含水率及壓實度對壓實黃土狀粉土力學(xué)特性的影響

董山,王宏宇,李婕,馬富麗,白曉紅*,2

(1.太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 山西 太原 030024；2.巖土與地下工程山西省重點實驗室， 山西 太原 030024)

0 引言

黃土狀粉土作為一種典型的特殊土，呈黃色或褐黃色，顆粒以粉粒為主，顆粒粒徑均勻、單一，級配較差，有欠壓密性[1]，且遇水有不穩(wěn)定性，因而不能用做良好的路基及地基填料，在以前的工程建設(shè)中甚至被當作了棄土。近年來，隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展及工程建設(shè)的需求不斷提高，將黃土狀粉土應(yīng)用于工程的實例屢見不鮮，特別是在山西、陜西、甘肅、寧夏等廣泛分布有豐富黃土資源的地區(qū)，黃土狀粉土已作為公路、鐵路的路基填料及工業(yè)、民用建筑的地基填料大量應(yīng)用于各種工程建設(shè)中。因此，需要深入研究黃土狀粉土的力學(xué)特性以便能解決黃土狀粉土在工程建設(shè)中產(chǎn)生的各種問題,從而獲得更好的社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益。

對于各類土包括黃土力學(xué)特性的研究，國內(nèi)外已經(jīng)取得了一些成果。肖軍華等[2]研究了黃河沖積粉土的工程力學(xué)特性，得出隨著含水率的增加，土的變形性狀由軟化型轉(zhuǎn)變?yōu)橛不?，粘聚力隨壓實度的減小或含水率的增加顯著降低，而內(nèi)摩擦角的變化不大。楊晶等[3]通過直剪試驗得到壓實黃土的剪切強度隨含水率的增加而降低。胡長明等[4]通過對呂梁某地壓實馬蘭黃土變形及抗剪強度特性的研究，得出結(jié)論：隨著壓實度的增大及含水率的降低，粘聚力和內(nèi)摩擦角均會增加。陳偉等[5]對重塑黃土進行了三軸試驗，結(jié)果表明，粘聚力隨含水率的增大先增大后減小，內(nèi)摩擦角隨含水率的增大而減小，粘聚力隨壓實度的增大而增大。周春梅等[6]對壓實黃土進行了三軸試驗，得到隨著含水率的增加，應(yīng)力—應(yīng)變曲線由弱硬化向強硬化轉(zhuǎn)變，粘聚力與內(nèi)摩擦角均隨含水率的增加而減小，隨壓實度的增加而增大。王林浩等[7]進行了直剪試驗，結(jié)果表明，壓實黃土狀粉土的粘聚力和內(nèi)摩擦角均隨干密度的增加而增大，隨含水率的增大而減小。LAMBE[8]指出，對于同一壓實能及干密度下的土，在最優(yōu)含水率干側(cè)壓實比在濕側(cè)壓實有更高的強度和滲透性以及更低的側(cè)限壓縮性。KONG等[9]的試驗表明含水率對內(nèi)摩擦角的影響在塑限兩側(cè)存在明顯差異。MANCUSO等[10]對同一吸力及飽和度下的擊實土樣進行了常吸力壓縮和剪切試驗，發(fā)現(xiàn)在最優(yōu)含水率處土樣的變形與其偏濕側(cè)有較大差異。BOWDERS[11]研究了擊實功對壓實黃土抗剪強度特性的影響，并得出壓實黃土的抗剪強度會隨擊實功的增大而增大。TOLL[12]通過對壓實土的試驗發(fā)現(xiàn)，在相同壓實功作用下，當含水率較低時，土樣的粘聚力隨含水率的增大而增大，其值在最優(yōu)含水率附近達到最大，而繼續(xù)增大含水率，粘聚力則會減小。

可以看到，現(xiàn)有研究并不乏對黃土力學(xué)特性的探討，但對黃土狀粉土力學(xué)特性的研究卻十分有限，本文將從含水率和壓實度的角度對壓實黃土狀粉土的力學(xué)特性進行研究。

1 試驗研究

1.1 試驗材料

本試驗所用黃土狀粉土取自山西省忻州市寧武縣某地，其基本物理性質(zhì)指標見表1，顆粒組成見表2。

表1 試驗用土的基本物理性質(zhì)指標Tab.1 Basic physical properties of soil used in this study

表2 試驗用土的顆粒組成Tab.2 Grain composition of soil used in this study

1.2 試樣制備

將試驗所用的黃土狀粉土進行風干、碾碎并過2 mm篩，配制含水率分別為8.8 %、10.8 %、12.8 %、14.8 %的4種土料，通過式(1)、式(2)計算出不同含水率及壓實度下試樣所需的土料質(zhì)量，分5層在三軸擊樣器內(nèi)進行擊實，控制每層的擊實厚度為16 mm，從而制備出每種含水率下壓實度為90 %、93 %、96 %的3種試樣，試樣為直徑39.1 mm、高度80 mm的圓柱體，本試驗將配制得到12組不同含水率及壓實度的試樣，每組需配制同一含水率及壓實度的試樣3個，分別在不同圍壓下進行三軸壓縮試驗。

