董山,王宏宇,李婕,馬富麗,白曉紅*,2

(1.太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 山西 太原 030024；2.巖土與地下工程山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030024)

0 引言

黃土狀粉土作為一種典型的特殊土，呈黃色或褐黃色，顆粒以粉粒為主，顆粒粒徑均勻、單一，級(jí)配較差，有欠壓密性[1]，且遇水有不穩(wěn)定性，因而不能用做良好的路基及地基填料，在以前的工程建設(shè)中甚至被當(dāng)作了棄土。近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及工程建設(shè)的需求不斷提高，將黃土狀粉土應(yīng)用于工程的實(shí)例屢見(jiàn)不鮮，特別是在山西、陜西、甘肅、寧夏等廣泛分布有豐富黃土資源的地區(qū)，黃土狀粉土已作為公路、鐵路的路基填料及工業(yè)、民用建筑的地基填料大量應(yīng)用于各種工程建設(shè)中。因此，需要深入研究黃土狀粉土的力學(xué)特性以便能解決黃土狀粉土在工程建設(shè)中產(chǎn)生的各種問(wèn)題,從而獲得更好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

對(duì)于各類土包括黃土力學(xué)特性的研究，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)取得了一些成果。肖軍華等[2]研究了黃河沖積粉土的工程力學(xué)特性，得出隨著含水率的增加，土的變形性狀由軟化型轉(zhuǎn)變?yōu)橛不?，粘聚力隨壓實(shí)度的減小或含水率的增加顯著降低，而內(nèi)摩擦角的變化不大。楊晶等[3]通過(guò)直剪試驗(yàn)得到壓實(shí)黃土的剪切強(qiáng)度隨含水率的增加而降低。胡長(zhǎng)明等[4]通過(guò)對(duì)呂梁某地壓實(shí)馬蘭黃土變形及抗剪強(qiáng)度特性的研究，得出結(jié)論：隨著壓實(shí)度的增大及含水率的降低，粘聚力和內(nèi)摩擦角均會(huì)增加。陳偉等[5]對(duì)重塑黃土進(jìn)行了三軸試驗(yàn)，結(jié)果表明，粘聚力隨含水率的增大先增大后減小，內(nèi)摩擦角隨含水率的增大而減小，粘聚力隨壓實(shí)度的增大而增大。周春梅等[6]對(duì)壓實(shí)黃土進(jìn)行了三軸試驗(yàn)，得到隨著含水率的增加，應(yīng)力—應(yīng)變曲線由弱硬化向強(qiáng)硬化轉(zhuǎn)變，粘聚力與內(nèi)摩擦角均隨含水率的增加而減小，隨壓實(shí)度的增加而增大。王林浩等[7]進(jìn)行了直剪試驗(yàn)，結(jié)果表明，壓實(shí)黃土狀粉土的粘聚力和內(nèi)摩擦角均隨干密度的增加而增大，隨含水率的增大而減小。LAMBE[8]指出，對(duì)于同一壓實(shí)能及干密度下的土，在最優(yōu)含水率干側(cè)壓實(shí)比在濕側(cè)壓實(shí)有更高的強(qiáng)度和滲透性以及更低的側(cè)限壓縮性。KONG等[9]的試驗(yàn)表明含水率對(duì)內(nèi)摩擦角的影響在塑限兩側(cè)存在明顯差異。MANCUSO等[10]對(duì)同一吸力及飽和度下的擊實(shí)土樣進(jìn)行了常吸力壓縮和剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在最優(yōu)含水率處土樣的變形與其偏濕側(cè)有較大差異。BOWDERS[11]研究了擊實(shí)功對(duì)壓實(shí)黃土抗剪強(qiáng)度特性的影響，并得出壓實(shí)黃土的抗剪強(qiáng)度會(huì)隨擊實(shí)功的增大而增大。TOLL[12]通過(guò)對(duì)壓實(shí)土的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在相同壓實(shí)功作用下，當(dāng)含水率較低時(shí)，土樣的粘聚力隨含水率的增大而增大，其值在最優(yōu)含水率附近達(dá)到最大，而繼續(xù)增大含水率，粘聚力則會(huì)減小。

