，大型直剪試驗的剪應力-剪切位移關系具有相似性，同一垂直壓力下剪應力-剪切位移關系較為接近。在剪切位移小于10 mm時，黃土試樣表現(xiàn)出比較強的剪切剛度，其剪切強度隨著剪切位移呈線性增長。隨著剪切位移的增大，出現(xiàn)強度峰值，然后剪切強度逐漸減小并趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)剪切軟化現(xiàn)象。

2)當垂直壓力σ為200、300 kPa時，試樣的剪應力-剪切位移關系較為相似。在剪切位移小于10 mm時，與垂直壓力σ為50、100 kPa下試驗的剪應力-剪切位移關系一致，剪應力均隨著剪切位移的增大近似呈線性增長，但斜率較大，黃土試樣剪切剛度有所提升。隨著剪切位移的進一步增加，剪應力增長的速率逐漸減小并趨于穩(wěn)定，無強度峰值出現(xiàn)，呈現(xiàn)剪切硬化現(xiàn)象。

通過圖5可得原狀黃土試樣大型直剪試驗在各垂直壓力下的抗剪強度。當無峰值出現(xiàn)時，選取剪切位移在25 mm(應變=5%)處所產(chǎn)生的剪應力為黃土試樣的抗剪強度[1,12]。在50、100、200、300 kPa垂直壓力下，兩組平行試驗所得到的抗剪強度取均值，分別為75.4、95.9、146.1、177.8 kPa。本試驗所得抗剪強度結(jié)果與劉小軍等[10]的大型直剪試驗結(jié)果較為相近，其在50、100、150、200 kPa垂直壓力下得到的原狀黃土的抗剪強度范圍分別為72.34～88.71 kPa、78.83～106.22 kPa、165.20～199.00 kPa、176.30～234.50 kPa，通過對比，其抗剪強度均值比本文試驗得到的略大。匯總本試驗抗剪強度結(jié)果于表1。

表1 大型剪切試驗抗剪強度

3 常規(guī)直剪試驗

3.1 試驗儀器及試樣制備

常規(guī)直剪試驗采用電動應變控制式直接剪切儀，如圖6所示。其主要由剪切盒、垂直加壓設備、剪切傳動裝置、測力計以及位移量測系統(tǒng)等組成，其中剪切盒尺寸為φ61.8 mm×20 mm。為了使該試驗結(jié)果和大型直剪試驗結(jié)果更具有對比性，削取的黃土試樣與大型直剪試驗試樣所用土體保持性質(zhì)一致，且試驗施加的垂直壓力也一致。共制備了8組原狀黃土環(huán)刀試樣，亦按照所施加垂直壓力的遞增順序?qū)υ嚇舆M行編號，依次為sy1、sy2、…、sy8，如圖7所示。

圖6 應變控制式常規(guī)直剪儀

圖7 常規(guī)直剪試樣制備

3.2 試驗方法

同大型直剪試驗一致，分別在垂直壓力σv為50、100、200、300 kPa狀態(tài)下進行快剪試驗，剪切速率為0.8 mm/min，每隔15 s進行一次讀數(shù)。圖8為常規(guī)直剪試驗下的試樣剪切面。

圖8 常規(guī)直剪試樣剪切面

3.3 試驗結(jié)果

常規(guī)直剪試驗所獲得試樣的剪應力-剪切位移關系曲線如圖9所示。由圖9可知，常規(guī)直剪試驗得到的剪應力-剪切位移變化規(guī)律和大型直剪試驗的基本相似。在50、100 kPa垂直壓力下,當剪切位移小于1.5 mm時，剪應力先呈現(xiàn)線性增長趨勢，然后出現(xiàn)峰值，再緩慢減小，最后逐漸趨于穩(wěn)定。在200、300 kPa垂直壓力下，試樣的剪應力-剪切位移關系曲線在剪切位移小于1.5 mm時呈線性增長趨勢，然后增長速率逐漸減小，剪應力趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)剪切硬化現(xiàn)象。根據(jù)試驗結(jié)果，可得出常規(guī)直剪試驗各垂直壓力下原狀黃土試樣的抗剪強度，見表2。其中，無強度峰值出現(xiàn)時，選取剪切位移為4 mm處所對應的剪應力為黃土試樣的抗剪強度[13]。

