不同地区Q2黄土的结构性对比分析

王 辉，何青峰，谢 星，赵法锁

(1.长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054;2.河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454000;3.西安科技大学地质与环境学院，陕西 西安 710054;4.长安大学地球科学与国土资源学院，陕西 西安 710054)

不同地区Q2黄土的结构性对比分析

王 辉1，2，何青峰3，谢 星4，赵法锁1

(1.长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054;2.河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454000;3.西安科技大学地质与环境学院，陕西 西安 710054;4.长安大学地球科学与国土资源学院，陕西 西安 710054)

对延安和西安Q2黄土进行了单轴压缩和CU剪切试验，研究了含水量和围压对其结构性的影响。结果表明，单轴压缩条件下两地Q2黄土的结构屈服应变均较小，且随含水量变化不明显，而结构屈服强度均随含水量增加呈指数减少。CU剪切条件下含水量和围压都对其结构性有明显的影响，围压增大时两地Q2黄土的结构屈服应力和结构屈服应变均增大，含水量增大时结构屈服应力减低，较大围压和较高含水率时，结构屈服段的应力应变曲线由强软化型向较强软化型甚至弱软化型转变。由于西安Q2黄土和延安Q2黄土的沉积环境不同，使其低含水量时结构屈服强度高于延安Q2黄土，而高含水量时结构屈服强度低于延安Q2黄土。

黄土;结构性;含水量;围压

黄土由于特殊的粒状架空体系和颗粒间的联结强度，使其具有很强的结构性。结构强度破坏前，原状黄土的强度很高，结构强度破坏后，强度显著降低，这使得黄土的应力应变关系曲线存在明显的分界点［1-2］。在分界点之前，应力差随应变量的增加而急剧增大，表明非饱和黄土的结构强度迅速发挥，于分界点处达到极大值，之后黄土的结构性逐渐损伤直至破坏，应力差随应变量的增加逐渐降低并最终趋于残余强度。定义该分界点对应的应力差和应变量分别为结构屈服应力和结构屈服应变，则结构屈服应变是黄土结构强度充分发挥并开始劣化时的极限应变［3］，而结构屈服应力又与结构强度存在较好的线性相关关系［4］。因此，研究不同的沉积环境、应力水平和湿度状态对黄土结构屈服应力及结构屈服应变的影响，是探寻黄土工程性质的一个重要方面。

本文以西安和延安两地Q2黄土为研究对象，通过单轴压缩试验和常规三轴试验，探讨了两地Q2黄土结构性及其随含水量、围压和荷载作用而变化的规律，并将二者进行比较。

1 试样概况

1.1 试样的基本物理指标

黄土由于沉积和赋存环境等条件的不同，导致其密度和含水量特征存在着显著的差异。本文试样分别取自西安市南郊白鹿塬和延安市北郊王良寺，其基本物理指标如表1所示。

表1 Q2黄土的主要物理指标Table 1 Main physical indices of Q2loess

1.2 试样制备

为了尽量减少试验数据的离散性，野外取样时严格遵循取样层位和深度的一致性原则。现场取样采用刻槽法，从地层中取出黄土柱体后，小心切削成φ100mm×200mm的圆柱体，装入取样桶后立即现场封蜡。

单轴和三轴试验土样尺寸为 φ39.1mm×80mm。为保证试验结果的可对比性，试样制作完成后，采用电子秤进行密度检验，体积相同而质量相差较大的土样则弃之不用，重新制作新的土样。不同含水量黄土试样的制备采用风干法或水膜迁移法完成。

2 单轴压缩试验

分别制备9种不同含水量的延安Q2黄土试样(含水量4% ～25%)和西安 Q2黄土试样(含水量5% ～27%)。简单加载条件下是以0.18 mm/min的应变速率，按照《土工试验方法标准(1999)》对不同含水量的试样进行了单轴压缩试验，得到了两地Q2黄土的单轴压缩曲线(图1)及其结构屈服强度σc随含水量ω变化的规律(图2)。

从图1可以看出，两地 Q2黄土的单轴应力应变关系具有以下共同特征:

(1)结构强度完全发挥出来的轴向应变值即结构屈服应变εa很小，约在0.875% ～1.125%之间，且随含水量变化不明显，可近似认为εa与含水量的变化无关。

(2)结构屈服强度 σc随含水 σc量的增加而不断降低，说明黄土的结构性与含水量密切相关。对试验曲线拟合发现，两地Q2黄土的结构屈服强度随着含水量的增加均呈指数函数减少(图2)。