可以看到，現(xiàn)有研究并不乏對(duì)黃土力學(xué)特性的探討，但對(duì)黃土狀粉土力學(xué)特性的研究卻十分有限，本文將從含水率和壓實(shí)度的角度對(duì)壓實(shí)黃土狀粉土的力學(xué)特性進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用黃土狀粉土取自山西省忻州市寧武縣某地，其基本物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1，顆粒組成見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)用土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Basic physical properties of soil used in this study

表2 試驗(yàn)用土的顆粒組成Tab.2 Grain composition of soil used in this study

1.2 試樣制備

將試驗(yàn)所用的黃土狀粉土進(jìn)行風(fēng)干、碾碎并過(guò)2 mm篩，配制含水率分別為8.8 %、10.8 %、12.8 %、14.8 %的4種土料，通過(guò)式(1)、式(2)計(jì)算出不同含水率及壓實(shí)度下試樣所需的土料質(zhì)量，分5層在三軸擊樣器內(nèi)進(jìn)行擊實(shí)，控制每層的擊實(shí)厚度為16 mm，從而制備出每種含水率下壓實(shí)度為90 %、93 %、96 %的3種試樣，試樣為直徑39.1 mm、高度80 mm的圓柱體，本試驗(yàn)將配制得到12組不同含水率及壓實(shí)度的試樣，每組需配制同一含水率及壓實(shí)度的試樣3個(gè)，分別在不同圍壓下進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)。

ρd=k·ρdmax,

(1)

式中：ρd為土樣的干密度，g/cm3；k為土樣的設(shè)計(jì)壓實(shí)度， %；ρdmax為土樣的最大干密度，g/cm3。

m=ρd·(1+0.01w)·V,

(2)

式中：m為制備設(shè)定含水率及壓實(shí)度的試樣所需的土料質(zhì)量，g；ρd為土樣在設(shè)計(jì)壓實(shí)度下的干密度，g/cm3；w為土樣的設(shè)計(jì)含水率， %；V為三軸擊樣器體積，這里為96 cm3。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用TruePath全自動(dòng)應(yīng)力路徑三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)試樣進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)?，F(xiàn)如今，工程建設(shè)的需求造成了多數(shù)工程施工速度的提升，這更接近于不固結(jié)不排水的試驗(yàn)條件，且在這種試驗(yàn)條件下進(jìn)行計(jì)算會(huì)比較安全，故本試驗(yàn)采用不固結(jié)不排水法[13]。試驗(yàn)時(shí)使每組同一含水率及壓實(shí)度的試樣分別在100 kPa、200 kPa、300 kPa的圍壓下剪切直至破壞[14]，控制剪切應(yīng)變速率為0.5 %/min，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中保持排水閥關(guān)閉，本試驗(yàn)取有效主應(yīng)力比的最大值作為破壞點(diǎn)。其試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)方案Tab.3 Test scheme

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 含水率及壓實(shí)度對(duì)壓實(shí)黃土狀粉土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的影響

應(yīng)力—應(yīng)變曲線能夠非常直觀地體現(xiàn)土的強(qiáng)度及變形特性，同時(shí)，它也是預(yù)測(cè)地基變形和進(jìn)行穩(wěn)定性分析的必要條件，對(duì)實(shí)際工程有重要意義。本試驗(yàn)將試驗(yàn)結(jié)果以偏應(yīng)力(即主應(yīng)力差)為縱坐標(biāo)，以軸向應(yīng)變?yōu)闄M坐標(biāo)，繪制出(σ1-σ3)-ε1曲線，并分析含水率及壓實(shí)度對(duì)應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的影響。

