壓實(shí)黃土直剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究

張志權(quán)，井彥林，孔德泉

(長安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西西安710061)

壓實(shí)黃土直剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究

張志權(quán)，井彥林，孔德泉

(長安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西西安710061)

為了對比研究不同地區(qū)壓實(shí)黃土的強(qiáng)度特性，對采自西安、蘭州和洛川的3種代表性黃土進(jìn)行了顆粒分析試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示:隨著黏粒含量的依次減小，3種土樣的最優(yōu)含水率和最大干密度逐漸減小;在最優(yōu)含水率下隨著黏粒含量的減少，應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸由應(yīng)變強(qiáng)化型向應(yīng)變軟化型過渡，內(nèi)摩擦角呈微弱的增大趨勢，黏聚力沒有明顯的變化規(guī)律;在相同干密度下隨著含水率的增加，3種土樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角均逐漸減小。

路基工程;壓實(shí)黃土;含水率;直剪強(qiáng)度;試驗(yàn)研究

在工程建設(shè)中使用黃土?xí)r大多要通過壓實(shí)處理，以此來獲得足夠的強(qiáng)度。壓實(shí)黃土的結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)狀態(tài)不同于原狀黃土，正確評價壓實(shí)黃土的工程性質(zhì)非常重要［1-4］。針對壓實(shí)黃土強(qiáng)度的研究近些年開展得不少。王娟娟、張秀麗等［5-6］采用西安地區(qū)壓實(shí)黃土進(jìn)行了抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，指出壓實(shí)黃土的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨著含水率增大而減小，隨著干密度的增大而增大。楊玉生等［7］采用楊凌地區(qū)壓實(shí)黃土進(jìn)行了增濕變形性質(zhì)及其影響因素試驗(yàn)，指出壓實(shí)黃土的壓縮性隨增濕含水率的增大而提高，隨增濕含水率的減小而降低。陳偉等［8］針對青海地區(qū)重塑黃土力學(xué)性能影響因素進(jìn)行了研究，指出不同含水率重塑黃土的主應(yīng)力差-應(yīng)變曲線均呈應(yīng)變硬化模式，黏聚力均隨著壓實(shí)系數(shù)的增大而增大。賈亮等［9］針對蘭州馬蘭、離石壓實(shí)黃土進(jìn)行了抗剪強(qiáng)度影響因素分析，指出黏聚力、內(nèi)摩擦角均隨壓實(shí)度的增大而增大。黃雪峰等［10］采用延安地區(qū)壓實(shí)黃土進(jìn)行了變形特性研究，指出壓實(shí)度越高，總變形量越小，遇水增濕變形量占總變形量的比例越大，壓縮固結(jié)變形量占總變形量的比例越小。

前述研究是針對某一地區(qū)的土樣開展研究。在中國境內(nèi)黃土顆粒組成有地區(qū)差異，總體呈現(xiàn)2個特點(diǎn):①自北向南、自西向東呈砂粒和粉粒逐漸減少，黏粒逐漸增加的趨勢;②粒徑＞0.05 mm和＜0.005 mm的顆粒含量較低，而粒徑0.05～0.005 mm的顆粒含量較高，大多超過50%。本文采用西安、蘭州和洛川的3種代表性黃土，首先對3種黃土進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)輕型擊實(shí)試驗(yàn)，找出3種黃土各自的最優(yōu)含水率和最大干密度，然后在此基礎(chǔ)上再分別進(jìn)行最優(yōu)含水率下、不同含水率下的直剪試驗(yàn)，探討地區(qū)差異對壓實(shí)黃土強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)材料

西安、蘭州和洛川3種黃土的土樣編號分別是S1，S2，S3。參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)［11］對土樣進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，其顆粒組成見表1。由表1可知:土樣中的黏粒含量依次減小，分別為36%，22%和11%。

表1 3種土樣的顆粒組成

2 擊實(shí)試驗(yàn)

分別將3種黃土風(fēng)干碾碎過5 mm篩，按預(yù)估的含水率加水、拌勻，靜置24 h后參照GB/T 50123—1999對土樣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)輕型擊實(shí)試驗(yàn)，擊實(shí)筒內(nèi)徑為102 mm，筒高116 mm，容積947.4 cm3，擊實(shí)錘質(zhì)量2.5 kg，擊實(shí)過程分3層加料，每次加料之前把上層的黃土刨毛，每層25擊，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表1和表2可知，隨著土樣中黏粒(＜0.005 mm)含量的依次減小，最優(yōu)含水率和最大干密度也依次減小。

