结构性对黄土抗剪强度的影响研究——以国道G310三门峡段为例

赵金玓，高宇甲，霍继炜，韩明涛，姜 彤，张俊然， 朱云江

(1.华北水利水电大学 地球科学与工程学院， 河南 郑州 450045；2.中建七局第四建筑有限公司， 陕西 西安 710000)

黄土因其特定的生成环境和存在的历史环境而形成明显的垂直节理和大孔结构，具有特殊的湿陷性。黄土结构性会在受压、吸湿条件下减弱直至破坏，从而引起沉降变形[1-2]，而抗剪强度是计算建筑物路基承载力、边坡稳定性的重要参数[3-4]。非饱和原状黄土大多自身疏松、易碎散、整体性低，现场取样与运输成本相对较高，同时在进行室内试验时，较难成功制出完整的原状黄土试样，因此现有的非饱和土分析大都倾向于重塑黄土。但重塑土的结构状态、力学特性等方面与原状土均存在差异[5-6]，而揭示结构性对土体力学行为的影响及二者间的内在联系是研究土体结构性的根本目的。因此，探究结构性对具有相同含水率与干密度的原状黄土与重塑黄土抗剪强度的影响，具有重要的工程意义。

目前针对不同地区原状黄土和重塑黄土抗剪强度的研究主要如下：潘明[7]对山西碧桂园边坡工程施工现场的黄土进行直剪试验，指出原状黄土的剪应力-剪切位移关系曲线出现了较明显的峰值点，其曲线属于应变软化型；张新婷[8]对陕西径阳L5地层的黄土进行了常规三轴CD试验，指出原状黄土的峰值强度在不同含水率不同围压下，整体基本高于或等于重塑黄土；王力等[9]对不同黏粒含量的黄土试样进行了直剪试验，指出随黏粒含量的增长，黏聚力呈增大趋势；张立新等[10]基于非饱和土三轴试验，指出重塑黄土的偏应力和硬化程度随干密度的增大而逐渐增大；Zhang等[11]通过三轴试验发现原状黄土均表现为应变硬化，而干密度较大的非饱和重塑黄土会发生脆性破坏。

微观结构是解释黄土工程性质的重要手段。土体的结构性是指土中颗粒或颗粒集合体及颗粒间的孔隙排列组合联结形成的空间结构体系，其实质是土体物理状态的显示，受到土体颗粒、骨架排列、土间孔隙、微缝裂隙以及化学物质的影响。原状黄土的骨架由固体颗粒和集合团粒组成，孔隙分布在骨架间与团粒间，具有一定的结构性和特殊的湿陷性[12]，而结构性黄土的变形与结构强度的破坏有直接的关系[13]。在土体微观试验方面，范军立[14]对湿陷性黄土微观结构研究现状进行了分析与总结。穆青翼等[15]指出原状黄土的黏土颗粒胶结是导致具有较大抵抗加载变形能力的主要原因；禇峰等[16-17]研究了黄土在侧限压缩、三轴剪切条件下的结构损伤特性。方祥位等[18]借助扫描电镜分析黄土微观结构在浸湿条件下的变化，并在黄土本构模型中引入微观结构参数。蒋明镜[19]建立软硬复合胶结模型，在试验和理论方面进一步分析黄土的宏微观关联。

国道G310三门峡西至豫陕界段南移新建工程位于三门峡灵宝市，施工路段包含桥梁、路基、隧道工程。路基在高填方与深挖方的过程中，黄土的抗剪强度会发生改变，从而可能引起不均匀沉降；黄土隧道难以形成自然拱，自稳能力差，易发生突然塌方。土体强度对工程建设起着关键性的作用，而结构性与力学性质密不可分。为此，选取国道G310三门峡西至陕西段三个场地的黄土作为代表性试验土样，取样地点分别为：函谷关隧道西出口230 m处、东进口530 m处和国道G310灵宝至陕西段高填方路基段东上村桥改路处。对具有相同含水率和干密度的原状黄土和重塑黄土进行一系列直剪试验和扫描电镜试验，对比分析了原状黄土与重塑黄土在抗剪强度和微观结构的差异及其机理。

1 土样基本物理性质指标

为方便记录，将试验所取三个场地的土样进行编号，其中西出口和东进口为函谷关隧道黄土，分别标记为A、C；东上村桥为高填方路基黄土，标记为B。具体编号及液塑限参数如表1所示。

