Q2重塑黄土强度与变形特性的试验研究

符金娥，庄立普，徐晓东，张雪云，李 青

(1．中兰铁路客运专线有限公司，甘肃 兰州 730000；2．甘肃土木工程科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000)

黄土是在干燥气候条件下所形成的区域性特殊土，在我国西北和华北等地区广泛分布。大多数的黄土都属于非饱和黄土，基质吸力是有别于饱和土和非饱和土的特殊存在，由于基质吸力的影响，非饱和土的力学特性与饱和土之间有较大的区别。但目前仍然有很多的工程设计与研究都是按照饱和土的规范、理论公式进行计算的，显然不符合实际情况。

近年来，国内及国外有很多岩土方面的专家对非饱和土进行了一些研究，尤其在力学特性方面取得了一定成果[1-13]。陈正汉等[1-2]为了研究重塑非饱和黄土的强度、变形、屈服和水量变化特性，采用自行研制的非饱和土三轴仪进行了多种应力路径的非饱和土三轴试验，根据试验结果及理论分析建立了非饱和土的非线性本构模型。杨校辉等[6-7]针对土石混合料高填方工程分析计算参数和模型确定难题，进行了大量的固结排水剪切试验，建立了非饱和压实土抗剪强度、切线变形模量和切线体积模量修正算法表达式。巴亚东等[8]通过三轴试验对饱和状态的原状黄土和非饱和状态的原状黄土进行了研究，得出吸力和净围压对非饱和黄土的影响，并用黄海等[9]、胡冉等[10]和方祥位等[11]提出的土水特征曲线模型分析剪切过程中排水规律。陈正汉等[12]对非饱和黄土及其他特殊土的力学性质以及相应的工程应用进行了全方位和系统的归纳总结，内容包括仪器研发、基本特性、理论模型和工程应用。石建刚等[13]开展了非饱和重塑黄土在不同固结净应力及中轴应力条件下的真三轴试验。张孟喜等[14]为了研究卸载后扰动黄土的强度、变形及屈服特性，做了一系列卸载条件下不同应力路径的相关试验研究。韦雅之等[15]为了研究吸力和净围压对非饱和原状Q3黄土及其重塑Q3黄土的强度特性的影响机制，进行了非饱和三轴剪切试验，并通过微细观扫描以揭示两者结构差异对强度特性的影响机制。试验结果表明支架大孔隙结构没有为原状土提供更大的变形空间，而良好的胶结作用和结构性保证了原状黄土具备较高的强度特征。郭楠等[16]为了探讨K0预固结对土的强度及变形特性的影响，用改进的非饱和土三轴仪对重塑Q3黄土做了两组共36个试验。

但是，上述文献大多是针对Q3黄土的强度及变形特性进行的研究，由于Q2黄土性质较为特殊，目前对其展开的研究相对较少，且并不系统。本文用改进的非饱和土三轴仪进行了控制基质吸力(下文简称吸力)和净围压的三轴固结排水剪切试验，对Q2重塑黄土的强度与变形特性进行了研究，对后期西北地区工程建设中地基的强度与变形分析可提供一定的理论指导。

1 研究方法

1.1 试验设备与土样

试验设备采用由常规三轴仪改装而成的非饱和土三轴仪(见图1)，其构造参见文献[17]。

图1 改装的非饱和土三轴仪

试验用土取自中兰客专某工地现场，为Q2重塑黄土，土体的基本物理性质如表1所示。

表1 土样的基本物理指标

为分析不利工况下地基土体强度与变形特性，对相关工程问题进行处理，先将土碾碎过 2 mm 筛，然后按照18.0%的设计含水率分层喷水预湿土样，待土样预湿均匀(一般需要 48 h)后，根据设计干密度计算出所需湿土质量，用专门的制样模具将湿土均匀分五份压实，每层高度用套在试样模活塞上的钢环控制，试样的直径和高度分别为39.1 mm和80.0 mm。施工现场根据不同的地质情况及要求，本文试样所取压实度为Q2黄土区域内某一填方段的压实度，该填方段Q2黄土干密度控制为1.52 g/cm3(对应压实度为79%)，初始含水率控制为18.0%。不同含水量状态下地基土强度和变形特性可依据下文修正公式获得。