(3)达到结构屈服应变 εa后，黄土的单轴压缩变形过程具有明显的强度劣化现象，表现为结构屈服应力之后，不同含水量黄土的强度和刚度随变形的发展均显著下降并最终趋于几乎相同的强度值(残余强度)，说明黄土的强度劣化随含水量的减小而显得更为明显，这种变形体现了黄土的结构性［5］。

图1 Q2黄土单轴压缩曲线Fig.1 Uniaxial compression curve of Q2loess

图2 Q2黄土结构屈服强度与含水量关系Fig.2 Relationship between structural strength of Q2loess and water content

3 常规三轴剪切试验

按单轴压缩试验含水量完成试样制备后，施加不同的围压(50kPa、100kPa、150kPa、200kPa)分别对其进行CU剪切试验。为了使孔隙压力在试验过程中能有足够的时间均匀化，剪切速率采用《水利水电工程土工实验规程(DL/T5355-2006)》所要求的最慢速率下限，即采用0.08mm/min的速率剪切，得到两地Q2黄土的CU剪切曲线(图3，图中纵轴为偏应力σ1-σ3，横轴为轴向应变 ε)。

从图3可以看出，两个地区Q2黄土的三轴应力应变关系具有以下共同特征:

图3 Q2黄土CU剪切应力应变曲线Fig.3 CU shear test curves of Q2loess

(1)二者CU剪切应力应变曲线总体上都表现为三个阶段，即结构屈服之前的近弹性变形阶段以及结构屈服段的强度劣化和破坏阶段。结构屈服应变εa较小，多在1.25% ～2.5%之间。

(2)含水量ω对黄土的结构屈服应力及结构屈服段的强度劣化情况均有影响。围压相同时，结构屈服应力随含水量的增大而降低，但结构屈服后的强度劣化也有所减弱，即随着含水量的增加，其应力应变曲线由强软化型向较强软化型甚至弱软化型转变。

(3)围压σ3对黄土的结构屈服应力、结构屈服应变及结构屈服段的强度劣化情况均有影响。含水量相同时，随着围压σ3的增大，黄土的结构屈服应力逐步提高，结构屈服段的应力应变曲线由强软化型向较强软化型甚至弱软化型过渡，出现塑性破坏的特征。而且，结构屈服应变 εa随着围压的增加呈增大趋势，这种情形在低含水量试样破坏时尤为明显。黄土三轴条件下的结构屈服应变 εa多在1.25% ～2.5%之间，普遍大于单轴条件下的结构屈服应变(0.875% ～1.125%)就是很好的佐证。

(4)当轴向应变超过结构屈服应变 εa后，黄土的结构性逐步破坏，强度降低并最终趋于残余强度。

两个地区Q2黄土的单轴和三轴应力应变关系区别表现在:

含水量ω≤12%时，延安Q2黄土结构屈服强度明显低于西安Q2黄土，当含水量ω＞12%时，前者的结构屈服强度又等于或稍大于后者。也就是说，前者的结构屈服强度随含水量的变化趋势没有后者明显，这与两处黄土的沉积环境和颗粒成分不同有关［6］。

黄土中起骨架支撑作用的颗粒包括:①原始矿物的碎屑颗粒;②由微细物质构成的外形规则的集粒;③钙质被淋溶了的集粒，进一步软化合并而成的团块。黏粒和各种盐类赋存其中并起到胶结作用。延安Q2黄土的骨架颗粒以碎屑颗粒为主，含有少量外形规则的集粒，碳酸钙含量较高，黏粒含量较低，胶结物质多集中在骨架颗粒接触位置。西安Q2黄土黏粒含量较高，碎屑颗粒被嵌埋在黏粒物质之中。由于堆积过程中淋溶作用较强，碳酸钙大量淋失，各种形态的团块增多。含水量较低时，黏粒物质呈硬塑状态，此时，西安Q2黄土由于黏粒含量较高，包裹着碎屑颗粒，使得其结构屈服应力较高。随着含水率的增大，黏粒物质的强度迅速降低，结构屈服强度主要靠中溶盐、难溶盐的胶结及骨架颗粒的摩擦作用提供。西安Q2黄土相对延安Q2黄土由于盐分淋滤较多，骨架颗粒粒径总体较小，且磨圆度高，使得其高含水量时结构屈服强度较低。

4 几点认识

(1)黄土含水量的增大将会使其结构屈服应力降低，因此黄土边坡工程，尤其是高陡削坡工程，要做好坡体的封水、排水工作。除在坡体后缘修建截水沟外，尚应仔细排查和解决坡体上的落水洞、裂隙等问题，尽量减少坡面水入渗增大坡体的含水量，并应对坡体不同土层的含水状态做出正确的判断。对于局部含水量较大的坡体，应采用渗水盲沟、仰斜排水孔等尽可能的排出坡体水。削坡坡面水入渗和坡面植被防护是相互平衡的两个方面。一方面，削坡坡面植被的恢复和生长需要适当的水分，这会引起坡面一定深度范围内土层的稳定性降低;另一方面，植被根系又对坡体的浅层稳定起到很好的加固作用。但这种平衡在新削坡坡面上由于植被根系尚未发育而难以保持，因此高陡的新削坡坡面应采用适当的工程防护措施。

