重塑黃土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與基質(zhì)吸力關(guān)系

(太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

我國(guó)是世界上黃土面積分布最廣泛的地區(qū)之一，作為黃土地區(qū)建構(gòu)筑物的主要承載體和建筑材料，黃土的力學(xué)性質(zhì)對(duì)工程建設(shè)和人類生活十分重要。近年來(lái)，隨著黃土地基上高層建筑、公路、鐵路和機(jī)場(chǎng)等巖土建筑數(shù)量的增加，其引起的巖土工程問(wèn)題日益突出，如地基不均勻沉降引起的地裂縫形成以及建筑物和道路、鐵路失穩(wěn)。土體在上部荷重條件下發(fā)生的側(cè)向或軸向變形破壞，事實(shí)上是孔隙體積減小，孔隙水、氣發(fā)生變化，從而破壞了顆粒間的作用力，即土體結(jié)構(gòu)被破壞[1]。

針對(duì)黃土結(jié)構(gòu)性破壞這一現(xiàn)象，學(xué)者們進(jìn)行了相關(guān)研究。Nishimura和Fredlund(1999)開展了重塑粉質(zhì)土強(qiáng)度與土體總吸力研究[2]，結(jié)果表明，重塑粉質(zhì)土的總吸力在其土壤水分特征曲線非飽和殘余區(qū)呈非線性變化，破壞時(shí)的總吸力可通過(guò)土體強(qiáng)度來(lái)估算。李小昱等對(duì)重塑黃土進(jìn)行了無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著含水率的增加，重塑黃土的抗壓強(qiáng)度以臨界含水率為界先減小后增大[3]。Jotisankasa針對(duì)曼谷黏土開展了無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)[4]，使用土壤張力計(jì)測(cè)定其有效強(qiáng)度參數(shù)和土壤吸力，試驗(yàn)結(jié)果表明，曼谷黏土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與其土壤吸力之間存在良好關(guān)系。陳偉等研究了弱膨脹土的吸力與抗剪強(qiáng)度[5]，結(jié)果表明土體吸力對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)作用與圍壓有關(guān)。孫茉探究了基質(zhì)吸力與黃土強(qiáng)度之間關(guān)系[6]，發(fā)現(xiàn)黃土基質(zhì)吸力大小受其土體結(jié)構(gòu)影響顯著。何青峰等開展了離石黃土單軸壓縮試驗(yàn)[7]，結(jié)果表明隨含水率增大，離石黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度呈對(duì)數(shù)函數(shù)減弱；隨含水率的減小，黃土的強(qiáng)度劣化十分明顯。此外，眾多關(guān)于土體強(qiáng)度的研究[8-11]，對(duì)地基土的設(shè)計(jì)和施工均具有重要的工程指導(dǎo)意義。

目前對(duì)于黃土抗壓強(qiáng)度的研究，主要集中于干密度、含水率等影響因素上。本文將重塑馬蘭黃土作為試驗(yàn)材料，對(duì)其進(jìn)行了基質(zhì)吸力測(cè)定，利用應(yīng)變控制式三軸儀開展了無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)，探究了重塑馬蘭黃土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用馬蘭黃土樣品取自山西省晉中市榆次區(qū)，土體呈淺灰黃色，土質(zhì)較為濕潤(rùn)，疏松易碎，顆粒較均勻，且垂直節(jié)理發(fā)育。本次研究所用樣品為地下埋深4.5 m深處的土樣，通過(guò)室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)(GB/T 50123-1999)確定其最大干密度和最優(yōu)含水率，壓實(shí)曲線如圖1所示；使用光電式液塑限測(cè)定儀測(cè)量土體液、塑限，采用比重瓶法測(cè)得其土粒比重。其基本物理性質(zhì)參數(shù)見表1。

圖1 馬蘭黃土壓實(shí)曲線Fig.1 Compacted curve of Malan loess

液限ωL/%塑限ωP/%最大干密度ρdmax/(g·cm-3)最優(yōu)含水率ω/%土粒比重Gs/(kN·m-3)26.917.41.7415.72.67

將土樣碾碎、烘干，過(guò)2 mm篩，然后根據(jù)預(yù)設(shè)的初始含水率配置適量蒸餾水，待土樣在保濕缸中均勻預(yù)濕后，制備重塑樣品。本次試驗(yàn)制備了干密度為1.62 g/cm3、初始含水率為9.8%以及干密度為1.67 g/cm3、初始含水率為11.2%的重塑黃土試樣，相應(yīng)的壓實(shí)度分別為93%和96%。試樣直徑為39.1 mm，高度為80 mm。對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行編號(hào)并稱重。將相同干密度的樣品分成4組，分別將其在室內(nèi)干燥0，3，6 h和12 h以獲得不同含水率，通過(guò)稱重計(jì)算的方法測(cè)得試樣干燥后的含水率，隨后測(cè)定其基質(zhì)吸力和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

