甘肃黑方台黄土压缩试验研究

王 潇， 杨 博， 谷天峰*， 延 恺

(1.西北大学 地质学系 大陆动力学国家重点实验室， 陕西 西安 710069； 2.陕西新泰能源有限公司， 陕西 咸阳 712000)

上述这些研究均是以重塑土本构模型为基础，通过引入描述结构性的参数建立结构性土本构模型。本文用取自甘肃黑方台的原状结构性黄土以及将其碾碎后重新制备的重塑样进行限制侧向变形的室内压缩试验，对比分析不同荷载下各含水率试样的e-lgp曲线，采用双对数坐标法确定试样的结构屈服应力，参考刘恩龙等人[11]总结出的结构性土压缩特性的数学模型将试验结果进行拟合分析，并将试验结果与模型模拟结果进行对比。

1 研究区概况及试验方案

1.1 研究区概况

图1 黑方台地形图

黑方台位于甘肃省永靖县，距兰州市约40 km，处于黄河与湟水河交会处的西南部位。黑方台面积约15 km2，北部由磨石沟将其与北部山体分隔开，沿东西向由虎狼沟将其分为黑台和方台两部分，如图1所示。黑台较方台大，滑坡灾害较方台严重得多，是滑坡研究的主体部分。黑台面积约12 km2，自黑方台建成人工提灌工程以来，长期采用粗放式的大水漫灌灌溉方式，灌溉水大量下渗，台缘上陆续出现了落水洞、裂缝等现象，进而导致台缘不断有各种规模的滑坡发生。沿台边缘分布有新老滑坡几十处，以焦家崖最为集中，构成了大型台缘滑坡群，危害严重。

1.2 试验样品及基本物理指标

试样取自甘肃黑方台焦家崖，取样深度为3 m。取样后采用塑料薄膜密封，防止水分散失，并在其周围铺设麦草，装箱，防止运输过程中振动对土样产生影响，取得未扰动土样。对所取土样进行物理试验，得到其性质指标见表1。

表1 试验土样的物理性质指标

采用激光粒度分析仪对所取黄土的粒度进行分析，粒度曲线见图2，可以看出，黑方台黄土的粒度主要集中在10～50 μm之间。利用轴平移法侧定了试样的土水特征曲线，并使用Van Genuchten模型和Fredlund & Xing模型对测定结果进行了拟合，结果如图3所示。

图2 粒度分布曲线 图3 土水特征曲线

1.3 试验方法

本文制备了含水率分别为5%、10%、15%、20%、25%的原状试样进行侧限压缩试验，试样面积为30 cm2，高2 cm，试验在GZQ-1型全自动气压固结仪上进行。试验时依次往水槽内(本次由于是非饱和土的压缩试验，所以水槽内并不加水)放入上透水石、滤纸、制备好的环刀土样、滤纸、透水石，加压盖，透水石和滤纸的湿度要与土样湿度接近。装好样后打开空压机，仪器在进行自动自重校正后开始施加荷载，施加压力等级分别为12.5、25、50、100、200、400、800、1600、3200 kPa。当施加各级压力后每小时变形不超过0.01 mm时视被测定试样达到稳定。

2 结果分析

2.1 侧限压缩试验结果分析

对不同含水率试样试验结果处理后得到各含水率试样在不同荷载下的土空隙比与有效压力对数值关系(e-lgp)曲线如图4所示。

图4 不同含水率试样压缩e-lgp曲线

分析试验结果可知，随着试样含水率的增加，其对应的e-lgp曲线呈依次降低的趋势。当试样含水率为5%、10%和15%时对比e-lgp曲线，可以看出3条曲线每次降低的程度都比较接近；然而当含水率超过15%时，可以看到含水率为15%与20%试样间的e-lgp曲线间具有较大的空隙，这说明当试样含水率超过15%时其结构发生了较大变形，强度快速降低，因而压缩量增大。单独分析各含水率试样的e-lgp曲线，发现试样的孔隙比随着竖向荷载的增大而减小，并且存在明显的结构屈服应力。对比不同含水率的e-lgp曲线可知每条曲线都存在结构屈服应力，尤其是含水率低于15%时结构屈服应力更加明显。当上覆压应力低于结构屈服应力时，结构性土压缩曲线较为平缓；当上覆压应力大于结构屈服应力时压缩性显著增大，曲线出现陡降；根据二元介质模型理论，构性土二元介质模型将胶结元看成理想弹脆性材料，摩擦元看成硬化型弹塑性材料。并联的弹脆性元和弹塑性元代表二元介质模型，加载过程中胶结元逐渐破损转化为摩擦元，二者共同承担外部荷载。弹脆性元在较小的竖向荷载条件下发挥作用，随着竖向荷载增大，结构性土颗粒之间的胶结逐渐破损，弹脆性元也就逐渐破损并转化为弹塑性元[12-14]。

图5 各含水率双对数坐标下结构性土的侧限压缩曲线

含水率/%510152025σ'vy/kPa9984674940

2.2 侧限压缩结果拟合

(1)

(2)

式中Δe为同一平均有效应力p′下结构性土和重塑土的孔隙比之差；eEP为参照状态弹塑性元的孔隙比。

(3)

式中B为材料参数。

(4)

对式(3)两边取对数后将式(4)代入便可以求出B值。为降低误差，在数据拟合时对压缩曲线靠近D点处取多个点，对计算出来的B值取平均得到如下关系式：

(5)

对于侧限压缩受力状态，近似取平均有效应力p′为竖向有效应力σ′，在室内完成压缩试验可以直接得到eEP。

图6 原始状态试样试验结果和模拟结果

(6)

对黑方台原状结构性黄土的侧限压缩试验进行验证，将黑方台原状土碾碎后制成环刀重塑样，通过式(5)算出试样在原始状态(含水率为5%)时的B值为0.011 3。图6为原始含水率试样模拟结果。

可以看出，该模型较好地拟合出了天然含水率时黑方台原状黄土的压缩变形。由于原状黄土的结构性对其压缩性有着重要的影响，因而在工程实践当中也是地基沉降非常重要的影响因素，本文通过试验获得相关模型参数，得到了较好的试验拟合结果，对于结构性黄土的沉降计算具有一定的理论意义。

3 结 论

(1)对比不同含水率试样在e-lgp曲线，可以看到

试样含水率为15%与试样含水率为20%对应的e-lgp曲线间具有较大空隙，说明含水率为15%～20%是试样结构发生较大变形的临界值，超过这个值后其结构会发生较大变形，强度快速降低，使得压缩量增大。

(2)分析各含水率对应的e-lgp曲线可知，每条曲线都存在结构屈服应力，尤其是含水率低于15%时结构屈服应力更加明显。但随着含水率增高，其结构屈服应力值会不断降低。当上覆压应力低于结构屈服应力时，试样压缩曲线较为平缓；当上覆压应力大于结构屈服应力时压缩性显著增强，曲线出现陡降。

(3)本文参考聂青等人[18]提出的结构性土压缩特性数学模型将黑方台原状黄土压缩试验结果进行了拟合分析，确定了天然状态下黑方台原状黄土的材料参数B值，得到了较好的拟合结果。由于原状黄土的结构性对其压缩性有着重要的影响，因而该方法对于结构性黄土的承载力及沉降计算具有一定的理论意义。

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