擊實(shí)黃土抗剪特性的試驗(yàn)研究

李立軍 劉春玲 金勝國(guó)

(1.吉林省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，吉林長(zhǎng)春 130021;2.吉林省第六地質(zhì)調(diào)查所，吉林長(zhǎng)春 133001)

黃土在我國(guó)西北地區(qū)有著廣泛的分布范圍，與一般粘性土相比，黃土因其顆粒組成以及自身天然結(jié)構(gòu)的雙重特殊性，使之成為一種特殊種類的土［1］。對(duì)于天然結(jié)構(gòu)的黃土，目前已有大量的試驗(yàn)研究資料，而擊實(shí)以后黃土的工程性質(zhì)如何，目前缺乏系統(tǒng)的研究。為此，本文取現(xiàn)場(chǎng)土體在室內(nèi)用常規(guī)擊實(shí)方法制備不同夯擊能量下的土樣，進(jìn)行一系列相關(guān)試驗(yàn)，以掌握不同擊實(shí)功下?lián)魧?shí)黃土的變形及強(qiáng)度特性［2，3］。

1 土樣的基本性質(zhì)試驗(yàn)

天然的黃土土樣取自某河岸堤壩工程附近，本次試驗(yàn)所用的黃土依據(jù)塑性圖被定名為低液限粘土，該黃土為淺棕黃色，具有低塑限、粉粒含量高的特點(diǎn)。試驗(yàn)所用的粘土取自黃土取樣處的附近，將所得的粘土經(jīng)過(guò)篩分后得到粘粒，然后作為摻入到天然黃土土樣的材料。黃土的基本物理性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 天然黃土和粘土的基本物理性質(zhì)參數(shù)

為了評(píng)價(jià)不同粘粒含量對(duì)黃土的力學(xué)性質(zhì)的影響，本文根據(jù)篩分試驗(yàn)制取具有不同粘粒含量(10%，20%，25%和30%)的黃土土樣，制樣方法如下所述:天然黃土的粘粒含量為21.15%，可將天然黃土近似為粘粒為20%的黃土土樣，粘粒為10%的黃土土樣利用篩分法在天然黃土中去除一定的粘粒制得，粘粒為25%和30%的黃土土樣是將在附近所得的粘土經(jīng)過(guò)篩分后得到粘粒，然后按照一定的配比摻入到天然黃土土樣得到的。對(duì)所制得的4個(gè)土樣進(jìn)行了顆粒分析試驗(yàn)，得到的結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同粘粒含量的黃土顆粒分析曲線

2 擊實(shí)試驗(yàn)

本文對(duì)取自某河岸堤壩工程附近的天然黃土土樣進(jìn)行了擊實(shí)試驗(yàn)，擊實(shí)試驗(yàn)根據(jù)GB/T 50123-1999土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，本文采用重型擊實(shí)試驗(yàn)，其單位體積擊實(shí)功約2 684.9 kJ/m3，得到最大干密度和最優(yōu)含水率的曲線。同時(shí)，對(duì)于另外3個(gè)加入不同含量粘粒的土樣進(jìn)行相同的擊實(shí)試驗(yàn)，得到的結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同粘粒含量的黃土擊實(shí)得到的最大干密度與最優(yōu)含水率關(guān)系曲線

通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)分析可得:粘粒含量為10%時(shí)，得到的最優(yōu)含水率為14.83%，對(duì)應(yīng)的最大干密度為17.23 kN/m3;粘粒含量為20%時(shí)，得到的最優(yōu)含水率為15.17%，對(duì)應(yīng)的最大干密度為16.95 kN/m3;粘粒含量為25%時(shí)，得到的最優(yōu)含水率為16.73%，對(duì)應(yīng)的最大干密度為16.85 kN/m3;粘粒含量為30%時(shí)，得到的最優(yōu)含水率為19.22%，對(duì)應(yīng)的最大干密度為16.80 kN/m3。通過(guò)這4組粘粒含量不同的土樣得到的數(shù)據(jù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn):在相同的擊實(shí)功作用下，土樣的粘粒含量越高，對(duì)其的壓實(shí)越困難，得到的最優(yōu)含水率越大，最大干密度最小。因此對(duì)于壓實(shí)黃土作為建筑物地基或填充材料時(shí)，應(yīng)充分考慮黃土的物質(zhì)組成，盡量選擇粘粒含量較少的土進(jìn)行地基處理，以保證工程的穩(wěn)定性。