2.1.1 含水率對(duì)應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的影響

圖1是壓實(shí)度為93 %的試樣在不同含水率下的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)試樣的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線隨著含水率的變化而表現(xiàn)出顯著的差異。能夠看到，隨著含水率的增大，主應(yīng)力差的峰值逐漸減小，且曲線的形狀逐漸從陡峭變?yōu)槠交?。這是由于隨著含水率的增大，水分的潤(rùn)滑作用使得摩擦力減小，顆粒間更易發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此外水分也會(huì)溶解土顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)和鹽類從而破壞了顆粒間的膠結(jié)作用，這些都會(huì)造成試樣的強(qiáng)度減小，表現(xiàn)為主應(yīng)力差峰值的減小。同時(shí)，圖1表明壓實(shí)黃土狀粉土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系受含水率增大的影響呈現(xiàn)出由應(yīng)變軟化型向應(yīng)變硬化型的轉(zhuǎn)變。此外，不難發(fā)現(xiàn)，土體的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系在低含水率、低圍壓狀態(tài)下趨向于應(yīng)變軟化型，而在高含水率、高圍壓狀態(tài)下更趨向于應(yīng)變硬化型。

(a) σ3=100 kPa

2.1.2 壓實(shí)度對(duì)應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的影響

圖2是含水率為8.8 %的試樣在不同壓實(shí)度下的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線?？梢钥吹剑鲬?yīng)力差的峰值隨著壓實(shí)度的增大有明顯提高，且壓實(shí)度越大的試樣，曲線的初始剛度也越大。同時(shí)，試樣的變形性狀受壓實(shí)度的影響也發(fā)生了顯著的變化，當(dāng)壓實(shí)度較低時(shí)，在應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線上，偏應(yīng)力隨著軸向應(yīng)變的增大先快速增加，而后逐漸趨于穩(wěn)定，沒(méi)有明顯的峰值強(qiáng)度，為弱硬化型[15]，而隨著壓實(shí)度的增大，曲線則逐步過(guò)渡為軟化型，表明壓實(shí)度越大，土體的脆性變形越明顯，相反其塑性逐漸減弱。

(a) w=8.8 %, σ3=100 kPa

2.2 含水率及壓實(shí)度對(duì)壓實(shí)黃土狀粉土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

根據(jù)莫爾—庫(kù)侖強(qiáng)度理論，含水率及壓實(shí)度變化對(duì)壓實(shí)黃土狀粉土抗剪強(qiáng)度的影響主要是通過(guò)它們對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)即粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ產(chǎn)生的影響來(lái)反映的。對(duì)于同一種土而言，含水率和壓實(shí)度無(wú)疑是決定抗剪強(qiáng)度的兩個(gè)最主要的因素[16]。

依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在同一τ-σ平面坐標(biāo)系內(nèi)作出相同含水率和壓實(shí)度的一組試樣在不同圍壓下的3個(gè)極限應(yīng)力圓并繪出它們的公切線，即為土的抗剪強(qiáng)度包線，據(jù)此可求得土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ值，其結(jié)果見(jiàn)表4。根據(jù)表4數(shù)據(jù)可以得到試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨含水率及壓實(shí)度的變化曲線(圖3、圖4)從而來(lái)分析壓實(shí)黃土狀粉土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨含水率和壓實(shí)度的變化規(guī)律。

(a) 粘聚力隨含水率變化情況

(a) 粘聚力隨壓實(shí)度變化情況

表4 試樣在不同含水率和壓實(shí)度下的c、φ值Tab.4 Cohesions and internal friction angles of specimens under different water contents and compaction degrees

2.2.1 含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

圖3(a)為不同壓實(shí)度狀態(tài)下試樣的粘聚力隨含水率變化的關(guān)系曲線。可以看出，在相同壓實(shí)度下，試樣的粘聚力隨著含水率的增大呈現(xiàn)出一個(gè)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)含水率小于最優(yōu)含水率時(shí)，粘聚力隨含水率的增大而增大，在最優(yōu)含水率附近粘聚力達(dá)到最大值；而當(dāng)含水率大于最優(yōu)含水率時(shí)，隨著含水率的增大，粘聚力則發(fā)生顯著降低。當(dāng)試樣的含水率小于最優(yōu)含水率時(shí)，水分主要以結(jié)合水的形式存在于土顆粒中，會(huì)對(duì)顆粒產(chǎn)生結(jié)合作用，隨著含水率的增大，這種結(jié)合作用逐漸增強(qiáng)，從而增大了土體的粘聚力；當(dāng)含水率達(dá)到最優(yōu)含水率附近時(shí)，結(jié)合水的結(jié)合作用最強(qiáng)，使得粘聚力達(dá)到最大；當(dāng)試樣的含水率超過(guò)最優(yōu)含水率時(shí)，土中水轉(zhuǎn)變?yōu)榉墙Y(jié)合水，這種結(jié)合作用不再增強(qiáng)，而含水率的繼續(xù)增加會(huì)使土體飽和度明顯增大，會(huì)導(dǎo)致土中基質(zhì)吸力顯著降低，表現(xiàn)為粘聚力的大幅降低，此外，大量的水分會(huì)溶解土顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)和鹽類從而減弱了顆粒間的膠結(jié)作用，這也將造成粘聚力的減小。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，在相同壓實(shí)度條件下，試樣在含水率小于最優(yōu)含水率時(shí)的粘聚力大于含水率大于最優(yōu)含水率時(shí)的粘聚力。

