淺析黃土強(qiáng)度參數(shù)的某些影響因素

李萍萍 郭江濤

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712100）

0 引言

土的強(qiáng)度理論是土中的應(yīng)力狀態(tài)σij與材料瀕于破壞時(shí)的特征參數(shù)kf之間的關(guān)系[1-3]，那么，在有了強(qiáng)度準(zhǔn)則之后，還必須有瀕于破壞時(shí)由試驗(yàn)測(cè)得并與之相對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度參數(shù)，才能使強(qiáng)度理論在實(shí)際中得到應(yīng)用。

長期的試驗(yàn)相關(guān)研究表明，土的強(qiáng)度參數(shù)值受一系列復(fù)雜因素的影響[4]。這些因素既有空間因素也有時(shí)間因素?？臻g因素包括作為土性內(nèi)在的粒度、密度、濕度、結(jié)構(gòu)等影響因素和作為土性外在的受力特性、測(cè)試方法、擾動(dòng)程度和環(huán)境條件等影響因素。時(shí)間因素包括“昨天”（應(yīng)力應(yīng)變歷史的影響）、“今天”（應(yīng)力應(yīng)變速率的影響）和“明天”（觸變、蠕變的影響）的不同變化。上述任何一種因素的變化都會(huì)影響土強(qiáng)度參數(shù)的數(shù)值大小。本文主要從粒度、密度、濕度、結(jié)構(gòu)等幾個(gè)方面淺析黃土強(qiáng)度參數(shù)的影響因素，為強(qiáng)度理論在實(shí)際中的應(yīng)用提供有關(guān)參考。

1 黃土強(qiáng)度參數(shù)的某些影響因素

1.1 粒度對(duì)土強(qiáng)度參數(shù)的影響

粒度因素，從廣義方面講，它是指土中固體顆粒的成分、大小、級(jí)配、形狀、粗糙度等諸多的方面。相關(guān)研究表明，級(jí)配的不均勻系數(shù)越大，內(nèi)摩擦角φ就越高；顆粒為棱角狀時(shí)，內(nèi)摩擦角φ大；礦物成分為云母時(shí)，內(nèi)摩擦角φ低，為石英長石時(shí)，內(nèi)摩擦角φ高，它們相差很小。根據(jù)土的粒度變化所引起的質(zhì)變性差異可將土分為無粘性土和粘性土兩大類，它可以作為對(duì)強(qiáng)度研究的主線。

具體到黃土來說，它是一種低液限黏土，其粒度以黏粒為主，它的抗剪強(qiáng)度主要來自凝聚力、摩擦力和剪脹力。[2]凝聚力常在極小的應(yīng)力下就發(fā)揮到最大，然后不再上升（凝聚力來自分子力時(shí)）或有些降低（凝聚力來自膠結(jié)力及分子力時(shí)），保持一個(gè)恒定的最小值；摩擦力隨應(yīng)變的增加而增大，逐漸趨于恒定。剪脹力在應(yīng)變?cè)黾訒r(shí)由零增高到最大，然后隨著咬合作用的喪失而消失。在此三種力、土的濕度與密度共同耦合下，粘性土可能有硬化破壞或軟化破壞，對(duì)后者就有了峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度之別。

1.2 密度對(duì)土強(qiáng)度參數(shù)的影響

密度是影響土強(qiáng)度的重要因素，其中對(duì)無黏性土更為顯著。在剪切過程中，松砂要變密（剪縮），一般出現(xiàn)硬化性的破壞；密砂會(huì)變松（剪脹），一般出現(xiàn)軟化性的破壞。在剪切的過程中既無剪縮，又無剪脹的密度，稱為臨界密度，表示為臨界孔隙比。它是固結(jié)圍壓σ3的函數(shù)，隨著σ3的上升而下降。為了衡量土體軟化性的大小，可用三軸不排水剪切條件下應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的峰值點(diǎn)與終點(diǎn)處對(duì)應(yīng)剪應(yīng)力的差值與峰值點(diǎn)剪應(yīng)力值之比表示，即：

式中IB稱為脆性指標(biāo)，IB值越大，土的脆性越大。

應(yīng)該注意，由于密度對(duì)強(qiáng)度的重要影響，必須要求在測(cè)試求得強(qiáng)度指標(biāo)時(shí)保持或控制土在實(shí)際工作條件下的密度狀態(tài)，對(duì)黏性土應(yīng)采用干密度控制。