圖9 常規(guī)直剪試驗的剪應力-剪切位移關系曲線

表2 常規(guī)直剪試驗的剪切強度結(jié)果

4 黃土直剪試驗尺寸效應分析

根據(jù)試驗結(jié)果，繪制大型直剪試驗和常規(guī)直剪試驗得到的平均抗剪強度和垂直壓力散點圖，并對散點圖進行線性擬合，結(jié)果如圖10所示。由圖10可知：在同一垂直壓力下，常規(guī)直剪試驗得到的抗剪強度均比大型直剪試驗得到的稍大，并且隨著垂直壓力的逐漸增加，抗剪強度差值逐漸增加。此現(xiàn)象歸因于原狀黃土的尺寸效應：尺寸較小時，黃土試樣的結(jié)構(gòu)性更加完整；而尺寸較大時，試樣更能代表工程現(xiàn)場的原狀黃土，其具有較多發(fā)育的垂直節(jié)理和大孔隙。

圖10 平均抗剪強度-垂直壓力關系曲線

有研究指出，黃土的內(nèi)摩擦角范圍為10°～35°，進一步對比其他大型和常規(guī)直剪試驗的抗剪強度結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其與本次試驗結(jié)果較為相近[14-15]。分析試驗結(jié)果得出：三門峽原狀黃土的大型直剪試驗的內(nèi)摩擦角為22.8°，黏聚力在55.2 kPa左右；常規(guī)直剪試驗的內(nèi)摩擦角和黏聚力均比大型直剪試驗的結(jié)果稍大。通過對試驗后試樣的觀察分析發(fā)現(xiàn)：大型直剪試驗的試樣多存在垂直節(jié)理面、蟲洞和根系孔隙；而常規(guī)直剪試樣由于試樣尺寸較小，試樣內(nèi)部的節(jié)理面、蟲洞和根系孔隙等較少甚至沒有，因此常規(guī)直剪試樣的強度有所提升。在工程實踐中應該充分考慮到尺寸效應對黃土抗剪強度的影響，進一步提高工程的安全性。

5 結(jié)語

1)試驗測得三門峽原狀黃土在兩種尺寸下的抗剪強度，該原狀黃土在大型直剪試驗下的內(nèi)摩擦角為22.8°，黏聚力為55.2 kPa，常規(guī)直剪試驗下的內(nèi)摩擦角為24.7°，黏聚力為57.8 kPa。在同一垂直壓力下，常規(guī)直剪試驗充分排除了節(jié)理、大孔隙等不利因素，所得的試樣抗剪強度比大型直剪試驗的略大。

2)在剪切過程中，兩種尺寸的原狀黃土的剪應力-剪切位移關系具有一定的相似性。當垂直壓力為50、100 kPa時，兩種尺寸的試樣均出現(xiàn)剪切軟化現(xiàn)象，其中大型直剪試驗的剪切位移小于10 mm時和常規(guī)直剪試驗的剪切位移小于1.5 mm時的剪應力-剪切位移關系均近似呈線性增長趨勢，剪應力到達峰值后逐漸減小并趨于穩(wěn)定。當垂直壓力為200、300 kPa時，剪應力未出現(xiàn)峰值，呈現(xiàn)剪切硬化現(xiàn)象。

3)大型直剪試驗得到的抗剪強度小于常規(guī)直剪試驗得到的抗剪強度，這種差異隨著垂直壓力的增大而逐漸顯著。在實際工程中，應該將尺寸效應考慮在內(nèi)，在條件允許的情況下開展大型直剪試驗，進而提高原狀黃土參數(shù)的精度，以提高工程質(zhì)量。