1.2 试验方案

本文共做了3组吸力(50 kPa、100 kPa、200 kPa)、3个不同净围压(100 kPa、200 kPa、300 kPa)的三轴固结排水剪切试验，共9个试样。在试验结果的分析过程中，将吸力和净围压分别用s=(ua-uw)和(σ3-ua)表示，其中σ3是总围压，ua和uw分别为孔隙气压力和孔隙水压力。试验开始前，为了尽量消除仪器误差，对非饱和土三轴仪进行了两次标定，两次标定结果相差不大，故取其平均值。在进行数据整理及分析时，根据标定结果去除仪器本身的体变量。本试验可分为固结和排水两个阶段，固结稳定的标准为两小时内体变和排水均小于0.01 mL，固结历时40 h以上；固结稳定后对试样进行剪切，剪切速率选用0.006 6 mm/min，剪切至轴应变达15%约需 30 h；每个试验共持续70 h左右。

2 试验结果分析

2.1 应力-应变性状分析

研究土体的强度与屈服特性，需首先搞清楚其应力-应变关系。干密度为1.52 g/cm3的Q2重塑黄土试样在控制吸力和净围压为常数条件下的三轴固结排水剪切试验的应力-应变曲线如图2所示。分析图2可以看出，三种吸力下试样的偏应力-轴向应变曲线均呈应变硬化型，故取试样剪切过程中轴向应变达到15%时所对应的应力为该试样的破坏应力，分析计算得出各试样破坏应力列于表2。相同吸力下，随着净围压增大，试样的偏应力越来越大，相同净围压下，随着吸力的增大，试样的偏应力也逐渐增大，说明吸力对土样强度有着重要的影响。不同应力状态下，剪切初期试样的偏应力随轴向应变的增加变化较大，而后应力随应变的变化逐渐减小。试样剪切初期，轴向应变较小，偏应力-轴应变关系曲线有轻微的交叉现象，如吸力为50 kPa的试样，轴向应变小于1%时，净围压100 kPa和200 kPa的两个试样的偏应力-轴向应变曲线有明显的交叉现象。吸力为100 kPa的试样，轴向应变小于1.5%时，净围压100 kPa、200 kPa、300 kPa的三个试样的偏应力-轴向应变曲线均存在交叉现象，说明Q2重塑黄土也存在一定的结构性。

图2 试验的轴向应变-偏应力关系曲线

图3是试样的体应变-轴向应变关系曲线。分析图3可以看出，其他条件相同，在不同的吸力及净围压下，试样的体应变-轴向应变关系曲线没有明显的规律性，但总体呈增大的趋势，试验过程中，试样几乎一直处于剪缩状态。吸力为200 kPa的试样在剪切的初始阶段有轻微的剪胀现象，但并不明显。吸力为200 kPa，净围压为100 kPa、200 kPa的两个试样，轴向应变达到14%之前体应变几乎重合，轴向应变超过14%之后，净围压为100 kPa的试样体应变急剧增大，净围压为200 kPa的试样则反之。吸力为50 kPa、100 kPa的各试样均处于剪缩状态，但试样的体应变并未随着净围压的变化呈现规律性变化，各曲线交叉现象较明显，这与Q3重塑黄土有所不同[15-16]，Q3重塑黄土的体应变-轴向应变关系曲线一般情况下变化较为规律。净围压为100 kPa、200 kPa的试样，吸力越大，试样的体应变越小，这是由于随着吸力的增大，试样内部孔隙水排出，在偏应力及净围压的作用下试样体积逐渐缩小。净围压为300 kPa的试样，无此规律。

