非飽和重塑黃土的力學(xué)特性研究

【摘要】非飽和黃土的強(qiáng)度特性比一般的粘性土更為復(fù)雜，其強(qiáng)度是黃土抗剪能力的量度，同時(shí)也是黃土邊坡工程、地基工程和洞室工程設(shè)計(jì)計(jì)算的重要參數(shù)。文中以陜西楊凌地區(qū)的黃土為對(duì)象，通過三軸不固結(jié)不排水實(shí)驗(yàn)研究不同圍壓、不同干密度對(duì)非飽和重塑黃土強(qiáng)度特性的影響。依據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)，確定每組土樣的強(qiáng)度指標(biāo)c、φ 值，找出土樣的抗剪強(qiáng)度隨干密度的變化規(guī)律。

【關(guān)鍵詞】非飽和黃土；常規(guī)三軸試驗(yàn)；含水率；干密度

1、研究背景和意義

黃土在我國分布較廣，主要分布在黃河流域，是一種區(qū)域性特殊土，分布面積大約占國土面積的6.6%。黃土是一種特殊的第四紀(jì)陸相松散堆積物，覆蓋了我國西北、華北等地區(qū)64萬km2的疆土。位于西北地區(qū)的楊凌黃土，在干旱、半干旱及地下水深埋條件下，通常處于非飽和狀態(tài)。

近幾年來，包括國內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)在非飽和土理論研究方面取得了比較大的進(jìn)展。從黃土的主要工程力學(xué)性質(zhì)：滲透性、動(dòng)力特性、壓縮變形特性和黃土剪切強(qiáng)度特性等方面做了大量研究，取得了一定的成果。但是，正如沈珠江院士指出的“非飽和土力學(xué)的發(fā)展已經(jīng)到了從量的積累到質(zhì)的飛躍的關(guān)鍵時(shí)刻”。非飽和土理論的不斷發(fā)展為解決非飽和黃土的工程問題也開辟了一條新的途徑。目前，關(guān)于非飽和土的強(qiáng)度理論與本構(gòu)模型是研究非飽和土力學(xué)的難點(diǎn)，至今對(duì)黃土動(dòng)力特性研究的主題仍然是土的動(dòng)力學(xué)的三大基本課題，即為黃土的震陷與動(dòng)變形，黃土的動(dòng)強(qiáng)度與液化和黃土的動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系（含動(dòng)力特性參數(shù)）問題。

2、研究思路及內(nèi)容

采用常規(guī)三軸剪切試驗(yàn)，對(duì)陜西省楊凌區(qū)黃土采用不固結(jié)不排水方法（UU）進(jìn)行抗剪強(qiáng)度的研究。分別控制重塑黃土的含水率和干密度ρd，研究其抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律。初步擬定土樣含水率為13%，干密度ρd為1.3g/cm3、1.4 g/cm3、1.5 g/cm3、1.6 g/cm3的土樣。共4組，每組3個(gè)土樣，每組土樣施加的圍壓為100kPa、200kPa、300kPa，剪切速率為0.18mm/min。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)，得出每個(gè)土樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和摩爾圓，并得出每組土樣的c、φ值，找出土樣的抗剪強(qiáng)度與干密度ρd的變化規(guī)律。

3、研究方案與方法

3.1土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)

試驗(yàn)用黃土土樣取自陜西楊凌大道某建筑場(chǎng)地，屬于渭河二級(jí)階地。取土場(chǎng)地的地形比較平坦，取土深度為4m左右。所取土料特征為：黃褐色，較濕潤，結(jié)構(gòu)致密，土質(zhì)均勻。根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程（SL237-1999）》的要求，采用聯(lián)合液塑限儀、輕型擊實(shí)等方法進(jìn)行了相關(guān)物理性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定，結(jié)果如下。試驗(yàn)用土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。

為了保持非飽和黃土土樣的試驗(yàn)含水量的穩(wěn)定和均勻，每組試樣制備好后，用保鮮膜密封后放入養(yǎng)護(hù)缸中養(yǎng)護(hù)24h后再進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)采用應(yīng)變控制式三軸儀，采用不固結(jié)不排水快剪法（UU），剪切速率0.18mm/min，每個(gè)土樣剪切歷時(shí)67～80min。本次試驗(yàn)所用應(yīng)變控制式三軸儀由壓力室、施加周圍壓力系統(tǒng)、軸向加壓設(shè)備、體積變化和孔隙壓力測(cè)量系統(tǒng)等系統(tǒng)組成?？捎糜跍y(cè)量土的抗剪強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及體變等。

4、試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

4.1試驗(yàn)結(jié)果

通過進(jìn)行不固結(jié)不排水的常規(guī)三軸試驗(yàn)，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，整理得到非飽和重塑黃土三軸剪切試驗(yàn)成果如下：

干密度對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的影響

非飽和重塑黃土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線基本上符合雙曲線模型。但當(dāng)其應(yīng)變?cè)?1.5%～3%以前時(shí)，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加并不符合雙曲線模型，這是由于在應(yīng)變較小時(shí)，隨著土體的應(yīng)力增大，土體的應(yīng)變以彈性變形為主，這與非飽和土的理論相吻合。圖 1～圖 4 為相同含水率（w=13%），不同干密度條件下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。

（2）干密度對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)的影響

根據(jù)有效應(yīng)力原理以及大量的試驗(yàn)證明：同一試樣，不論做任何固結(jié)度的不排水剪切試驗(yàn)，其總應(yīng)力強(qiáng)度線不同，但有效應(yīng)力強(qiáng)度線是唯一的，也就是說，有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)是一定值。

按照三軸剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制在不同圍壓條件下的摩爾應(yīng)力圓，從而可得出不同初始條件下試驗(yàn)土樣的 c、φ值，其具體數(shù)值見表2

表2可以看出，在保持含水率不變時(shí)，隨干密度的增大，粘聚力c呈明顯的增大趨勢(shì)，其增大的幅度也逐漸增大。在相同含水率的條件下，隨著干密度ρd的增加，內(nèi)摩擦角 φ 也呈增大趨勢(shì)，但其增大的幅度很小，且內(nèi)摩擦角 φ 與干密度的關(guān)系不是簡單的線性或者曲線關(guān)系。

4.2.主要結(jié)論

本次試驗(yàn)取得的主要研究成果如下：

（1）在相同含水率和施加相同圍壓的條件下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化受干密度ρd的影響較大。隨著干密度ρd的不斷增加，試驗(yàn)土樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線由強(qiáng)硬化型逐漸向強(qiáng)軟化型變化。當(dāng)ρd≤1.4g/cm3時(shí)，為強(qiáng)硬化型，試樣破壞類型為鼓狀破壞；當(dāng)1.4g/cm3≤ρd≤1.6g/cm3時(shí)，為弱軟化型，試樣破壞的時(shí)候有細(xì)小斜裂縫產(chǎn)生；當(dāng)ρd≥1.6g/cm3時(shí)，為強(qiáng)軟化型，試樣破壞時(shí)斜向裂開，出現(xiàn)明顯的剪切帶。

（2）含水率w相同時(shí)，隨干密度ρd的增加，重塑黃土樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線由硬化型向軟化型轉(zhuǎn)變，隨圍壓的增大，應(yīng)變硬化和剪縮現(xiàn)象更為明顯。

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作者簡介：張宏 女 1975年8月生，陜西丹鳳人，碩士研究生，副教授，從事水利水電工程的教學(xué)與研究工作。