击实黄土抗剪特性的试验研究

李立军 刘春玲 金胜国

(1.吉林省地质环境监测总站，吉林长春 130021;2.吉林省第六地质调查所，吉林长春 133001)

黄土在我国西北地区有着广泛的分布范围，与一般粘性土相比，黄土因其颗粒组成以及自身天然结构的双重特殊性，使之成为一种特殊种类的土［1］。对于天然结构的黄土，目前已有大量的试验研究资料，而击实以后黄土的工程性质如何，目前缺乏系统的研究。为此，本文取现场土体在室内用常规击实方法制备不同夯击能量下的土样，进行一系列相关试验，以掌握不同击实功下击实黄土的变形及强度特性［2，3］。

1 土样的基本性质试验

天然的黄土土样取自某河岸堤坝工程附近，本次试验所用的黄土依据塑性图被定名为低液限粘土，该黄土为浅棕黄色，具有低塑限、粉粒含量高的特点。试验所用的粘土取自黄土取样处的附近，将所得的粘土经过筛分后得到粘粒，然后作为掺入到天然黄土土样的材料。黄土的基本物理性质试验结果如表1所示。

表1 天然黄土和粘土的基本物理性质参数

为了评价不同粘粒含量对黄土的力学性质的影响，本文根据筛分试验制取具有不同粘粒含量(10%，20%，25%和30%)的黄土土样，制样方法如下所述:天然黄土的粘粒含量为21.15%，可将天然黄土近似为粘粒为20%的黄土土样，粘粒为10%的黄土土样利用筛分法在天然黄土中去除一定的粘粒制得，粘粒为25%和30%的黄土土样是将在附近所得的粘土经过筛分后得到粘粒，然后按照一定的配比掺入到天然黄土土样得到的。对所制得的4个土样进行了颗粒分析试验，得到的结果如图1所示。

图1 不同粘粒含量的黄土颗粒分析曲线

2 击实试验

本文对取自某河岸堤坝工程附近的天然黄土土样进行了击实试验，击实试验根据GB/T 50123-1999土工试验方法标准进行，本文采用重型击实试验，其单位体积击实功约2 684.9 kJ/m3，得到最大干密度和最优含水率的曲线。同时，对于另外3个加入不同含量粘粒的土样进行相同的击实试验，得到的结果如图2所示。

图2 不同粘粒含量的黄土击实得到的最大干密度与最优含水率关系曲线

通过击实试验分析可得:粘粒含量为10%时，得到的最优含水率为14.83%，对应的最大干密度为17.23 kN/m3;粘粒含量为20%时，得到的最优含水率为15.17%，对应的最大干密度为16.95 kN/m3;粘粒含量为25%时，得到的最优含水率为16.73%，对应的最大干密度为16.85 kN/m3;粘粒含量为30%时，得到的最优含水率为19.22%，对应的最大干密度为16.80 kN/m3。通过这4组粘粒含量不同的土样得到的数据对比可以发现:在相同的击实功作用下，土样的粘粒含量越高，对其的压实越困难，得到的最优含水率越大，最大干密度最小。因此对于压实黄土作为建筑物地基或填充材料时，应充分考虑黄土的物质组成，尽量选择粘粒含量较少的土进行地基处理，以保证工程的稳定性。

3 直剪试验

直剪试验根据GB/T 50123-1999土工试验方法标准进行，所用的土样与击实试验所用的土样相同，分别为:粘粒含量为10%的黄土以及粘粒含量为20%的黄土(天然黄土)、粘粒含量为25%的黄土、粘粒含量为30%的黄土。为了衡量黄土在击实条件下作为基础或构筑物填充材料时的剪切性能，本文在上述击实试验的基础上，选取击实后最优含水率的土样作为直剪试验的样本。直剪试验的法向应力分别为50 kPa，100 kPa和200 kPa，得出各个土样在不同法向应力下的剪应力与位移之间的关系曲线如图3～图6所示。

图3～图6反映了各个土样剪应力与剪应变之间的关系。从图中可以看出:对于粘粒含量相同的土样，随着法向应力的增加，其剪应力峰值随之提高。对于粘粒含量不同的土样，在相同法向应力下，随着土样中粘粒含量的增加，剪应力峰值消失，土样的受力性能由应变软化逐步过渡到应变硬化。

图3 粘粒含量为10%剪切曲线

图4 粘粒含量为20%剪切曲线

图5 粘粒含量为25%剪切曲线

图6 粘粒含量为30%剪切曲线

通过直剪试验可以确定土的内聚力和内摩擦角，分析不同法向应力对应的残余剪应力组成的点可得到土样的内聚力和内摩擦角，得到的结果见图7和表2。通过图7和表2可以看出当粘粒含量为20%和30%时，二者的内摩擦角相同，都为32.7°，但粘粒为20%的土样内聚力较大。粘粒含量为10%时内摩擦角最大为36.9°，但内聚力较小，为28.1 kPa。粘粒含量为20%时，内聚力最大为33.4 kPa。内聚力与内摩擦角随粘粒含量的变化不遵循一定的规律。

图7 各土样抗剪强度曲线

表2 各土样直剪试验得到的内聚力和内摩擦角

通过对比各个土样的直剪试验的剪应力与水平位移曲线、剪应力与法向应力的抗剪强度曲线可以看出:粘粒含量的改变可以改变黄土的受力性能，即随着粘粒含量的增加，土样的受力性能由应变软化向应变硬化逐渐过渡，但是对土的抗剪强度参数(内聚力和内摩擦角)影响不大。

4 结语

通过以上土的基本性质试验、击实试验、直剪试验可以得出以下几点结论:

1)取自某河岸堤坝工程附近的黄土土样为低液限粘土，其塑限为23.4%，液限为33.5%，塑性指数为10.1%。

2)通过击实试验可以得出:在相同的击实功作用下，土样的粘粒含量越高，对其的压实越困难，得到的最优含水率越大，最大干密度最小。

3)粘粒含量的改变可以改变黄土的受力性能，即随着粘粒含量的增加，土样的受力性能由应变软化向应变硬化逐渐过渡，但是对土的抗剪强度参数(内聚力和内摩擦角)影响不大。

［1］刘祖典.黄土力学与工程［M］.西安:陕西科学技术出版社，1997.

［2］张洪亮，胡长顺，刘保健，等.压实石灰黄土力学特性试验［J］.交通运输工程学报，2003，3(4):13-16.

［3］关文章.湿陷性黄土性能新篇［M］.西安:西安交通大学出版社，1992:23-35.