重塑黄土强度及变形特性的试验研究

王 辉 郭凤芝

(铁道第三勘察设计院集团有限公司, 天津 300251)

黄土作为一种特殊土,除了具有一般土体的所有力学特征以外,还具有自身的特殊性[1]。近年来,重塑黄土的抗剪强度特性与变形特性的研究引起人们的广泛关注。黄土本身作为建筑材料大量的用于工程之中，这些工程中所使用的黄土是重塑黄土。重塑黄土不同于原状黄土,压实作用使其改变了原有的结构和物理、力学状态。因此，对于重塑黄土强度特性及变形规律研究的具有极其重要的作用.对指导工程勘察及工程实践具有现实价值。

对黄土地区工程上影响较大的压实黄土做了大量试验,为了研究该地区重塑黄土的抗剪强度及变形特性,进行了针对不同含水量和不同干密度下的重塑黄土的直剪试验,并对试验结果进行了深入的分析，探讨了不同状态下重塑黄土的抗剪强度特性及变形特性。

1 试验参数选取及分组情况

试验土样取自石太客运专线西段东凌井车站,直剪试验采用南京土壤仪器厂SDJ-1型三速电动等应变直剪仪。试验中重塑黄土控制干密度为1.60 g/cm3,含水率分别为7.2%、10.2%、11.4%、14.6%、17.2%的试样,以及控制含水量为14.6%,干密度分别为1.40 g/cm3、1.50 g/cm3、1.60 g/cm3、1.70 g/cm3、1.78 g/cm3,直接以0.8 mm/min速度剪切,到剪切位移为6 mm时,结束试验。其加荷等级为：50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa[2]。

2 重塑黄土的抗剪强度特性及变形特性分析

2.1 剪应力和剪切变形的关系

干密度为1.60 g/cm3不同含水量下的试验结果表明，在土体含水量较小的情况下,剪应力与变形的关系曲线出现峰值,其中含水量越小表现出的峰值越明显。随着含水量的增加,其剪应力与变形关系曲线不再出现峰值。在小压力、低含水量的条件下,重塑黄土的剪应力与剪切变形曲线出现峰值,在含水量为11.4%左右,其剪应力与剪切变形曲线分布在一个紧密的区间内,而较低含水量(w=7.2%)和较高含水量(w=17.2%)的剪应力与剪切变形曲线的分布则偏离这个紧密的区间。在高含水量、高压力条件下,其剪应力与剪切变形曲线呈加工硬化型[3]。干密度较大的重塑黄土,在剪切变形较小时剪应力与剪切变形曲线呈线弹性关系,特别是含水量较低的试样。在线弹性关系破坏后,曲线呈现出塑性变形特征,这一阶段剪应力完全由重塑黄土摩擦作用形成。

当含水量为14.6%不同干密度条件下的试验结果表明，在低干密度条件下，无论压力多大,其剪应力与剪切变形曲线均呈加工硬化型；相反,在高干密度条件下、无论压力多大,其剪应力与剪切变形曲线均呈加工软化型。同时干密度越大的重塑黄土其峰值剪应力与破坏后的残余剪应力的差值也越大。

2.2 剪应力和垂直变形的关系

通常人们认为土的变形是弹塑性的。其中,弹性变形源于土颗粒之间的弹性接触变形,封闭气泡或者可压缩弹性流体的弹性变形等；而塑性变形主要源于颗粒间的相对运动和颗粒的破碎。土的剪胀变形一般是由于相互咬合的土颗粒间相对运动引起的,所以通常被归入塑性变形。实际上,伴随着剪胀常常发生由于土颗粒的相对滑动及转动引起的爬升、翻滚,剪胀时剪应力使颗粒从低位能的稳定状态转变为高位能的不稳定状态[4]。

土的剪胀性实质上是由于剪应力引起土颗粒间相互位置的变化,使其排列发生变化,加大颗粒间的孔隙,从而发生了体积变化。通过对试验数据的分析得出,研究区重塑黄土在一定条件下会发生剪胀现象,并且剪胀现象的发生与重塑黄土的干密度、含水量、加载条件等有密切关系。

(1)含水量为14.6%不同干密度条件下的关系

试验结果表明，在含水量一定的条件下,加载剪切过程中,干密度越大、垂直压力越小的情况下,黄土越容易发生剪胀现象；在试验中当垂直压力为50 kPa,而干密度大于1.50 g/cm3时,重塑黄土即发生剪胀现象,并且剪胀起始点随着干密度的增加而增加,随着垂直压力的增加而增加的趋势,其具体变化情况见表1；当干密度大于1.70 g/cm3时,在各级垂直压力下黄土均发生剪胀现象。一般而言,土剪胀时颗粒起动后对应着峰值强度,而剪胀稳定时对应着土的残余强度,但试验结果表明峰值强度点并未对应着剪胀起始点,而是在剪胀过程中出现的。