ρd=k·ρdmax,

(1)

式中：ρd為土樣的干密度，g/cm3；k為土樣的設(shè)計壓實度， %；ρdmax為土樣的最大干密度，g/cm3。

m=ρd·(1+0.01w)·V,

(2)

式中：m為制備設(shè)定含水率及壓實度的試樣所需的土料質(zhì)量，g；ρd為土樣在設(shè)計壓實度下的干密度，g/cm3；w為土樣的設(shè)計含水率， %；V為三軸擊樣器體積，這里為96 cm3。

1.3 試驗方法

試驗采用TruePath全自動應(yīng)力路徑三軸試驗系統(tǒng)，對試樣進行三軸壓縮試驗?，F(xiàn)如今，工程建設(shè)的需求造成了多數(shù)工程施工速度的提升，這更接近于不固結(jié)不排水的試驗條件，且在這種試驗條件下進行計算會比較安全，故本試驗采用不固結(jié)不排水法[13]。試驗時使每組同一含水率及壓實度的試樣分別在100 kPa、200 kPa、300 kPa的圍壓下剪切直至破壞[14]，控制剪切應(yīng)變速率為0.5 %/min，整個試驗過程中保持排水閥關(guān)閉，本試驗取有效主應(yīng)力比的最大值作為破壞點。其試驗方案見表3。

表3 試驗方案Tab.3 Test scheme

2 試驗結(jié)果分析

2.1 含水率及壓實度對壓實黃土狀粉土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的影響

應(yīng)力—應(yīng)變曲線能夠非常直觀地體現(xiàn)土的強度及變形特性，同時，它也是預(yù)測地基變形和進行穩(wěn)定性分析的必要條件，對實際工程有重要意義。本試驗將試驗結(jié)果以偏應(yīng)力(即主應(yīng)力差)為縱坐標，以軸向應(yīng)變?yōu)闄M坐標，繪制出(σ1-σ3)-ε1曲線，并分析含水率及壓實度對應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的影響。

2.1.1 含水率對應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的影響

圖1是壓實度為93 %的試樣在不同含水率下的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線。通過對比可以發(fā)現(xiàn)試樣的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線隨著含水率的變化而表現(xiàn)出顯著的差異。能夠看到，隨著含水率的增大，主應(yīng)力差的峰值逐漸減小，且曲線的形狀逐漸從陡峭變?yōu)槠交?。這是由于隨著含水率的增大，水分的潤滑作用使得摩擦力減小，顆粒間更易發(fā)生相對運動，此外水分也會溶解土顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)和鹽類從而破壞了顆粒間的膠結(jié)作用，這些都會造成試樣的強度減小，表現(xiàn)為主應(yīng)力差峰值的減小。同時，圖1表明壓實黃土狀粉土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系受含水率增大的影響呈現(xiàn)出由應(yīng)變軟化型向應(yīng)變硬化型的轉(zhuǎn)變。此外，不難發(fā)現(xiàn)，土體的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系在低含水率、低圍壓狀態(tài)下趨向于應(yīng)變軟化型，而在高含水率、高圍壓狀態(tài)下更趨向于應(yīng)變硬化型。

(a) σ3=100 kPa

2.1.2 壓實度對應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的影響

圖2是含水率為8.8 %的試樣在不同壓實度下的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線?？梢钥吹?，主應(yīng)力差的峰值隨著壓實度的增大有明顯提高，且壓實度越大的試樣，曲線的初始剛度也越大。同時，試樣的變形性狀受壓實度的影響也發(fā)生了顯著的變化，當壓實度較低時，在應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線上，偏應(yīng)力隨著軸向應(yīng)變的增大先快速增加，而后逐漸趨于穩(wěn)定，沒有明顯的峰值強度，為弱硬化型[15]，而隨著壓實度的增大，曲線則逐步過渡為軟化型，表明壓實度越大，土體的脆性變形越明顯，相反其塑性逐漸減弱。

(a) w=8.8 %, σ3=100 kPa

2.2 含水率及壓實度對壓實黃土狀粉土抗剪強度指標的影響

根據(jù)莫爾—庫侖強度理論，含水率及壓實度變化對壓實黃土狀粉土抗剪強度的影響主要是通過它們對抗剪強度指標即粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ產(chǎn)生的影響來反映的。對于同一種土而言，含水率和壓實度無疑是決定抗剪強度的兩個最主要的因素[16]。

