太原东山地区含水量对湿陷性黄土抗剪强度试验的研究

杨菲菲

（山西机械化建设集团有限公司，山西 太原 030009）

太原东山地区普遍存在湿陷性黄土，其抗剪强度指标受含水量影响很大。在基坑支护设计和边坡支护工程设计中必须使用抗剪强度中粘聚力和内摩擦角这两个参数进行基坑稳定性验算，粘聚力和内摩擦角的取值与研究对基坑支护和边坡支护工程设计的安全和成本节约起到了决定性作用。目前，关于湿陷性抗剪强度随含水量变化规律的系统研究资料并不是很多，因此进行必要系统的研究具有现实意义及广泛的应用前景。

1 场地地质情况

太原东山地区属于黄土丘陵，山坡与山间谷地被黄土层覆盖，形成台地、洪积盆地、冲沟等多种地貌。本区域湿陷性黄土一般都覆盖在下卧的非湿陷性黄土层上，其湿陷层厚度约为5m～16m，大部分厚度介于10m～14m之间，其湿陷程度介于轻微到中等之间。该地区湿陷性黄土属Q4黄土，是晚更新世末以后形成的黄土，土质疏松，有大孔隙，承载力较低，具有较强湿陷性，烘干法测得土样天然含水量为17.5%-23.6%，天然干密度为1.43-1.55g/cm。

2 项目研究内容

1）不同含水量状态下原状黄土试样的制作与准备。2）通过对原状黄土土样进行直接剪切试验，探讨不同含水量对土的抗剪强度影响，探讨其规律的可行性。3）结合系统分析，提出湿陷性黄土抗剪强度的变化规律。

3 试验方案

3.1 取样与试样制备

取样：在东山地区选定一个试验区，首先进行探井取样，探井深度根据湿陷性土层厚度确定，并在每米采取原状土样（土样尺寸大小必须满足试验需要，保证可以加工5～6个环刀样），取得后及时运回试验室进行含水量和抗剪强度试验，未使用的土样进行封装保存。

3.2 试样准备

将野外取回的原状土样进行称量、风干碾压、过筛后分别计算出含水量。由土工试验室对现场所取土样进行增湿处理，获得不同含水量试样，具体方法如下：1）采用加水的方式改变所取试样的含水量，制备出6个含水量不同的试样。2）用直剪法对这6个土样进行剪切试验，得出抗剪强度，总结出含水量与抗剪强度之间的关系。

3.3 室内直剪试验

所用仪器为四联直剪仪，通过弹性钢环变形控制剪切位移速率。试验前应检查直剪仪竖横向传力杠情况，检查销钉和螺丝的运转情况以及百分表的灵敏度，同时检查弹性钢环两端是否与剪切容器和端承支点接紧。

检查完后，对试样进行安装。对准上下盒，插入定销，放一块透水石，并在其上放一张滤纸，对准剪切盒口，将黄土试样慢慢地推入盒内。试样装好后加载固结，每组试验有4个试样，在不同的垂直压力（0.1，0.2，0.3，0.4MPa）下固结，以0.8～1.2mm/min的速率剪切，使试样在3～5 min内获得每级荷载下的垂直最大剪切力。试验结束后，关闭电源，卸掉所加荷载，取出试样，测定剪切试验后的试样含水率。

4 试验结果

黄土抗剪强度是土抵抗剪切的极限能力，当受到剪切力时，土体中相应各点都将产生剪应力，当剪应力达到该剪切面所能承受的最大剪应力时，剪切面两侧的土体将发生相对位移而造成滑移，随着剪切力的增加，土体沿着滑动面产生的破坏丧失土体稳定性，这种现象可以通过直剪试验来体现。

影响抗剪强度的两个指标，即粘聚力c与内摩擦角，可通过直接剪切试验得出含水量与这两个指标的相互关系。

试验采用原状土样在剪切仪器上进行，试样底面积30cm2，高度20mm。剪切试验过程中，主要研究含水量、时间与抗剪强度规律，配制不同的含水量为15%，18%，21%，24%，27%，其中含水量为24%和27%的试样应多制备几组，在0.1，0.2，0.3，0.4MPa垂直压力下进行试验，试验结果如下：

初始含水量ω1=15%ω2=18%ω3=21%ω4=24%ω4=27% 变化规律粘聚力C/kPa 29.5413.957.997.03 6.23 一直减小内摩擦角Φ 29.525.826.323.623.8先减后增，总 体 趋 势下降

1）含水量与粘聚力间的关系曲线

从上述图表中可以看到，在含水量增大时，粘聚力呈降低趋势。含水量由15%增大至21%时，粘聚力变化较大，即降低幅度达72.95%；而含水量从21%增大到27%时，粘聚力变化不明显，即降低幅度较小。当含水量从15%增大至27%时，试样的粘聚力趋于零。

2）含水量与内摩擦角间的关系曲线

从上述图表中我们可以看到：内摩檫角随着含水量增大总体呈降低趋势。含水量由15%增大至27%时，内摩擦角变化幅度小于粘聚力，说明含水量变化对内摩擦角影响不大。

5 结果分析

通过对以上试验数据的分析，我们可以看出含水量对粘聚力和内摩擦力都会造成影响。随着含水量的增加，粘聚力逐渐减小，而内摩擦角随含水量的变化很小，且内摩擦角的变化与含水量之间没有一个很明显的变化规律。同时从图中我们也看到当含水量超过一定值时，含水量与粘聚力之间的变化就不在明显，说明黄土的塑限附近是影响黄土强度指标的关键因素。含水量增加使得土颗粒孔隙水增多，从而土颗粒间分子粘结强度减弱，促使土体粘聚力和内摩檫角下降。但由于其与水作用方式存在差异，导致粘聚力及内摩檫角下降的规律不相同。

以上研究的重点在于通过对东山地区湿陷性黄土在不同含水量下进行抗剪强度试验，总结出内摩擦角和粘聚力与含水量之间的变化规律，为我们今后该地区基坑支护设计和边坡支护设计提供比较合理的参数选取经验。但本文研究的难点在于通过试验得出的规律是否具有普遍的规律性，从而能应用到更多的工程实例中。

6 结语

湿陷性黄土是一种特殊的土质，它会对我们的生活造成很严重的影响，当前加强对湿陷性黄土的研究也越来越重要。所以需要我们继续进行湿陷性黄土试验研究，总结规律，从而能够为我们节约成本，提高经济效益。