圖3(b)為不同壓實(shí)度狀態(tài)下試樣的內(nèi)摩擦角隨含水率變化的關(guān)系曲線?？梢钥闯?，在相同壓實(shí)度下，試樣的內(nèi)摩擦角隨含水率的增大而減小。這是因?yàn)殡S著含水率的增加，水分的潤(rùn)滑作用使得摩擦力降低，導(dǎo)致土粒間易發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，故內(nèi)摩擦角變小。但在最優(yōu)含水率兩側(cè)內(nèi)摩擦角減小的程度卻存在一定的差異，當(dāng)含水率小于最優(yōu)含水率時(shí)，伴隨含水率的增大，內(nèi)摩擦角有顯著的減小，而當(dāng)含水率大于最優(yōu)含水率時(shí)，內(nèi)摩擦角則是略有減小。例如，壓實(shí)度為90 %的試樣，當(dāng)含水率從8.8 %增加到12.8 %，內(nèi)摩擦角會(huì)由28.91°減小到24.71°，減小了4.2°；而當(dāng)含水率從12.8 %增加到14.8 %，內(nèi)摩擦角則會(huì)由24.71°減小到24.14°，減小了0.57°。其原因是當(dāng)土體含水率較低時(shí)，土中水主要以土粒周圍的結(jié)合水膜(強(qiáng)結(jié)合水膜及弱結(jié)合水膜)的形式存在。其中，強(qiáng)結(jié)合水膜中的水分子不能移動(dòng)，弱結(jié)合水膜中的水分子可沿土粒表面移動(dòng)從而對(duì)土粒間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)起潤(rùn)滑作用。隨著含水率增大，弱結(jié)合水膜變厚，使得土粒易發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，摩擦力減小，表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角隨含水率的增大而減小。當(dāng)含水率達(dá)到最優(yōu)含水率附近，結(jié)合水膜最厚，此時(shí)，若繼續(xù)增大含水率，增加的水分則會(huì)以自由水的形式存在于土體孔隙中，對(duì)土粒間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不再增加潤(rùn)滑作用，表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角隨含水率的增大略有減小[17]。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，壓實(shí)度越低，含水率對(duì)內(nèi)摩擦角影響越大。當(dāng)含水率從8.8 %變化到14.8 %，受含水率增大的影響，壓實(shí)度為96 %的試樣內(nèi)摩擦角從29.16°減小到了27.57°，減小了1.59°；而壓實(shí)度為90 %的試樣則從28.91°減小到了24.14°，減小了4.77°。

觀察對(duì)比圖3中數(shù)據(jù)，能夠看到，受含水率的影響，粘聚力的變化量要大于內(nèi)摩擦角的變化量，可見(jiàn)含水率對(duì)粘聚力的影響程度是大于對(duì)內(nèi)摩擦角的影響程度的。因此，含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響主要是通過(guò)其對(duì)粘聚力的影響起作用，而對(duì)內(nèi)摩擦角的影響則很小。

2.2.2 壓實(shí)度對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

圖4(a)為不同含水率狀態(tài)下試樣的粘聚力隨壓實(shí)度變化的關(guān)系曲線。能夠看到，在同一含水率條件下，試樣的粘聚力隨壓實(shí)度的增大呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。這是由于土體的粘聚力主要由結(jié)合水膜的連接作用、顆粒之間的引力作用和膠結(jié)作用組成[18]，隨著壓實(shí)度的增大，土粒的間距縮小、接觸變緊，使得土顆粒間的引力和膠結(jié)力變大及水膜的連接作用增強(qiáng)，這些都導(dǎo)致了粘聚力的增大。