依據(jù)試驗結(jié)果，在同一τ-σ平面坐標系內(nèi)作出相同含水率和壓實度的一組試樣在不同圍壓下的3個極限應(yīng)力圓并繪出它們的公切線，即為土的抗剪強度包線，據(jù)此可求得土的抗剪強度指標c、φ值，其結(jié)果見表4。根據(jù)表4數(shù)據(jù)可以得到試樣的抗剪強度指標隨含水率及壓實度的變化曲線(圖3、圖4)從而來分析壓實黃土狀粉土的抗剪強度指標隨含水率和壓實度的變化規(guī)律。

(a) 粘聚力隨含水率變化情況

(a) 粘聚力隨壓實度變化情況

表4 試樣在不同含水率和壓實度下的c、φ值Tab.4 Cohesions and internal friction angles of specimens under different water contents and compaction degrees

2.2.1 含水率對抗剪強度指標的影響

圖3(a)為不同壓實度狀態(tài)下試樣的粘聚力隨含水率變化的關(guān)系曲線。可以看出，在相同壓實度下，試樣的粘聚力隨著含水率的增大呈現(xiàn)出一個先增大后減小的趨勢。當含水率小于最優(yōu)含水率時，粘聚力隨含水率的增大而增大，在最優(yōu)含水率附近粘聚力達到最大值；而當含水率大于最優(yōu)含水率時，隨著含水率的增大，粘聚力則發(fā)生顯著降低。當試樣的含水率小于最優(yōu)含水率時，水分主要以結(jié)合水的形式存在于土顆粒中，會對顆粒產(chǎn)生結(jié)合作用，隨著含水率的增大，這種結(jié)合作用逐漸增強，從而增大了土體的粘聚力；當含水率達到最優(yōu)含水率附近時，結(jié)合水的結(jié)合作用最強，使得粘聚力達到最大；當試樣的含水率超過最優(yōu)含水率時，土中水轉(zhuǎn)變?yōu)榉墙Y(jié)合水，這種結(jié)合作用不再增強，而含水率的繼續(xù)增加會使土體飽和度明顯增大，會導(dǎo)致土中基質(zhì)吸力顯著降低，表現(xiàn)為粘聚力的大幅降低，此外，大量的水分會溶解土顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)和鹽類從而減弱了顆粒間的膠結(jié)作用，這也將造成粘聚力的減小。同時，可以發(fā)現(xiàn)，在相同壓實度條件下，試樣在含水率小于最優(yōu)含水率時的粘聚力大于含水率大于最優(yōu)含水率時的粘聚力。

圖3(b)為不同壓實度狀態(tài)下試樣的內(nèi)摩擦角隨含水率變化的關(guān)系曲線。可以看出，在相同壓實度下，試樣的內(nèi)摩擦角隨含水率的增大而減小。這是因為隨著含水率的增加，水分的潤滑作用使得摩擦力降低，導(dǎo)致土粒間易發(fā)生相對移動，故內(nèi)摩擦角變小。但在最優(yōu)含水率兩側(cè)內(nèi)摩擦角減小的程度卻存在一定的差異，當含水率小于最優(yōu)含水率時，伴隨含水率的增大，內(nèi)摩擦角有顯著的減小，而當含水率大于最優(yōu)含水率時，內(nèi)摩擦角則是略有減小。例如，壓實度為90 %的試樣，當含水率從8.8 %增加到12.8 %，內(nèi)摩擦角會由28.91°減小到24.71°，減小了4.2°；而當含水率從12.8 %增加到14.8 %，內(nèi)摩擦角則會由24.71°減小到24.14°，減小了0.57°。其原因是當土體含水率較低時，土中水主要以土粒周圍的結(jié)合水膜(強結(jié)合水膜及弱結(jié)合水膜)的形式存在。其中，強結(jié)合水膜中的水分子不能移動，弱結(jié)合水膜中的水分子可沿土粒表面移動從而對土粒間的相對運動起潤滑作用。隨著含水率增大，弱結(jié)合水膜變厚，使得土粒易發(fā)生相對運動，摩擦力減小，表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角隨含水率的增大而減小。當含水率達到最優(yōu)含水率附近，結(jié)合水膜最厚，此時，若繼續(xù)增大含水率，增加的水分則會以自由水的形式存在于土體孔隙中，對土粒間的相對運動不再增加潤滑作用，表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角隨含水率的增大略有減小[17]。同時，可以發(fā)現(xiàn)，壓實度越低，含水率對內(nèi)摩擦角影響越大。當含水率從8.8 %變化到14.8 %，受含水率增大的影響，壓實度為96 %的試樣內(nèi)摩擦角從29.16°減小到了27.57°，減小了1.59°；而壓實度為90 %的試樣則從28.91°減小到了24.14°，減小了4.77°。