表1 含水量为w=14.6%不同干密度下剪胀起始点剪切位移 mm

(2)干密度为1.60 g/cm3不同含水量条件下的关系

试验结果表明在干密度保持一定的条件下,加载剪切过程中,含水量较低(7.2%、10.2%、11.4%)的情况下重塑黄土均发生剪胀；在含水量为17.2%,垂直压力为50 kPa时,重塑黄土才发生剪胀现象,在100 kPa、150 kPa、200 kPa压力下发生剪缩,表明在含水量越大、垂直压力越小的情况下重塑黄土才会发生剪胀。本试验结果表明峰值强度点并未对应着剪胀起始点,而是在剪胀过程中出现的。

2.3 重塑黄土的抗剪强度与含水量及干密度的关系

(1)抗剪强度指标c、φ与含水量和干密度的关系[5]

从图1中可以看出,含水量的变化对黄土的黏聚力和内摩擦角有较大的影响,随着含水量的增加,黏聚力是减小的趋势,而内摩擦角同样也是逐渐减小的趋势,只是存在个别不同变化点。但含水量的变化对内聚力的影响显然要大于内摩擦角的影响。

图1 黏聚力、内摩擦角与含水量w的关系

通过对黏聚力及含水量的关系曲线拟和(见图2),可以拟合为指数函数,即,c=285.09e-0.180 3w。从其拟合关系式可以看出：黏聚力随含水量的变化基本符合指数函数关系,而且拟和关系式的相关性较好,其相关系数为0.958 9。

图2 黏聚力与含水量w的拟合关系

从图3中可以看出,内摩擦角随干密度变化其变化幅度较大,总体趋势是随着干密度增大而增大。但其内摩擦角的变化并不稳定,而是在某些条件下表现出了摆动性。

图3 黏聚力、内摩擦角与干密度ρd的关系

通过对黏聚力及干密度的关系曲线拟合(见图4),可以拟合为指数函数,即,c=0.219 7e2.912 1ρd。从其拟合关系式可以看出：黏聚力随含水量的变化基本符合线性关系,而且拟和关系式的相关性较好,其相关系数为0.951 6。

图4 黏聚力与干密度ρd的拟合关系

3 结论

该区域重塑黄土的抗剪强度及变形有着自身固有的特点,通过对重塑黄土在不同状态下的直剪试验的对比分析,得到该区域重塑黄土的抗剪强度特性及变形特性。根据其变化规律，得出如下的初步结论：

(1)由直剪试验得到了在小压力、低含水量的条件下,剪应力与剪切变形曲线才出现峰值,在含水量为11.4%左右,其剪应力与剪切变形曲线分布在一个紧密的区间内,而较低含水量(7.2%)和较高含水量(17.2%)的剪应力与剪切变形曲线的分布则偏离这个紧密的区间。

(2)对直剪试验得到的应力与垂直变形的关系曲线进行分析，得到了重塑黄土的初始含水量越大、干密度越大、垂直压力越小的条件下,在加载剪切时黄土越趋于发生剪胀现象；试验结果同时也表明峰值强度点并未对应着剪胀起始点,而是在剪胀过程中出现的。

(3)重塑黄土的干密度ρd和含水量w对黏聚力c的影响的关系曲线可以用指数函数关系拟合,其拟合关系式分别为：c=285.09e-0.180 3w和c=0.219 7e2.912 1ρd,其相关性较好。 但由于土质和颗粒组成不同,式中的参数会有所不同。同时也为该地区工程施工中的压实黄土的指标提供了一定的帮助[6]。

[1] 王永焱,林在贯.中国黄土的结构特征及物理力学性质[M].北京：科学出版社,1990

[2] 铁道第一勘察设计院.TB10102—2004 铁路工程土工试验规程[S].北京：中国铁道出版社,2004

[3] 黄文熙.土的工程性质[M].北京：中国水利水电出版社,1983

[4] 李广信,郭瑞平.土的卸载体缩与可恢复剪胀[J].岩土工程学报,2000,22(2)：158-161

[5] 张 炜.黄土力学性质试验中的若干问题[J].工程勘察，1995(6)

[6] 何春锋.压实黄土的工程性质及应用问题[D].西安：西北农林科技大学水利与建筑土程学院,2006