图1为三个场地黄土的粒径级配曲线。A场地黄土的Ip满足9≤Ip<14，属于粉质黄土；B、C两种场地黄土的Ip均满足6≤Ip<9，属于粉质砂黄土。同时，从表2中可以看出，A、B、C三种场地试验黄土的黏粒含量依次减少。三种场地试验黄土的含水率、干密度、湿陷系数等参数见表3。从表中得出，B场地路基黄土湿陷性严重，需要进一步改善，A、C场地隧道黄土无湿陷性，满足工程条件。

表2 试验黄土粒径分配参数

图1 试验黄土的粒径级配曲线

表3 试验黄土含水率与干密度及湿陷性参数

2 试验设计

2.1 原状与重塑黄土的抗剪强度试验

对三个不同场地所选取的原状黄土样均采用环刀(直径61.8 mm，高20 mm)制取试样4，分别在100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的垂直压力下，施加水平剪切力进行剪切，以每分钟4转的均匀速度旋转手轮，使试样在3 min～5 min内剪坏。为统一处理数据，本次实验均记录至剪切变形达到7 mm。之后调配与原状土的含水率和干密度相同的重塑土，进行同样的快速直剪试验。

绘制三种场地原状黄土与重塑黄土的剪应力-剪切位移关系曲线，若存在峰值，则选取曲线上的峰值点作为抗剪强度S，如无明显峰值点，则取稳定值或剪切位移Δl等于4 mm对应的剪应力作为抗剪强度S，按照此原则选取合适的试验数据，根据土体的莫尔-库仑破坏准则确定土的抗剪强度参数，进而对比原状黄土与重塑黄土黏聚力与摩擦角的大小。

2.2 试验结果

2.2.1 剪应力与剪切位移曲线

如图2所示，A场地原状黄土在垂直压力为100 kPa、200 kPa、300 kPa时出现了峰值强度；B场地黄土在垂直压力为100 kPa、200 kPa时出现了峰值强度，C场地黄土在垂直压力为100 kPa时出现了峰值强度，表明黄土在原状条件下，随着垂直压力的增大，应力-位移曲线出现峰值的现象逐渐不明显，即应变软化逐渐减弱。在垂直压力较大的情况下，三种场地黄土的剪应力-剪切位移关系曲线并未出现峰值强度，剪应力随剪切位移的增大，前期呈增大趋势，后期逐渐稳定，出现应变硬化现象。三种场地重塑黄土在不同垂直压力下剪应力-剪切位移关系曲线均未出现峰值强度，成曲线性状，应力应变关系总体呈现应变硬化型。

黄土的结构性问题主要从颗粒的联结与排列两方面入手。在结构联结没有遭到破坏以前，它和颗粒联结的特性与稳定性有关，称之为结构可稳性；在结构联结遭到破坏以后，它和颗粒的排列特性与均匀性有关，称之为结构可变性。土体受荷载作用后，前期由可稳性起作用。随着荷载的逐步增长，初始结构遭到破坏，可稳性丧失；后期由可变性起作用，形成和发展了次生结构。可稳性与可变性相互组合的强弱不同，土的应力应变关系类型也随之改变。原状黄土的结构可稳性较大，而可变性较小，因此在受荷过程中表现为应变软化；重塑黄土的结构可变性较大，而可稳性较小，在受荷过程中表现为应变硬化。随垂直压力的不断增大，原状黄土的可稳性丧失，土颗粒间的结构强度遭到破坏，其应变软化现象逐渐减弱。

2.2.2 抗剪强度指标

如图3所示，三种场地土样在不同垂直压力下，原状土的剪应力均大于重塑土的剪应力。根据库仑定律计算抗剪强度得表4。

表4 试验黄土抗剪强度参数

从表4中看出，原状土黏聚力和内摩擦角的值均大于重塑土。这是由于黄土的骨架结构的构成主体为粗粉粒，颗粒之间接触处的可溶盐起着胶结的作用，增加了接触点处的胶结强度，使得原状黄土具有较强的结构强度。在相同含水率和干密度下，原状黄土内部结构稳定，并没有发生破坏，具有原生结构，而重塑黄土结构松散，已经发生破坏，不具有原状黄土在长期沉积过程中所形成的颗粒间化学胶结物、孔隙的形状以及分布特征、颗粒的空间状态。这与韦锋等[20]的结果一致。