觀察對比圖3中數(shù)據(jù)，能夠看到，受含水率的影響，粘聚力的變化量要大于內(nèi)摩擦角的變化量，可見含水率對粘聚力的影響程度是大于對內(nèi)摩擦角的影響程度的。因此，含水率對抗剪強度的影響主要是通過其對粘聚力的影響起作用，而對內(nèi)摩擦角的影響則很小。

2.2.2 壓實度對抗剪強度指標的影響

圖4(a)為不同含水率狀態(tài)下試樣的粘聚力隨壓實度變化的關(guān)系曲線。能夠看到，在同一含水率條件下，試樣的粘聚力隨壓實度的增大呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。這是由于土體的粘聚力主要由結(jié)合水膜的連接作用、顆粒之間的引力作用和膠結(jié)作用組成[18]，隨著壓實度的增大，土粒的間距縮小、接觸變緊，使得土顆粒間的引力和膠結(jié)力變大及水膜的連接作用增強，這些都導(dǎo)致了粘聚力的增大。

圖4(b)為不同含水率狀態(tài)下試樣的內(nèi)摩擦角隨壓實度變化的關(guān)系曲線。可以看出，當試樣的含水率相同時，其內(nèi)摩擦角隨著壓實度的增加而逐漸增大。這是因為土體顆粒之間的接觸會隨著壓實度的增大而變得緊密，咬合力也隨之變大，使得土顆粒間不易發(fā)生相對運動，表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角的增大。通過對比不同含水率條件下的關(guān)系曲線，不難發(fā)現(xiàn)，試樣的含水率越大，壓實度對內(nèi)摩擦角的影響越大。當壓實度從90 %增大到96 %，含水率為8.8 %、10.8 %、12.8 %、14.8 %的試樣內(nèi)摩擦角的增加量分別為0.25°、0.85°、2.89°、3.43°。這也說明當試樣的含水率小于最優(yōu)含水率時，內(nèi)摩擦角隨壓實度的增加無明顯增大，而當含水率達到最優(yōu)含水率以后，內(nèi)摩擦角則會隨著壓實度的增加明顯變大。其原因可以從結(jié)合水膜的角度進行分析：當含水率較低時(小于最優(yōu)含水率)，土中水主要以結(jié)合水膜的形式存在，且結(jié)合水膜較薄，從而壓實度對水膜的厚度影響較小，表現(xiàn)為壓實度對內(nèi)摩擦角的影響較??；當含水率較高時(大于最優(yōu)含水率)，低壓實度下，土粒間的距離較大，土粒周圍的結(jié)合水膜較厚，其潤滑作用使得摩擦力較小，表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角值較小，隨著壓實度增大，土粒間的距離縮小從而使得摩擦力增大，表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角的顯著增大[19]。

觀察對比圖4中數(shù)據(jù)，可以看到，隨著壓實度的增大，粘聚力的增加量較內(nèi)摩擦角大，能夠說明，壓實度對抗剪強度的影響主要是由粘聚力來體現(xiàn)的。

3 結(jié)論

本文選取山西省忻州市寧武縣某地的黃土狀粉土進行了不同含水率和壓實度條件下的三軸壓縮試驗，探討了壓實黃土狀粉土的變形與抗剪強度特性，可得到如下結(jié)論：

① 壓實黃土狀粉土的偏應(yīng)力峰值隨含水率的增大而減小，隨壓實度的增大而增大；其應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線受含水率增大的影響由應(yīng)變軟化型轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變硬化型，而隨壓實度的增大則是由弱硬化型過渡到軟化型。

② 壓實黃土狀粉土的粘聚力隨著含水率的增大先增大后減小，在最優(yōu)含水率附近達到峰值，且在最優(yōu)含水率干側(cè)大于濕側(cè)；其內(nèi)摩擦角隨含水率的增大而減小，且在最優(yōu)含水率干側(cè)減小的程度更為明顯，此外，壓實度越低，內(nèi)摩擦角的減小程度越大。

③ 壓實黃土狀粉土的粘聚力與內(nèi)摩擦角均隨壓實度的增大而增大，而且，含水率越大，內(nèi)摩擦角隨壓實度增大的程度也越大。

④ 含水率及壓實度對粘聚力的影響大于對內(nèi)摩擦角的影響，表明含水率和壓實度對抗剪強度的影響主要是通過它們對粘聚力的影響來體現(xiàn)的。