本次試驗(yàn)中試樣的基質(zhì)吸力由型號(hào)為2100F的土壤張力計(jì)測(cè)定，該土壤張力計(jì)具有準(zhǔn)確度高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)；采用TSZ-3型應(yīng)變控制式三軸儀進(jìn)行無(wú)側(cè)限壓縮測(cè)試，壓縮速率設(shè)置為0.38 mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 基質(zhì)吸力與含水率、干密度關(guān)系

本次試驗(yàn)中，不同干密度重塑黃土試樣基質(zhì)吸力與含水率之間的關(guān)系如圖2所示。圖2表明，不同干密度的重塑黃土，其基質(zhì)吸力隨含水率的變化具有相同的趨勢(shì)：隨著含水率的增大，基質(zhì)吸力連續(xù)減小。當(dāng)含水率小于9%時(shí)，二者曲線斜率均較大，基質(zhì)吸力隨含水率增大而急劇減小，表明在該范圍內(nèi)含水率對(duì)基質(zhì)吸力的影響較大。當(dāng)含水率為10%左右時(shí)，曲線均較為平緩，該范圍內(nèi)，基質(zhì)吸力隨含水率的變化幅度較小。

圖2 不同干密度試樣基質(zhì)吸力與含水率的關(guān)系Fig.2 Relationship between matric suction and water content of different dry density samples

從圖2中看出，干密度為1.67 g/cm3的試樣，其基質(zhì)吸力始終大于干密度為1.62 g/cm3的試樣，當(dāng)含水率較小時(shí)，二者曲線較陡，且基質(zhì)吸力相差較大；隨含水率增大，二者曲線近于平緩且接近重合，且二者之間的基質(zhì)吸力差異逐漸減小。由此可推斷：在含水率較低時(shí)，黃土基質(zhì)吸力的大小不僅取決于含水量，還與土的干密度因素有關(guān)，干密度越大，其基質(zhì)吸力越大；在含水率較高時(shí)，黃土基質(zhì)吸力的大小受其干密度影響不明顯。

2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與含水率、干密度關(guān)系

試樣壓縮過(guò)程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示(以干密度為1.67 g/cm3試樣為例)，表示試樣分別在干燥0，3，6 h和12 h后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。曲線峰值最大應(yīng)力處對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度即為測(cè)試試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

圖3 干密度為1.67 g/cm3時(shí)不同干燥時(shí)間試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.3 Stress-strain relationship of samples with different dry time at 1.67 g/cm3 dry density

試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線反映了其變形破壞的整個(gè)過(guò)程。曲線在達(dá)到峰值前，經(jīng)歷了壓密階段、彈性變形(直線段)以及屈服階段(凸起段)。曲線的峰值應(yīng)力即為試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值。曲線經(jīng)歷峰值后土體被壓裂破壞，隨著應(yīng)變?cè)龃笸馏w裂縫繼續(xù)增大。從曲線起伏變化形態(tài)看出，隨著干燥時(shí)間的增加，即含水率的減小，壓縮曲線的整體斜率增大，曲線對(duì)應(yīng)的極限壓應(yīng)變值減小，曲線的屈服階段范圍也隨之減小，試樣的殘余強(qiáng)度增大。

試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與含水率的關(guān)系如圖4所示。同一干密度試樣，隨著含水率增大，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度連續(xù)減小。干密度為1.67 g/cm3試樣，含水率由6.1%增大到11.2%，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度由700 kPa減小到170 kPa；干密度為1.62 g/cm3試樣，含水率由5.9%增大到9.8%，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度由360 kPa減小到90 kPa。隨含水率增大，不同干密度試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均減小了75%左右。

圖4 不同干密度試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與含水率關(guān)系Fig.4 Relationship between unconfined compressive strength and water content of different dry density samples

圖4表明，含水率相同時(shí)，干密度為1.67 g/cm3黃土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯高于干密度為1.62 g/cm3的黃土試樣。試樣壓實(shí)度由93%增加到96%，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大到原先的2倍，表明壓實(shí)度(干密度)越大，則無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大。隨著含水率增大，不同干密度試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度差值逐漸減小。

試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水率的變化趨勢(shì)，同圖2中試樣基質(zhì)吸力與含水率關(guān)系變化具有同步性，即當(dāng)含水率達(dá)到10%時(shí)，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與基質(zhì)吸力隨含水率的變化趨勢(shì)均明顯減小，表明此時(shí)土體內(nèi)部孔隙水效應(yīng)對(duì)其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響大幅降低，含水量對(duì)基質(zhì)吸力的影響作用也較小。

