饱和原状黄土三轴试验研究

朱登武，王文生，刘路路，谭立振

(1.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；2.陕西省交通规划设计研究院，陕西 西安 710065)



饱和原状黄土三轴试验研究

朱登武1，王文生2，刘路路1，谭立振1

(1.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；2.陕西省交通规划设计研究院，陕西 西安 710065)

采用GDS静三轴试验系统，对延安-延川(陕晋界)高速公路隧道的Q2老黄土进行了固结不排水剪试验。结果表明：低围压下，应力应变关系表现为软化型，随着围压的增大，软化特性有所减弱，部分表现出硬化特性；随着干密度的变化，土的抗剪强度指标变化较大，干密度增大，粘聚力总体上呈现增大的趋势，而内摩擦角和干密度之间不具有很好的相关性。

饱和原状黄土；三轴试验；应力应变曲线；强度指标

我国黄土分布面积约64万km2，其中以西北地区和黄河中游地区最为发育，多分布于甘肃、陕西、山西等地区。近年来，国家对基础设施建设加大投入，一批高标准的高速铁路项目已经建成或正在建设[1]，黄土围岩等级划分中存在的问题也日益突出。本文以延安-延川高速公路隧道老黄土隧道围岩为研究对象，采用常规三轴试验研究Q2饱和原状黄土在不同围岩压力下的应力应变特性以及干密度对于土体强度指标的影响[2]，为黄土隧道围岩的等级划分提供参考。

1　试验设计

本文试验所用土样为Q2黄土，样品取自延安-延川(陕晋界)高速公路隧道,取土深度20～116 m。按取样地点，分6组进行试验，共36个土样。土样基本参数如表1所示。所有土样均为直径39.1 mm、高80 mm的圆柱体。

表1　黄土试样的物理性质指标

本文试验采用英国GDS公司生产的GDS静三轴试验仪器，选用固结不排水的剪切方法，加载方式为应变控制式，按照《公路土工试验规程》要求，剪切应变速率为每分钟应变0.5%[3]。每组6个试样，采用6级围压，围压在50～700 kPa。

2　试验结果分析

2.1试样破坏形态图

图1和图2是试样在不同围压下的破坏形态。

(a)σ3=100 kPa　　　　　　　(b)σ3=200 kPa　　　　　　　　(c)σ3=100 kPa

(a)σ3=500 kPa　　　　　　　(b)σ3=600 kPa　　　　　　　　(c)σ3=700 kPa

由图1、图2可见，饱和原状黄土试样在低围压下，往往发生脆性破坏，出现明显的剪切破裂面；在较高围压下，试样呈塑性破坏，没有明显的破裂面，试样中部膨大[4]。

图3　强度莫尔圆的示意图

2.2强度特性

以(σ1-σ3)的峰值为破坏点，无峰值时，取15%轴向应变时的主应力差值作为破坏点，以法向应力为横坐标，剪应力为纵坐标，在横坐标上以(σ1f+σ3f)/2为圆心，(σ1f-σ3f)/2为半径，在τ-σ应力平面图上绘制破损应力图，并绘制不同围压下破损应力圆的包线，求出不排水强度参数，如图3所示[5]。

表2　土的抗剪强度指标

图4　抗剪强度指标与干密度的关系

根据表2及图4可知：(1)随着干密度的变化，Q2饱和原状黄土强度指标值变化较大，粘聚力c的变化范围介于100～300 kPa，内摩擦角φ的变化范围介于15°～ 35°；(2)粘聚力c随着干密度的增大，总体上呈现增大的趋势，而内摩擦角φ和干密度之间的数据较为离散，两者之间不具有很好的相关性。

2.3剪切过程中的应力应变特性

以主应力差值(σ1-σ3)为纵坐标，轴向应变为横坐标，绘制应力-应变关系曲线 ，图5反映了不同围压条件下饱和原状黄土在剪切过程中的应力应变特性。由图5可以看出：(1)固结不排水剪试验中，饱和原状黄土的应力-应变关系曲线表现为两种形态，即应变软化和应变硬化[6]，在低围压条件下，均表现为强软化型，随着围压的增大软化程度有所减弱，部分表现出硬化特征；(2)峰值应变大约在1%～3%，随着围压的增大，峰值应变增大，峰值强度提高。天然黄土都具有一定的结构强度，围压小于结构强度时，应力应变关系呈软化型或弱硬化型，当围压大于土的结构强度时，土的结构在均压固结时就遭到部分破坏，剪缩现象显著，其应力应变关系一般呈强硬化型。土的强度随着塑性体应变增大而提高[6]。

图5　各土样应力-应变关系曲线

3　结论

(1)土样的破坏形态和围压的大小有关。低围压下多为脆性破坏，有明显的剪切破裂面；较高围压下，多呈塑性破坏，无明显破裂面出现，并出现剪缩现象。

(2)不同围压条件下，饱和原状黄土的应力应变关系不同。在低围压下，饱和原状黄土的应力应关系，均表现为软化型，随着围压的增大，软化特性有所减弱，部分表现出硬化特性。

(3)随着干密度的变化，土的抗剪强度指标变化较大，其中，粘聚力c随着干密度的增大，总体上呈现增大的趋势，而内摩擦角φ和干密度之间不具有很好的相关性。

[1]赵勇,李国良，喻渝.黄土隧道工程[M].北京：中国铁道出版社,2011.

[2]中国工程建设标准化协会.土工试验方法标准:GB/T 50123-1999 [S].北京：中国计 划出版社,1999.

[3]赵丽娅.饱和黄土的应力应变及强度特性研究[D].西安：长安大学, 2010.

[4]何小亮,谢婉丽,丁勇. 泾阳南塬黄土剪切强度的三轴试验研究[C]. 2010年全国工程地质学术年会暨“工程地质与海西建设”学术大会.中国地质学会工程 地质专业委员会,2010.

[5]中华人民共和国交通运输部.公路土工试验规程:JTG E40—2007[S].北京:人民交通出版社,2007.

[6]刘祖典.黄土力学与工程[M].西安：陕西科技出版社,1997.

Study of tri-axial tests for undisturbed saturated loess

ZHU Deng-wu1，WANG Wen-sheng2，LIU Lu-lu1，TAN Li-zhen1

( 1.School of Highway,Chang′an University,Xi′an 710064,China； 2.Shaanxi Transportation Planning Design and Research Institute,Xi′an 710065,China)

With the GDS static triaxial test system,undrained shear test is conducted to the old Q2 loess in Yan′an-Yanchuan(Shanjin boundary) Highway tunnel,the research results shows that under the small consolidate pressure,stress-strain relationship characterized by softening type,and with the increase of small consolidate pressure,softening properties reduced in a way,part of them showed hardening characteristics;the soli strength index changes a lot with the change of dry density.Cohesion showed a tendency to increase in general with the increasing of the dry density.There is not very good correlation between the internal friction angle and dry density .

saturated intact loess;triaxial test;stress-strain curve;strength index

2015-12-10

朱登武(1990—)，男，安徽安庆人，硕士研究生。

1674-7046(2016)04-0045-04

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.04.009

TU411

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