非饱和重塑黄土的力学特性研究

【摘要】非饱和黄土的强度特性比一般的粘性土更为复杂，其强度是黄土抗剪能力的量度，同时也是黄土边坡工程、地基工程和洞室工程设计计算的重要参数。文中以陕西杨凌地区的黄土为对象，通过三轴不固结不排水实验研究不同围压、不同干密度对非饱和重塑黄土强度特性的影响。依据实验所得的数据，确定每组土样的强度指标c、φ 值，找出土样的抗剪强度随干密度的变化规律。

【关键词】非饱和黄土；常规三轴试验；含水率；干密度

1、研究背景和意义

黄土在我国分布较广，主要分布在黄河流域，是一种区域性特殊土，分布面积大约占国土面积的6.6%。黄土是一种特殊的第四纪陆相松散堆积物，覆盖了我国西北、华北等地区64万km2的疆土。位于西北地区的杨凌黄土，在干旱、半干旱及地下水深埋条件下，通常处于非饱和状态。

近几年来，包括国内外许多学者已经在非饱和土理论研究方面取得了比较大的进展。从黄土的主要工程力学性质：渗透性、动力特性、压缩变形特性和黄土剪切强度特性等方面做了大量研究，取得了一定的成果。但是，正如沈珠江院士指出的“非饱和土力学的发展已经到了从量的积累到质的飞跃的关键时刻”。非饱和土理论的不断发展为解决非饱和黄土的工程问题也开辟了一条新的途径。目前，关于非饱和土的强度理论与本构模型是研究非饱和土力学的难点，至今对黄土动力特性研究的主题仍然是土的动力学的三大基本课题，即为黄土的震陷与动变形，黄土的动强度与液化和黄土的动应力-应变关系（含动力特性参数）问题。

2、研究思路及内容

采用常规三轴剪切试验，对陕西省杨凌区黄土采用不固结不排水方法（UU）进行抗剪强度的研究。分别控制重塑黄土的含水率和干密度ρd，研究其抗剪强度的变化规律。初步拟定土样含水率为13%，干密度ρd为1.3g/cm3、1.4 g/cm3、1.5 g/cm3、1.6 g/cm3的土样。共4组，每组3个土样，每组土样施加的围压为100kPa、200kPa、300kPa，剪切速率为0.18mm/min。

根据实验所得的数据，得出每个土样的应力-应变曲线和摩尔圆，并得出每组土样的c、φ值，找出土样的抗剪强度与干密度ρd的变化规律。

3、研究方案与方法

3.1土样基本物理性质指标

试验用黄土土样取自陕西杨凌大道某建筑场地，属于渭河二级阶地。取土场地的地形比较平坦，取土深度为4m左右。所取土料特征为：黄褐色，较湿润，结构致密，土质均匀。根据《土工试验规程（SL237-1999）》的要求，采用联合液塑限仪、轻型击实等方法进行了相关物理性质指标的测定，结果如下。试验用土的基本物理性质指标见表1。

为了保持非饱和黄土土样的试验含水量的稳定和均匀，每组试样制备好后，用保鲜膜密封后放入养护缸中养护24h后再进行试验。

3.2试验方法

本次试验采用应变控制式三轴仪，采用不固结不排水快剪法（UU），剪切速率0.18mm/min，每个土样剪切历时67～80min。本次试验所用应变控制式三轴仪由压力室、施加周围压力系统、轴向加压设备、体积变化和孔隙压力测量系统等系统组成。可用于测量土的抗剪强度、应力-应变关系及体变等。

4、试验结果与结论

4.1试验结果

通过进行不固结不排水的常规三轴试验，并记录相关数据，整理得到非饱和重塑黄土三轴剪切试验成果如下：

干密度对应力应变的影响

非饱和重塑黄土的应力-应变关系曲线基本上符合双曲线模型。但当其应变在 1.5%～3%以前时，应力随着应变的增加并不符合双曲线模型，这是由于在应变较小时，随着土体的应力增大，土体的应变以弹性变形为主，这与非饱和土的理论相吻合。图 1～图 4 为相同含水率（w=13%），不同干密度条件下的应力-应变关系曲线。

（2）干密度对强度指标的影响

根据有效应力原理以及大量的试验证明：同一试样，不论做任何固结度的不排水剪切试验，其总应力强度线不同，但有效应力强度线是唯一的，也就是说，有效应力强度指标是一定值。

按照三轴剪切试验数据绘制在不同围压条件下的摩尔应力圆，从而可得出不同初始条件下试验土样的 c、φ值，其具体数值见表2

表2可以看出，在保持含水率不变时，随干密度的增大，粘聚力c呈明显的增大趋势，其增大的幅度也逐渐增大。在相同含水率的条件下，随着干密度ρd的增加，内摩擦角 φ 也呈增大趋势，但其增大的幅度很小，且内摩擦角 φ 与干密度的关系不是简单的线性或者曲线关系。

4.2.主要结论

本次试验取得的主要研究成果如下：

（1）在相同含水率和施加相同围压的条件下，应力-应变曲线的变化受干密度ρd的影响较大。随着干密度ρd的不断增加，试验土样的应力-应变曲线由强硬化型逐渐向强软化型变化。当ρd≤1.4g/cm3时，为强硬化型，試样破坏类型为鼓状破坏；当1.4g/cm3≤ρd≤1.6g/cm3时，为弱软化型，试样破坏的时候有细小斜裂缝产生；当ρd≥1.6g/cm3时，为强软化型，试样破坏时斜向裂开，出现明显的剪切带。

（2）含水率w相同时，随干密度ρd的增加，重塑黄土样的应力—应变曲线由硬化型向软化型转变，随围压的增大，应变硬化和剪缩现象更为明显。

参考文献：

[1]GB50025-2004 湿陷性黄土地区建筑规范[S].

[2]孙建中等.黄土学[M].西安：西安地图出版社，2012.9：235～235.

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作者简介：张宏 女 1975年8月生，陕西丹凤人，硕士研究生，副教授，从事水利水电工程的教学与研究工作。