太原東山地區(qū)含水量對濕陷性黃土抗剪強度試驗的研究

楊菲菲

（山西機械化建設(shè)集團有限公司，山西 太原 030009）

太原東山地區(qū)普遍存在濕陷性黃土，其抗剪強度指標受含水量影響很大。在基坑支護設(shè)計和邊坡支護工程設(shè)計中必須使用抗剪強度中粘聚力和內(nèi)摩擦角這兩個參數(shù)進行基坑穩(wěn)定性驗算，粘聚力和內(nèi)摩擦角的取值與研究對基坑支護和邊坡支護工程設(shè)計的安全和成本節(jié)約起到了決定性作用。目前，關(guān)于濕陷性抗剪強度隨含水量變化規(guī)律的系統(tǒng)研究資料并不是很多，因此進行必要系統(tǒng)的研究具有現(xiàn)實意義及廣泛的應(yīng)用前景。

1 場地地質(zhì)情況

太原東山地區(qū)屬于黃土丘陵，山坡與山間谷地被黃土層覆蓋，形成臺地、洪積盆地、沖溝等多種地貌。本區(qū)域濕陷性黃土一般都覆蓋在下臥的非濕陷性黃土層上，其濕陷層厚度約為5m～16m，大部分厚度介于10m～14m之間，其濕陷程度介于輕微到中等之間。該地區(qū)濕陷性黃土屬Q(mào)4黃土，是晚更新世末以后形成的黃土，土質(zhì)疏松，有大孔隙，承載力較低，具有較強濕陷性，烘干法測得土樣天然含水量為17.5%-23.6%，天然干密度為1.43-1.55g/cm。

2 項目研究內(nèi)容

1）不同含水量狀態(tài)下原狀黃土試樣的制作與準備。2）通過對原狀黃土土樣進行直接剪切試驗，探討不同含水量對土的抗剪強度影響，探討其規(guī)律的可行性。3）結(jié)合系統(tǒng)分析，提出濕陷性黃土抗剪強度的變化規(guī)律。

3 試驗方案

3.1 取樣與試樣制備

取樣：在東山地區(qū)選定一個試驗區(qū)，首先進行探井取樣，探井深度根據(jù)濕陷性土層厚度確定，并在每米采取原狀土樣（土樣尺寸大小必須滿足試驗需要，保證可以加工5～6個環(huán)刀樣），取得后及時運回試驗室進行含水量和抗剪強度試驗，未使用的土樣進行封裝保存。

3.2 試樣準備

將野外取回的原狀土樣進行稱量、風(fēng)干碾壓、過篩后分別計算出含水量。由土工試驗室對現(xiàn)場所取土樣進行增濕處理，獲得不同含水量試樣，具體方法如下：1）采用加水的方式改變所取試樣的含水量，制備出6個含水量不同的試樣。2）用直剪法對這6個土樣進行剪切試驗，得出抗剪強度，總結(jié)出含水量與抗剪強度之間的關(guān)系。

3.3 室內(nèi)直剪試驗

所用儀器為四聯(lián)直剪儀，通過彈性鋼環(huán)變形控制剪切位移速率。試驗前應(yīng)檢查直剪儀豎橫向傳力杠情況，檢查銷釘和螺絲的運轉(zhuǎn)情況以及百分表的靈敏度，同時檢查彈性鋼環(huán)兩端是否與剪切容器和端承支點接緊。

檢查完后，對試樣進行安裝。對準上下盒，插入定銷，放一塊透水石，并在其上放一張濾紙，對準剪切盒口，將黃土試樣慢慢地推入盒內(nèi)。試樣裝好后加載固結(jié)，每組試驗有4個試樣，在不同的垂直壓力（0.1，0.2，0.3，0.4MPa）下固結(jié)，以0.8～1.2mm/min的速率剪切，使試樣在3～5 min內(nèi)獲得每級荷載下的垂直最大剪切力。試驗結(jié)束后，關(guān)閉電源，卸掉所加荷載，取出試樣，測定剪切試驗后的試樣含水率。

