压实黄土强度的三轴试验研究①

陈 伟，张吾渝，马艳霞，常立君，王 萌

（1.青海大学 地质工程系，青海 西宁 810016；2.青海大学 土木工程学院，青海 西宁 810016）

0 引言

黄土是我国分布较广的区域性特殊土，分布面积约为64万km2，占国土面积的6.6%，主要分布在黄河流域，作为三江源的青藏高原地区也有大面积分布，其中青海黄土的分布面积为2.48万km2［1］。在房屋、铁（公）路、隧道等工程建设中经常会遇到黄土地（路）基，其力学特性对地（路）基和边坡工程的强度、变形及稳定性有重要影响。有关黄土的力学特性，许多学者对其进行了试验研究。关亮等［2－3］采用非饱和三轴仪分别以甘肃平定高速公路黄土路堤的非饱和填土以及兰州和平镇的非饱和重塑黄土为研究对象，进行了一系列的控制吸力的剪切试验；郭恩辉等［4］以太原地区黄土为研究对象，对土样进行不同初始条件的室内三轴试验；冯志焱等［5］采用非饱和土三轴仪，以西安地区Q3黄土为研究对象，对不同含水率的原状与重塑黄土进行三轴试验；李永乐等［6］采用特制的非饱和土三轴仪，对不同含水率条件下原状非饱和黄土的强度和土－水特征曲线进行了试验研究；索晓芳等［7］以太原地区黄土为研究对象，进行了重塑黄土的室内三轴试验；刘红玫等［8］以青海某黄土为研究对象，对不同含水率黄土进行三轴试验研究。可以看出：许多学者对黄土进行了一定的试验研究，但由于黄土形成原因及区域性的差异，黄土的物理力学特性有较大的差异，针对青海地区黄土的力学特性研究以往仅限于一般工程应用的需要而进行简单的物理力学试验，如常规压缩试验、直剪试验等，而对青海黄土进行三轴试验研究很少。本文采用三轴试验研究不同含水率和不同压实系数条件下压实黄土的应力应变特性，以获得工程上常用的邓肯—张模型参数，可供青海黄土地区工程设计参考。

1 试验概况

青海地区黄土多为黄色或淡黄色，结构疏松，架空（大孔隙结构）现象明显，天然含水率较低，平均为13.4%，以粉粒为主，垂直节理发育［1］。本文配制压实黄土的原状黄土样取自青海西宁生物园区某建筑基坑，其基本物理性质见表1所示（引自文献［9］）。

表1 黄土基本物理性质Table 1 Basic physical properties of loess

为研究含水率对压实黄土强度特性的影响，配制含水率ω分别为14%、17%，压实系数λ为0.97的两组试样；为研究压实系数对压实黄土强度特性的影响，配制压实系数分别为0.95、0.96，含水率为17%的两组试样。试验仪器为应变控制式常规三轴压缩仪，试样尺寸为3.91cm（直径）×8cm（高度），进行不固结不排水剪切试验，剪切速率为0.8mm／min，分别在围压为100kPa、200kPa、300kPa下剪切直至土样破坏为止，破坏标准参考《土工试验方法标准》［10］。

2 试验结果

2.1 主应力差—轴向应变关系曲线

图1和图2分别为两组不同含水率和两组不同压实系数试样在不同围压下主应力差与轴向应变关系曲线。

图1 不同含水率下（σ1－σ3）－ε1 关系曲线Fig.1 Relation curves of（σ1－σ3）－ε1under different moisture content

由图1和图2可知：不同含水率和不同压实系数下试样在不同围压时，主应力差均随着轴向应变的增加而增加，并且主应力差与轴向应变关系接近双曲线；每组试样在轴向应变相同时，主应力差随着围压的增加而增大，初始切线模量也随着围压的增加而增大。对相同围压，破坏点处主应力差随着含水率的增大（14%～17%）而减小，如在围压为100 kPa时，（σ1－σ3）e分别为355.85kPa、266.68kPa；对相同围压，破坏点处主应力差随着压实系数的增大（0.95～0.96）而增大，如在围压为100kPa时，（σ1－σ3）e分别为304.61kPa、362.66kPa。

图2 不同压实系数下 （σ1－σ3）－ε1 关系曲线Fig.2 Relation curves of（σ1－σ3）－ε1under different compaction coefficient

图3 ε1／（σ1－σ3）－ε1 关系曲线Fig.3 Relation curves ofε1／（σ1－σ3）－ε1

2.2 不同含水率和不同压实系数条件下邓肯—张模型参数

将含水率为14%的3个试样试验结果按照ε1／（σ1－σ3）－ε1关系进行整理，见图3所示。

由图3可知，两者近似成线性关系，表达式为

其中，α为直线的截距，b为直线的斜率。

在常规三轴压缩试验中，由于dσ2＝dσ3＝0，切线模量为

在试验起始点ε1＝0，则起始变形模量Ei＝1／a，不同围压下起始变形模量分别为248.14kPa、347.22kPa、404.86kPa。

当ε1→∞，极差偏应力为

定义破坏比为

则不同围压下的破坏比分别为0.93、0.90、0.87。

如果绘出lg（Ei／Pa）与lg（σ3／Pa）的关系图，可以发现两者近似呈直线关系，如图4所示。

直线方程为

其中Pa为大气压（Pa＝101.4kPa）

由图计算可得，n＝0.440，K＝2.49。

同样的方法可以得到其余3组试样的邓肯—张模型参数，见表2。强度参数黏聚力和内摩擦角根据不同围压的摩尔应力圆公切线求出。

表2 不同含水率和压实系数下邓肯—张模型参数Table 2 Duncan－Chang model parameters under different moisture content and different compaction coefficient

从表2可以看出：随着含水率的增加，土的强度参数黏聚力和内摩擦角均呈现减小的趋势；随着含水率的增加，K值和不同围压的Rf均呈现减小的趋势，而n呈现增大的趋势。随着压实系数的增加，土的强度参数呈现增大的趋势，但变化相对不明显；随着压实系数的增加，K值和不同围压的Rf均呈现增加的趋势，而n呈现减小的趋势。刘小文等［11］、程莹等［12］、郭恩辉等［4］分别以重塑红土、河相及海相软土、黄土为研究对象，均得出c、φ、K随干密度的增大而增大，这与本文的结论一致。

图4 lg／（Ei／pa）－lg（σ3／pa）关系曲线Fig.4 Relation curve of lg／（Ei／pa）－lg（σ3／pa）

3 结论

（1）不同初始条件下，主应力差—轴向应变关系曲线基本符合双曲线关系；主应力差和初始切线模量随围压的增加而增大；对相同围压，破坏点处主应力差随含水率的增大而减小，随压实系数的增大而增大。

（2）当压实黄土的含水率接近最优含水率或压实系数较大时，强度参数黏聚力和内摩擦角较大，K值和Rf也较大，而n较小。

（References）

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