表2 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

3 直剪試驗(yàn)

3.1 最優(yōu)含水率下直剪試驗(yàn)

先將3種黃土風(fēng)干碾碎過5 mm篩，按土樣各自的最優(yōu)含水率(分別為16.3%，16.0%和15.8%)加水、拌勻、靜置24 h，再用壓樣器按各自的最大干密度(分別為1.72，1.71和1.695 g/cm3)制樣，相當(dāng)于土樣的壓實(shí)度為1。

直剪試驗(yàn)采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀，直剪試驗(yàn)方法為快剪。參照GB/T 50123—1999試樣尺寸取φ61.8 mm×20 mm，采用的垂直壓力分別為50，100，200，300 kPa，剪切速率控制在0.8 mm/s，使土樣在3～5 min內(nèi)發(fā)生剪切破壞。試樣在各級垂直壓力下的抗剪強(qiáng)度取峰值強(qiáng)度，無明顯峰值者取應(yīng)力應(yīng)變曲線上應(yīng)變量為4 mm所對應(yīng)的強(qiáng)度［5］。不同垂直壓力下應(yīng)力-位移曲線見圖1。

圖1 不同垂直壓力下應(yīng)力-位移曲線

由圖1可見:S1只有在垂直壓力為50 kPa時出現(xiàn)了明顯的峰值強(qiáng)度;S2在垂直壓力為50 kPa和100 kPa時出現(xiàn)了峰值強(qiáng)度;S3在每級壓力作用下均出現(xiàn)了明顯的峰值強(qiáng)度，表明隨著土樣中黏粒含量的減少，應(yīng)力-位移曲線逐漸出現(xiàn)明顯的峰值，即應(yīng)變軟化。

最優(yōu)含水率下直剪試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可知:從S1到S3隨著土樣中黏粒含量的減少，內(nèi)摩擦角出現(xiàn)微弱增大趨勢，但黏聚力沒有明顯的變化規(guī)律。

表3 最優(yōu)含水率下直剪試驗(yàn)結(jié)果

3.2 不同含水率下直剪試驗(yàn)

因?yàn)?種黃土試樣的最優(yōu)含水率分別是16.3%，16.0%和15.8%，比較接近，所以3種土樣均按含水率10%，13%，16%，19%，22%制作?？紤]到3種黃土試樣的最大干密度分別是1.72，1.71和1.695 g/cm3，比較接近，同時工程實(shí)踐中黃土的壓實(shí)度多采用0.90～0.97，所以干密度確定為1.6 g/cm3，相當(dāng)于壓實(shí)度為0.93～0.94。將3種黃土風(fēng)干碾碎過5 mm篩，按預(yù)定含水率加水、拌勻，靜置24 h后用壓樣器按預(yù)定密度制樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)。具體試驗(yàn)方法同最優(yōu)含水率下直剪試驗(yàn)。

3種壓實(shí)黃土抗剪強(qiáng)度隨含水率變化曲線見圖2。由圖2(a)可見:①隨著含水率的增加，3種壓實(shí)黃土的黏聚力均明顯降低，當(dāng)含水率從10%增加到22%，S1，S2和S3的黏聚力分別從98.5，92.0和85.6 kPa下降到14.8，18.3和25.2 kPa，下降幅度分別是85%，80%，70%;②比較3條曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著黏粒含量的減少，黏聚力的下降幅度也在減小;③在低含水率下，黏粒含量高的土樣比黏粒含量低的土樣黏聚力大，相反，在高含水率下，黏粒含量高的土樣比黏粒含量低的土樣黏聚力小。

圖2 3種壓實(shí)黃土的抗剪強(qiáng)度隨含水率變化曲線

由圖2(b)可見:①隨著含水率的增加，3種壓實(shí)黃土的內(nèi)摩擦角與黏聚力一樣均呈降低趨勢，但是降低的幅度較小。當(dāng)含水率從10%增加到22%，S1，S2和S3的內(nèi)摩擦角分別從38.1°，37.8°和36.3°下降到29.7°，31.0°和31.6°，下降幅度分別是22%，18%和13%。②比較3條曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著黏粒含量的減少，內(nèi)摩擦角的下降幅度也在減小。③與黏聚力一樣，在低含水率下黏粒含量高的土樣比黏粒含量低的土樣內(nèi)摩擦角大;相反，在高含水率下黏粒含量高的土樣比黏粒含量低的土樣內(nèi)摩擦角小。