圖4(b)為不同含水率狀態(tài)下試樣的內(nèi)摩擦角隨壓實(shí)度變化的關(guān)系曲線。可以看出，當(dāng)試樣的含水率相同時(shí)，其內(nèi)摩擦角隨著壓實(shí)度的增加而逐漸增大。這是因?yàn)橥馏w顆粒之間的接觸會(huì)隨著壓實(shí)度的增大而變得緊密，咬合力也隨之變大，使得土顆粒間不易發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角的增大。通過(guò)對(duì)比不同含水率條件下的關(guān)系曲線，不難發(fā)現(xiàn)，試樣的含水率越大，壓實(shí)度對(duì)內(nèi)摩擦角的影響越大。當(dāng)壓實(shí)度從90 %增大到96 %，含水率為8.8 %、10.8 %、12.8 %、14.8 %的試樣內(nèi)摩擦角的增加量分別為0.25°、0.85°、2.89°、3.43°。這也說(shuō)明當(dāng)試樣的含水率小于最優(yōu)含水率時(shí)，內(nèi)摩擦角隨壓實(shí)度的增加無(wú)明顯增大，而當(dāng)含水率達(dá)到最優(yōu)含水率以后，內(nèi)摩擦角則會(huì)隨著壓實(shí)度的增加明顯變大。其原因可以從結(jié)合水膜的角度進(jìn)行分析：當(dāng)含水率較低時(shí)(小于最優(yōu)含水率)，土中水主要以結(jié)合水膜的形式存在，且結(jié)合水膜較薄，從而壓實(shí)度對(duì)水膜的厚度影響較小，表現(xiàn)為壓實(shí)度對(duì)內(nèi)摩擦角的影響較??；當(dāng)含水率較高時(shí)(大于最優(yōu)含水率)，低壓實(shí)度下，土粒間的距離較大，土粒周圍的結(jié)合水膜較厚，其潤(rùn)滑作用使得摩擦力較小，表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角值較小，隨著壓實(shí)度增大，土粒間的距離縮小從而使得摩擦力增大，表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角的顯著增大[19]。

觀察對(duì)比圖4中數(shù)據(jù)，可以看到，隨著壓實(shí)度的增大，粘聚力的增加量較內(nèi)摩擦角大，能夠說(shuō)明，壓實(shí)度對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響主要是由粘聚力來(lái)體現(xiàn)的。

3 結(jié)論

本文選取山西省忻州市寧武縣某地的黃土狀粉土進(jìn)行了不同含水率和壓實(shí)度條件下的三軸壓縮試驗(yàn)，探討了壓實(shí)黃土狀粉土的變形與抗剪強(qiáng)度特性，可得到如下結(jié)論：

① 壓實(shí)黃土狀粉土的偏應(yīng)力峰值隨含水率的增大而減小，隨壓實(shí)度的增大而增大；其應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線受含水率增大的影響由應(yīng)變軟化型轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變硬化型，而隨壓實(shí)度的增大則是由弱硬化型過(guò)渡到軟化型。

② 壓實(shí)黃土狀粉土的粘聚力隨著含水率的增大先增大后減小，在最優(yōu)含水率附近達(dá)到峰值，且在最優(yōu)含水率干側(cè)大于濕側(cè)；其內(nèi)摩擦角隨含水率的增大而減小，且在最優(yōu)含水率干側(cè)減小的程度更為明顯，此外，壓實(shí)度越低，內(nèi)摩擦角的減小程度越大。

③ 壓實(shí)黃土狀粉土的粘聚力與內(nèi)摩擦角均隨壓實(shí)度的增大而增大，而且，含水率越大，內(nèi)摩擦角隨壓實(shí)度增大的程度也越大。

④ 含水率及壓實(shí)度對(duì)粘聚力的影響大于對(duì)內(nèi)摩擦角的影響，表明含水率和壓實(shí)度對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響主要是通過(guò)它們對(duì)粘聚力的影響來(lái)體現(xiàn)的。