2.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與基質(zhì)吸力關(guān)系

將每一試樣的抗壓強(qiáng)度值與基質(zhì)吸力一一對(duì)應(yīng)，繪制出對(duì)應(yīng)點(diǎn)圖，如圖5所示。圖5表明，不同干密度試樣其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力變化具有相同趨勢(shì)，基質(zhì)吸力在低范圍內(nèi)，曲線較為平緩，試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力的增大而緩慢增長(zhǎng)，說(shuō)明此時(shí)基質(zhì)吸力對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響較??；而當(dāng)基質(zhì)吸力處于高范圍時(shí)，曲線斜率增大，隨著基質(zhì)吸力的增加，樣品的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度急劇增大，表明在高基質(zhì)吸力的情況下，基質(zhì)吸力對(duì)其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響十分顯著。此外，基質(zhì)吸力相同時(shí)，試樣干密度越大，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大。

圖5 不同干密度試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與基質(zhì)吸力關(guān)系Fig.5 Relationship between unconfined compressive strength and matric suction of different dry density samples

對(duì)試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與基質(zhì)吸力關(guān)系進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)其兩者具有良好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，擬合公式如下。

qu= 142.7e0.019Ψ(ρ=1.67 g/cm3)

(1)

qu= 88.5e0.020Ψ(ρ=1.62 g/cm3)

(2)

式中，qu為試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，kPa；Ψ為試樣基質(zhì)吸力，kPa。

2.4 討 論

重塑黃土含水率的增大使土體顆粒間水體增多，孔隙水壓力增大，同時(shí)孔隙減少，相應(yīng)毛細(xì)效應(yīng)減弱，顆粒間吸附力難以保持原有狀態(tài)，導(dǎo)致土體基質(zhì)吸力減小。另外，土體含水量增大，其相應(yīng)的溶解、潤(rùn)滑作用增強(qiáng)，黃土中存在的可溶鹽溶解，同時(shí)水膜的楔入作用均會(huì)導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)發(fā)生一定破壞，土粒間的摩擦力和凝聚力減小，降低了顆粒間膠結(jié)強(qiáng)度，從而導(dǎo)致土的抗壓強(qiáng)度減[12-14]。

重塑黃土干密度的增大使土體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，土體密實(shí)度增大，孔隙氣壓力增大，導(dǎo)致土體基質(zhì)吸力增大。同時(shí)，土體內(nèi)部孔隙大幅減小，增大了土顆粒之間接觸面積及相互之間的咬合力和凝聚力，土體膠結(jié)強(qiáng)度和抵抗變形破壞能力增強(qiáng)，提高了土體抗壓強(qiáng)度[15-17]。

重塑黃土的基質(zhì)吸力與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均受試樣含水率和干密度的影響顯著，且二者隨含水率、干密度變化具有同步性，二者之間存在良好的正相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié) 論

開展重塑馬蘭黃土抗壓強(qiáng)度與基質(zhì)吸力的關(guān)系研究，不僅對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用中地基土的設(shè)計(jì)和施工具有重要的指導(dǎo)意義，更有助于完善土體的強(qiáng)度理論。本文通過(guò)對(duì)不同干密度和含水率的重塑馬蘭黃土試樣進(jìn)行基質(zhì)吸力測(cè)定和無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)，得出了如下結(jié)論和認(rèn)識(shí)。

(1) 含水率越大，重塑馬蘭黃土的基質(zhì)吸力與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越??；干密度越大，其基質(zhì)吸力與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也越大。

(2) 在低含水率范圍內(nèi)，隨含水率的增大，重塑馬蘭黃土基質(zhì)吸力與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度迅速減小；在高含水率范圍內(nèi)，其基質(zhì)吸力與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水率改變的變化幅度均較小。由此得出，天然含水率下，非飽和黃土的含水率較低，此時(shí)土體工程性質(zhì)受含水量影響很大，應(yīng)引起重視。

(3) 重塑馬蘭黃土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與基質(zhì)吸力之間存在良好的正指數(shù)關(guān)系?；|(zhì)吸力在低范圍內(nèi)時(shí)，重塑黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力增大而增加的幅度較??；而基質(zhì)吸力在高范圍內(nèi)時(shí)，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力增大而急劇增大。

(4) 在實(shí)際工程應(yīng)用中，需根據(jù)工程等級(jí)的要求，確保黃土路基、地基的密實(shí)度，同時(shí)要保證工程建設(shè)完工后黃土體能始終處于低含水量狀態(tài)，導(dǎo)致避免黃土體性質(zhì)受降水入滲的影響發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致工程質(zhì)量及安全問(wèn)題。

(5) 本文將黃土的力學(xué)性質(zhì)和土體內(nèi)部吸力創(chuàng)造性地結(jié)合起來(lái)，具有進(jìn)一步研究的吸引力，可對(duì)黃土壓縮破壞過(guò)程中土體基質(zhì)吸力的變化情況開展深入研究。