4 結(jié)論

1)取自西安、蘭州和洛川的3種壓實(shí)黃土樣黏粒含量分別為36%，22%，11%。隨著黏粒含量的依次減小，其最優(yōu)含水率和最大干密度也逐漸減小。

2)在最優(yōu)含水率下，3種土樣隨著黏粒含量逐漸減少，應(yīng)力-位移曲線逐漸由應(yīng)變強(qiáng)化型向應(yīng)變軟化型過渡，內(nèi)摩擦角呈微弱增大的趨勢，黏聚力沒有明顯的變化規(guī)律。

3)不同地區(qū)的黃土隨著含水率的增大黏聚力均明顯減小，內(nèi)摩擦角也減小，但是減小的幅度較小。在低含水率下黏粒含量高的土樣比黏粒含量低的土樣抗剪強(qiáng)度大;相反，在高含水率下黏粒含量高的土樣比黏粒含量低的土樣抗剪強(qiáng)度小。

［1］楊晶．黃土狀壓實(shí)填土壓縮和強(qiáng)度特性研究［D］．太原:太原理工大學(xué)，2014．

［2］胡長明，梅源，王雪艷．呂梁地區(qū)壓實(shí)馬蘭黃土變形與抗剪強(qiáng)度特性［J］．工程力學(xué)，2013，30(10):108-114．

［3］陳開圣，沙愛民．壓實(shí)黃土變形特性［J］．巖土力學(xué)，2010，31(4):1023-1029．

［4］鄧軍濤，張艷．黃土古土壤的抗剪強(qiáng)度特性［J］．水土保持通報(bào)，2015，35(5):319-322．

［5］王娟娟，張秀麗，王鐵行．考慮含水量和密度影響的壓實(shí)黃土抗剪強(qiáng)度特性研究［J］．西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，46(5):687-691．

［6］張秀麗．考慮含水量和密度影響的壓實(shí)黃土工程性質(zhì)研究［D］．西安:西安建筑科技大學(xué)，2011．

［7］楊玉生，李靖，邢義川．壓實(shí)黃土增濕變形性質(zhì)及其影響因素試驗(yàn)研究［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2015，37(5):1-10．

［8］陳偉，張吾渝，馬艷霞．青海地區(qū)重塑黃土力學(xué)性能影響因素分析［J］．鐵道建筑，2014，33(1):82-84．

［9］賈亮，朱彥鵬．蘭州馬蘭、離石壓實(shí)黃土抗剪強(qiáng)度影響因素探討［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2014，36(增2):120-124．

［10］黃雪峰，孔洋，李旭東，等．壓實(shí)黃土變形特性研究與應(yīng)用［J］．巖土力學(xué)，2014，35(增2):37-44．

［11］中華人民共和國建設(shè)部．GB/T 50123—1999土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京:中國計(jì)劃出版社，1999．

Experimental Study on Direct Shear Strength of Compacted Loess

ZHANG Zhiquan，JING Yanlin，KONG Dequan
(School of Civil Engineering，Chang'an University，Xi'an Shaanxi 710061，China)

In order to compare and study the strength characteristics of compacted loess in the different regions，the particle analysis test，compaction test and direct shear test were conducted with three kinds of representative loess from Xi'an，Lanzhou and Luochuan．T he test results show that the optimum moisture rate and the maximum dry density of 3 kinds of loess gradually decreases with the clay content decreasing successively，the stress-strain curves gradually transfer from the strain hardening type to strain softening type with the decrease of clay content under the condition of optimum water content，the internal friction angle shows a slight increasing trend，there is no obvious change law of cohesion and the cohesion and internal friction angle of 3 kinds of loess gradually decreases with the moisture content increasing in the condition of same dry density．

Subgrade engineering;Compacted loess;M oisture content;Direct shear strength;Experimental study

TU411．2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．19

1003-1995(2016)12-0069-03

(責(zé)任審編葛全紅)

2016-07-10;

2016-09-10

國家自然科學(xué)基金(41472267)

張志權(quán)(1973—)，男，高級工程師，碩士。