1.3 濕度對(duì)土強(qiáng)度參數(shù)的影響

濕度對(duì)黏性土的強(qiáng)度有著非常顯著的影響。伴隨著飽和度的增加，粘性土強(qiáng)度的降低主要體現(xiàn)在c值的降低上，φ值的降低相對(duì)而言較小。對(duì)于水敏性的土，增濕時(shí)土強(qiáng)度的銳減主要體現(xiàn)在加固凝聚力的失水破壞上。不同含水量的土，無論是在固結(jié)過程中，還是在剪切過程中，土的變形都伴隨著孔隙壓力的變化，影響到土實(shí)際承受的有效應(yīng)力，表現(xiàn)出不同的強(qiáng)度。對(duì)于方便測(cè)定孔隙水壓力的飽和土，常?？梢阅M不同的固結(jié)程度和不同的剪切速率，由同時(shí)測(cè)量的孔隙水壓力確定強(qiáng)度有效應(yīng)力指標(biāo)。如果不測(cè)量孔隙水壓力，即可直接量測(cè)強(qiáng)度的總應(yīng)力指標(biāo)。兩類指標(biāo)相比較，一般是總應(yīng)力的c值比有效應(yīng)力的大，φ值比有效應(yīng)力的小。對(duì)于非飽和的土體，由于測(cè)定孔隙水壓力和孔隙氣壓力的比較困難，而且目前還沒有一個(gè)很好的有效應(yīng)力原理及其表達(dá)式，其強(qiáng)度指標(biāo)多由在固結(jié)程度和剪切速率兩方面盡可能模擬實(shí)際工作條件時(shí)測(cè)定的總應(yīng)力指標(biāo)來表示。

總體來說，對(duì)于非飽和土的強(qiáng)度，雖然現(xiàn)在已經(jīng)有不少學(xué)者提出了多種強(qiáng)度的表達(dá)式，但它還需要進(jìn)一步的相關(guān)研究。它的非線性及有增濕過程與干燥過程的土-水特征曲線的滯回性對(duì)強(qiáng)度的影響已得到了人們的重視。

1.4 結(jié)構(gòu)對(duì)土強(qiáng)度參數(shù)的影響

完整的土結(jié)構(gòu)指土的結(jié)構(gòu)和組構(gòu)。從土的結(jié)構(gòu)出發(fā)，尤其對(duì)原狀土、高靈敏的粘土及軟粘土要注意保持試驗(yàn)要求的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，否則，結(jié)構(gòu)的破壞將導(dǎo)致土體強(qiáng)度的下降。當(dāng)土有結(jié)構(gòu)的各向異性時(shí)，剪切應(yīng)注意剪切方向的影響，以反映實(shí)際工程下滑動(dòng)面方向變化時(shí)可能的實(shí)際強(qiáng)度。裂隙性黏土是土的組構(gòu)問題，裂隙的存在對(duì)強(qiáng)度有重要的作用影響。嚴(yán)格地說，土的強(qiáng)度要受到裂隙分布的范圍、間距、傾斜度、排列方向、形狀、裂隙面粗糙度、裂隙間土的性質(zhì)、硬度及鉆探、采樣與試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力的變化和歷時(shí)的影響，是一個(gè)尚需專門研究的問題。簡單地僅用一個(gè)折減的系數(shù)來處理時(shí)，這個(gè)系數(shù)既是一個(gè)變數(shù)，又難于測(cè)定。由于試驗(yàn)尺寸與裂隙間距之比越大，室內(nèi)試驗(yàn)的土的強(qiáng)度與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)土的強(qiáng)度相差就越小，所以常需控制試樣直徑與縫距之比在4.0以上，以便得到比較接近實(shí)際的試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)于壓實(shí)的黏性土，因其采用不同的壓實(shí)方法，即使達(dá)到了相同密度，也會(huì)因其結(jié)構(gòu)情況不同而具有不同的強(qiáng)度。常用的壓實(shí)方法包括靜壓法、振動(dòng)法、揉搓法（碾壓）。他們?cè)斐傻募魬?yīng)變?nèi)菀资沟猛令w粒排列雜亂，形成凝聚的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度較高。當(dāng)含水量小于塑限時(shí)，各種方法都不能引起土的剪切變形，土的凝聚結(jié)構(gòu)沒有或者很少遭到破壞，阻力大，孔壓低，強(qiáng)度高；當(dāng)含水量大于塑限時(shí)，各種方法下會(huì)產(chǎn)生不同的剪切變形，顆粒有較大的分散結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度有不同的變化。對(duì)于有較大結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的土，例如固結(jié)應(yīng)力沒有超過土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，則應(yīng)力的增大并不會(huì)改變土的結(jié)構(gòu)，此時(shí)盡管壓力有所增大，但強(qiáng)度變化的很小，而且剪切破壞多呈軟化型。只有固結(jié)壓力超過土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之后，土的強(qiáng)度將視初始結(jié)構(gòu)性破壞與次生結(jié)構(gòu)性增長作用的不同而不同，其抗剪強(qiáng)度曲線或在經(jīng)過一段平緩之后再上升，或只有很小或不明顯的平緩段，基本上是呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。

2 總結(jié)

本文是以黃土為中心進(jìn)行闡述，并且是針對(duì)于一般條件下的土強(qiáng)度測(cè)試而言，對(duì)于溫度因素、不同動(dòng)力因素等特殊條件下強(qiáng)度參數(shù)與測(cè)試，必須要考慮它們各自的特點(diǎn)，采取對(duì)應(yīng)的方法。

［1］謝定義,姚仰平,黨發(fā)寧.高等土力學(xué)[M].北京：高等教育出版社,2008,1.

［2］黃文熙.土的工程性質(zhì)[M].北京：水利電力出版社,1983.

［3］張金貴.土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與主要因素[J].水利天地,2008(04).

［4］李廣信.高等土力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2004.