4 試驗結(jié)果

黃土抗剪強度是土抵抗剪切的極限能力，當受到剪切力時，土體中相應(yīng)各點都將產(chǎn)生剪應(yīng)力，當剪應(yīng)力達到該剪切面所能承受的最大剪應(yīng)力時，剪切面兩側(cè)的土體將發(fā)生相對位移而造成滑移，隨著剪切力的增加，土體沿著滑動面產(chǎn)生的破壞喪失土體穩(wěn)定性，這種現(xiàn)象可以通過直剪試驗來體現(xiàn)。

影響抗剪強度的兩個指標，即粘聚力c與內(nèi)摩擦角，可通過直接剪切試驗得出含水量與這兩個指標的相互關(guān)系。

試驗采用原狀土樣在剪切儀器上進行，試樣底面積30cm2，高度20mm。剪切試驗過程中，主要研究含水量、時間與抗剪強度規(guī)律，配制不同的含水量為15%，18%，21%，24%，27%，其中含水量為24%和27%的試樣應(yīng)多制備幾組，在0.1，0.2，0.3，0.4MPa垂直壓力下進行試驗，試驗結(jié)果如下：

初始含水量ω1=15%ω2=18%ω3=21%ω4=24%ω4=27% 變化規(guī)律粘聚力C/kPa 29.5413.957.997.03 6.23 一直減小內(nèi)摩擦角Φ 29.525.826.323.623.8先減后增，總 體 趨 勢下降

1）含水量與粘聚力間的關(guān)系曲線

從上述圖表中可以看到，在含水量增大時，粘聚力呈降低趨勢。含水量由15%增大至21%時，粘聚力變化較大，即降低幅度達72.95%；而含水量從21%增大到27%時，粘聚力變化不明顯，即降低幅度較小。當含水量從15%增大至27%時，試樣的粘聚力趨于零。

2）含水量與內(nèi)摩擦角間的關(guān)系曲線

從上述圖表中我們可以看到：內(nèi)摩檫角隨著含水量增大總體呈降低趨勢。含水量由15%增大至27%時，內(nèi)摩擦角變化幅度小于粘聚力，說明含水量變化對內(nèi)摩擦角影響不大。

5 結(jié)果分析

通過對以上試驗數(shù)據(jù)的分析，我們可以看出含水量對粘聚力和內(nèi)摩擦力都會造成影響。隨著含水量的增加，粘聚力逐漸減小，而內(nèi)摩擦角隨含水量的變化很小，且內(nèi)摩擦角的變化與含水量之間沒有一個很明顯的變化規(guī)律。同時從圖中我們也看到當含水量超過一定值時，含水量與粘聚力之間的變化就不在明顯，說明黃土的塑限附近是影響黃土強度指標的關(guān)鍵因素。含水量增加使得土顆?？紫端龆啵瑥亩令w粒間分子粘結(jié)強度減弱，促使土體粘聚力和內(nèi)摩檫角下降。但由于其與水作用方式存在差異，導(dǎo)致粘聚力及內(nèi)摩檫角下降的規(guī)律不相同。

以上研究的重點在于通過對東山地區(qū)濕陷性黃土在不同含水量下進行抗剪強度試驗，總結(jié)出內(nèi)摩擦角和粘聚力與含水量之間的變化規(guī)律，為我們今后該地區(qū)基坑支護設(shè)計和邊坡支護設(shè)計提供比較合理的參數(shù)選取經(jīng)驗。但本文研究的難點在于通過試驗得出的規(guī)律是否具有普遍的規(guī)律性，從而能應(yīng)用到更多的工程實例中。

6 結(jié)語

濕陷性黃土是一種特殊的土質(zhì)，它會對我們的生活造成很嚴重的影響，當前加強對濕陷性黃土的研究也越來越重要。所以需要我們繼續(xù)進行濕陷性黃土試驗研究，總結(jié)規(guī)律，從而能夠為我們節(jié)約成本，提高經(jīng)濟效益。