纵向对比表4数据发现，黏粒含量高的黄土抗剪强度比黏粒含量低的抗剪强度大。这是因为黏聚力的产生主要是土体骨架颗粒与周围黏粒共同作用的结果。黏粒含量降低，黏粒间的胶结作用减小，土体的黏聚力随之降低。

图2 原状与重塑黄土在不同垂直压力下的应力-位移曲线

3 原状与重塑黄土的扫描电镜试验

3.1 试验设计

选取高填方路基东上村桥为代表场地，分别使用原状黄土和相同含水率、干密度的重塑黄土制作观察样，进行扫描电镜试验。

扫描电镜试验前需要处理试样，利用液氮以及D-1型冷冻干燥机对土样进行脱湿。先利用液氮将试样冷凝，之后将液氮处理过的试样放到FD-1型冷冻干燥机里面进行干燥，随后进行试样的制备。先切除毛坯样品，然后对四周进行环切处理，制取自然结构面，最终将试样切成大小合适的观察样，并做好标记。之后进行抛光，按照顺序依次放入镀膜设备进行喷金处理，以消除在电镜扫描过程中电子轰击样品所产生的放电现象对试验的影响。

将镀膜完成后的样品依次放入样品室内进行微观结构图像扫描，对每个样品分别选取不同位置进行观察拍摄，结合出图情况，选择各样品中所选位置的同一区域进行放大2 000倍、5 000倍的观察拍摄记录，再从中择优选取图片进行微观定性分析处理。

图3 试验黄土剪应力与垂直压力关系曲线

3.2 试验结果

图4、图5分别为扫描电镜放大2 000倍、5 000倍下土样的微观图片，左侧图片为原状土样，右侧图片为相同干密度1.33 g/cm3以及含水率5.1%条件下的重塑土样。2 000倍下，原状黄土颗粒轮廓局部清晰，表面附着黏粒物质；骨架颗粒间的支架大孔极为发育；骨架颗粒表面和接触处多粘附有能够起到胶结作用的细粒胶结物；重塑黄土骨架颗粒清晰，以镶嵌排列为主，次为支架排列；镶嵌微孔较为明显，支架大孔次之；大量的细粒胶结物包埋骨架颗粒。5 000倍下，原状土以团块间支架大孔为主，次为镶嵌微孔发育；细粒胶结物黏附在骨架表面，或构成团块，呈片状分布。重塑土多为颗粒间的小孔隙，骨架颗粒表面粘附的胶结物同样呈片状。

左右两侧图片对比可知，左侧图片的原状黄土颗粒完整，颗粒形态明显，骨架间孔隙发育，土体内颗粒之间的胶结状态完好，结构性特征显著。右侧图片的重塑黄土骨架结构处于密实的颗粒堆叠状态，支架孔隙减少，土样内部颗粒之间的胶结状态遭受到破坏。这表明压实作用使得重塑黄土的土体颗粒发生移动，其骨架排列、孔隙分布、胶结特征、结构类型均发生了改变，不具备原状黄土的原生结构，这与重塑黄土的抗剪强度低于原状黄土的抗剪强度的宏观力学表现相吻合。

图4 SEM(x2000)图像

图5 SEM(x5000)图像

4 结 论

(1) 国道G310三门峡西至豫陕界段南移地区三个场地的黄土所属分类不同：A场地隧道黄土为粉质黄土，无湿陷性；B场地路基黄土为粉质砂黄土，湿陷性严重；C场地隧道黄土为粉质砂黄土，无湿陷性。

(2) 剪切过程中，原状黄土的应力-位移曲线呈应变软化型而重塑黄土的应力-位移曲线呈应变硬化型。原状黄土的应变软化现象随垂直压力的增大而逐渐减弱。

(3) 原状黄土的抗剪强度高于重塑黄土。三种场地原状黄土和重塑黄土的抗剪强度均随黏粒含量降低而减小。

(4) 原状黄土的骨架清晰，以团块为主，大孔隙较为发育，土体内颗粒之间的胶结状态完好；重塑黄土多为镶嵌微孔，内部颗粒之间的胶结状态遭受到破坏，细粒胶结物包埋骨架颗粒。这样的结构差异决定了原状黄土的抗剪强度比重塑黄土的抗剪强度高。