图3 试验的轴向应变-体应变关系曲线

2.2 Q2重塑黄土的强度和变形参数

针对不同的破坏形式选用相应的破坏标准，本文9个试样均属于塑性破坏，故取试样剪切过程中轴向应变达到15%时所对应的应力为该试样的破坏应力。根据对试样轴向应变-偏应力曲线的分析计算，得到各试样的破坏应力(qf,pf)，列于表2，并在p-q平面内作出强度包线如图4。由图4可以看出吸力相同时，各试样的试验点几乎落在同一直线上，且三条直线几乎平行，即三条直线的斜率近似相等，可用下式表达：

qf=ξ+pftanω

(1)

式中: tanω和ξ分别为直线的斜率和截距。土体的有效内摩擦角φ′可用下式求得：

(2)

表2 土样的强度参数

图4 p-q平面内的强度包线

根据ξ及有效内摩擦角φ′可求出有效黏聚力c：

(3)

将所求的tanω、φ′及c均列于表2。由表2可知，同一吸力下，试样的净围压越大，破坏应力(qf,pf)就越大。当净围压相同时，随着吸力增大，试样的破坏应力(qf,pf)、有效黏聚力、有效内摩擦角均在增大。但当吸力值不同时，试样的有效内摩擦角φ′随吸力增加有逐渐增大的趋势，但并不明显，可忽略不计。作出有效黏聚力c与吸力s之间的关系曲线，如图5所示。从图5可以看出黏聚力随基质吸力的增加呈线性增长，用线性拟合，可得出直线的斜率和截距。其中，直线所对应的倾角即为抗剪强度随基质吸力增加的速率φb。用最小二乘法计算得到φb=14.3°。

τf=c+(σ-ua)ftanφ

(4)

c=c′+(ua-uw)ftanφb

(5)

式中: (σ-ua)f是破坏面上的净法向应力；(ua-uw)f是破坏面上的吸力；τf是土体的抗剪强度。

图5 c-s关系曲线

定义土的初始切线变形模量Ei为：

(6)

式中:Pa是大气压；k、n为土性参数，分别代表固结排水剪切试验的log(Ei/Pa)与log((σ3-ua)/Pa)的直线关系的截距和斜率。对非饱和土，可参照文献[2]绘出log(Ei/Pa)与log((σ3-ua)/Pa)的关系曲线(见图6)，将Ei、k、n分别列于表3。

定义土的切线变形模量Ei为：

(7)

式中：Rf=(σ1-σ3)f/(σ1-σ3)ult为破坏比；L=(σ1-σ3)/(σ1-σ3)f为应力水平。将求得的相关变形参数列于表3。

分析表3可知，相同净围压下，初始切线变形模量Ei、参数k均随着吸力的增加而增大。但是参数n随着吸力的增加变化不大。

图6 起始切线杨氏模量Ei随净围压的变化

表3 土样的变形参数

3 结 论

(1) 根据试验得出的应力-应变关系曲线，可以看出相同吸力下，随着净围压增大，试样的偏应力越来越大，相同净围压下，随着吸力的增大，试样的偏应力也逐渐增大。不同应力状态下，剪切初期试样的偏应力随轴向应变的增加变化较大，而后应力随应变的变化逐渐减小。当轴向应变较小时，试样的偏应力-轴向应变关系曲线有轻微的交叉现象，说明重塑Q2黄土也存在一定的结构性。

(2) 吸力为200 kPa时试样在剪切初始阶段有轻微的剪胀现象，但并不明显。吸力为50 kPa、100 kPa的各试样均处于剪缩状态，但试样的体应变并未随着净围压的变化呈现规律性变化，各曲线交叉现象较明显，这与重塑Q3黄土有所不同。

(3) 不同吸力状态下，试样的有效内摩擦角φ′随吸力增加有逐渐增大的趋势，但并不明显，可忽略不计。有效黏聚力c随基质吸力的增加呈线性增长。初始切线变形模量Ei、参数k均随着吸力的增加而增大，参数n随吸力的增加变化不大。