(2)围压σ3的减小会使黄土的结构屈服应力和结构屈服应变降低，并使结构屈服段的向脆性破坏发展。因此，高陡黄土边坡力学参数选择时应充分考虑因削坡引起的σ3减小量，不同土层的三轴试验应选择不同的围压值。施工期间和工后变形监测也应该考虑结构屈服应变的变化，因为低含水量低围压时结构屈服应变较高含水量高围压时降低很多，因此坡体变形预警值也应相应减小。

(3)黏粒含量较大的 Q2黄土结构屈服应力较大，但同时水敏性也会加剧。因此，黄土的结构屈服应力及结构破坏阶段的强度软化特征除与其堆积年代有关外，尚与其堆积环境有关。参数选择时，要考虑同一堆积年代不同堆积环境的黄土结构特性的差异。

5 结论

黄土由于其结构性存在，应力应变关系曲线存在明显的分界点，定义该分界点对应的应力差和应变量分别为结构屈服应力和结构屈服应变。两地Q2黄土结构性均与含水量和围压有关，即含水量的增加会逐渐破坏黄土的结构性，使其结构屈服应力降低，并使其结构屈服段由强软化型向较强软化型和弱软化型过渡;围压的增大有利于保持黄土结构的稳定，提高其结构屈服应力，并使其结构屈服段由强软化型向较强软化型和弱软化型过渡，结构屈服应变也有所增大。西安Q2黄土由于黏粒含量较高，中溶盐、难溶盐含量较低，颗粒细小且磨圆度较高，含水量较低时，其结构屈服应力高于延安Q2黄土，但同时水敏性也会加剧，含水量较高时其结构屈服应力低于延安Q2黄土。因此，黄土高陡边坡等工程实际问题处理时，应根据坡体不同的堆积环境、含水状态和应力状态适当选择参数。

［1］何青峰.考虑损伤的延安Q2黄土力学及流变特性研究［D］.西安:长安大学博士学位论文，2008:24-36.

［2］谢星.西安地区Q2黄土损伤特性及非线性流变模型研究［D］.西安:长安大学博士学位论文，2007:28-39.

［3］党进谦，李靖.非饱和黄土的结构强度与抗剪强度［J］.水利学报，2001，(7):79-84.

［4］陈立，李靖，王俊卿，等.黄土的结构强度及其与结构屈服压力的关系［J］.岩土工程学报，2008，(7):0895-0899.

［5］Leigh D S，Knox J C.Loess of upper Mississppi Valley driftless area［J］.Quaternary Research，1994，43:31-40.

［6］雷祥义.黄土高原地质灾害与人类活动(第一版)［M］.北京:地质出版社，2001:19-24.

Comparation for structural behavior of Q2loess in different regions

WANG Hui1，2，HE Qing-feng3，XIE Xing4，ZHAO Fa-suo1
(1.College of Geology Engineering and Geomatics of Chang`an University，Shaanxi Xi’an 710054，China;2.School of Civil Engineering of Henan Polytechnic University，Henanjiaozuo 454000，China;3.College of Geology and Environ-mental，Xi’an University of Science and Technology Shaanxi，Xi’an 710054，China;4.School of Earth Sciences and Resources Management，Chang’an University，Shaanxi X i’an 710054，China)

Q2loess in Xi`an area and Yan`an area are studied by the uniaxial compression test and the CU shear test，results show that the structural yield strains are all smaller，and do not change significantly with the water content，structural yield stresses are decreasing exponentially with water contents increasing in the former test.Structural behavior is influenced obviously by water content and confining pressure in the latter test，structural yield strains and yield pressures of loess in two regions all increase with the confining pressure increasing，but the structural yeild pressures decrease with water contents increasing.Stress-strain curves in structural yield phase change from strong strain-soften type to weaker and even weak strain-soften type with higher confining pressure and higher water content.Because of different sedimentary environments，structural yeild pressure of Q2Loess in Xi`an is higher when the water content is lower，but lower when the water content is higher.

loess;structural behavior;water content;confining pressure

1003-8035(2010)04-0099-05

TU411.7

A

2010-08-13;

2010-09-20

国家自然科学基金资助项目(40875215)

王 辉(1976—)，男，讲师，博士研究生，主要从事岩土工程及工程地质方面的教学和科研工作。

E-mail:wwhui@hpu.edu.cn