3 直剪試驗(yàn)

直剪試驗(yàn)根據(jù)GB/T 50123-1999土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，所用的土樣與擊實(shí)試驗(yàn)所用的土樣相同，分別為:粘粒含量為10%的黃土以及粘粒含量為20%的黃土(天然黃土)、粘粒含量為25%的黃土、粘粒含量為30%的黃土。為了衡量黃土在擊實(shí)條件下作為基礎(chǔ)或構(gòu)筑物填充材料時(shí)的剪切性能，本文在上述擊實(shí)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取擊實(shí)后最優(yōu)含水率的土樣作為直剪試驗(yàn)的樣本。直剪試驗(yàn)的法向應(yīng)力分別為50 kPa，100 kPa和200 kPa，得出各個(gè)土樣在不同法向應(yīng)力下的剪應(yīng)力與位移之間的關(guān)系曲線如圖3～圖6所示。

圖3～圖6反映了各個(gè)土樣剪應(yīng)力與剪應(yīng)變之間的關(guān)系。從圖中可以看出:對(duì)于粘粒含量相同的土樣，隨著法向應(yīng)力的增加，其剪應(yīng)力峰值隨之提高。對(duì)于粘粒含量不同的土樣，在相同法向應(yīng)力下，隨著土樣中粘粒含量的增加，剪應(yīng)力峰值消失，土樣的受力性能由應(yīng)變軟化逐步過(guò)渡到應(yīng)變硬化。

圖3 粘粒含量為10%剪切曲線

圖4 粘粒含量為20%剪切曲線

圖5 粘粒含量為25%剪切曲線

圖6 粘粒含量為30%剪切曲線

通過(guò)直剪試驗(yàn)可以確定土的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，分析不同法向應(yīng)力對(duì)應(yīng)的殘余剪應(yīng)力組成的點(diǎn)可得到土樣的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，得到的結(jié)果見圖7和表2。通過(guò)圖7和表2可以看出當(dāng)粘粒含量為20%和30%時(shí)，二者的內(nèi)摩擦角相同，都為32.7°，但粘粒為20%的土樣內(nèi)聚力較大。粘粒含量為10%時(shí)內(nèi)摩擦角最大為36.9°，但內(nèi)聚力較小，為28.1 kPa。粘粒含量為20%時(shí)，內(nèi)聚力最大為33.4 kPa。內(nèi)聚力與內(nèi)摩擦角隨粘粒含量的變化不遵循一定的規(guī)律。

圖7 各土樣抗剪強(qiáng)度曲線

表2 各土樣直剪試驗(yàn)得到的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角

通過(guò)對(duì)比各個(gè)土樣的直剪試驗(yàn)的剪應(yīng)力與水平位移曲線、剪應(yīng)力與法向應(yīng)力的抗剪強(qiáng)度曲線可以看出:粘粒含量的改變可以改變黃土的受力性能，即隨著粘粒含量的增加，土樣的受力性能由應(yīng)變軟化向應(yīng)變硬化逐漸過(guò)渡，但是對(duì)土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)(內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角)影響不大。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上土的基本性質(zhì)試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)取自某河岸堤壩工程附近的黃土土樣為低液限粘土，其塑限為23.4%，液限為33.5%，塑性指數(shù)為10.1%。

2)通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)可以得出:在相同的擊實(shí)功作用下，土樣的粘粒含量越高，對(duì)其的壓實(shí)越困難，得到的最優(yōu)含水率越大，最大干密度最小。

3)粘粒含量的改變可以改變黃土的受力性能，即隨著粘粒含量的增加，土樣的受力性能由應(yīng)變軟化向應(yīng)變硬化逐漸過(guò)渡，但是對(duì)土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)(內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角)影響不大。

［1］劉祖典.黃土力學(xué)與工程［M］.西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1997.

［2］張洪亮，胡長(zhǎng)順，劉保健，等.壓實(shí)石灰黃土力學(xué)特性試驗(yàn)［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2003，3(4):13-16.

［3］關(guān)文章.濕陷性黃土性能新篇［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，1992:23-35.