天然土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度特性研究綜述

唐蕓黎 黃英 賀登芳 唐森濤 李劍寒

摘 要：土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是指土體在無側(cè)限約束條件下抵抗壓縮破壞的能力。本文分析總結(jié)了國(guó)內(nèi)外有關(guān)土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度特性研究進(jìn)展。研究過程中，通過單軸無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、三軸無側(cè)限壓縮試驗(yàn)等方法，考慮含水率、干密度、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)、摻入劑含量等因素，研究了不同影響因素下紅土、黃土、膨脹土、黏性土等不同天然土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度特性的變化規(guī)律，指出了目前研究中存在的問題，并對(duì)今后的研究工作提出了展望。

關(guān)鍵詞：紅土;黃土;膨脹土;改良土;無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TU411.6? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）01-0159-02

1引言

實(shí)際巖土體結(jié)構(gòu)工程中，如大壩的上下游面、壩頂部位以及邊坡、擋土墻、路基等工程存在大量的臨空面，臨空面上的土體處于無側(cè)限約束的條件，其力學(xué)特性通過用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度來表示。土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是指土體在無側(cè)限約束條件下抵抗壓縮破壞的能力。它是反映土體力學(xué)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一，受到土體的土性、含水率、干密度（壓實(shí)度）、溫度、時(shí)間、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)等因素的影響，各種影響因素綜合作用的結(jié)果可能導(dǎo)致臨空土體發(fā)生滑坡、崩塌、滑落等工程破環(huán)，降低了土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，危及工程的安全運(yùn)行。而為了提高土體的無側(cè)限抗壓能力，可以在土體中添加強(qiáng)固劑以及高分子復(fù)合材料構(gòu)成加固土體或加筋土體來改良土體的性能。因此，研究土體處于無側(cè)限條件下的強(qiáng)度變化規(guī)律對(duì)于實(shí)際工程具有重大的指導(dǎo)意義。本文就是對(duì)相關(guān)研究成果的分析總結(jié)。

2天然土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度特性

本文的天然土體指的是土體中未添加任何加固材料、加筋材料的素土體，涉及土類包括紅土、黃土、膨脹土、黏性土等，目前主要通過單軸無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和少數(shù)三軸無側(cè)限壓縮試驗(yàn)來研究土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度特性。

2.1天然紅土

陳議城等[1] （2020）通過室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了不同含水率對(duì)桂林紅黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。表明，隨著含水率的增大，桂林紅黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈指數(shù)關(guān)系減小。方娟等[2] （2020）通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了結(jié)構(gòu)性、含水率對(duì)畢節(jié)紅黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。表明，畢節(jié)原狀紅黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線多為應(yīng)變軟化型、重塑紅黏土多為應(yīng)變硬化型。原狀紅黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水率的增大先增大后減小，46%時(shí)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最小，48%時(shí)達(dá)到峰值，這是因?yàn)榧t黏土產(chǎn)生干縮使土體結(jié)構(gòu)性破壞，導(dǎo)致含水率較低時(shí)土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低。重塑紅黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水率的增大而降低。王海湘[3] （2018）通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了賀州紅黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度特性。結(jié)果表明，隨著含水率的增大，賀州紅黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)含水率為27%時(shí)，賀州紅黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大，隨后逐漸減弱。

2.2 天然黃土

高國(guó)紅等[4] （2019）采用三軸儀進(jìn)行無側(cè)限壓縮試驗(yàn)，研究了不同含水率和干密度對(duì)重塑馬蘭黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。表明，重塑馬蘭黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水率的增大而減小，隨干密度的增大而增大。魏堯等[5] （2019）[5] 通過單軸無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和析因?qū)嶒?yàn)，研究了含水率、凍融循環(huán)次數(shù)和凍結(jié)溫度三因素的交互作用對(duì)黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。研究表明，不同含水率的原狀黃土在經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度都大幅下降;三因素單獨(dú)作用時(shí)，凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響最顯著，其次是含水率，最后是凍結(jié)溫度;三因素交互作用時(shí)，凍融循環(huán)次數(shù)和含水率共同作用對(duì)黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響最大，凍融循環(huán)次數(shù)和凍結(jié)溫度的共同作用對(duì)黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響最小。高建偉等[6] （2014）采用無側(cè)限壓縮儀進(jìn)行室內(nèi)單軸無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了含水率、干密度對(duì)黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。表明，當(dāng)含水率一定時(shí)，隨著干密度的增大，黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度線性增加，增長(zhǎng)速率隨含水率的增加而線性降低;當(dāng)干密度一定時(shí)，隨著含水率的增大，黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度以二次函數(shù)的形式降低。

2.3 天然膨脹土

吳道祥等[7] （2016）通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和電阻率試驗(yàn)，研究了含水率、電阻率對(duì)膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。研究表明，隨著含水率的增大，膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈指數(shù)減小;隨著初始電阻率的增大，膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈線性增大。孟凡東[8] （2013）通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。表明，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度減小，2次干濕循環(huán)時(shí)減小的幅度最大，2次干濕循環(huán)后減小幅度變小。慕現(xiàn)杰等[9] （2008）通過干濕循環(huán)試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了在干濕循環(huán)作用下膨脹土強(qiáng)度的變化規(guī)律。研究表明，膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水率的升高而降低，塑限是膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，當(dāng)含水率大于塑限時(shí)，膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度受裂縫的影響小受含水率影響大;當(dāng)含水率小于塑限時(shí)，裂縫對(duì)強(qiáng)度變化起主要作用。

2.4 天然黏性土

高亞琛[10] （2019）通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了在不同干密度、含水率的條件下，黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律。表明，當(dāng)含水率較低時(shí)，隨著干密度的增加，黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯增加;當(dāng)干密度一定時(shí)，黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水率的增大而減小，且干密度越大，減小速率越明顯。姜彤等[11] （2015）通過室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了在干濕循環(huán)作用下3種不同壓實(shí)度粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。表明，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度減小，且衰減幅度隨著壓實(shí)度的增大而逐漸減小。Jotisankasa? A[12] （2009）[10] 對(duì)曼谷黏土進(jìn)行了無側(cè)限壓縮試驗(yàn)，采用土壤張力計(jì)測(cè)定了曼谷黏土的土壤吸力和有效強(qiáng)度參數(shù)。表明，曼谷黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與土壤吸力之間存在正相關(guān)關(guān)系。

3 存在的問題與建議

3.1 取得的研究成果

目前很多學(xué)者針對(duì)紅土、黃土、膨脹土、黏性土等天然土體通過單軸無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和少數(shù)三軸無側(cè)限壓縮試驗(yàn)進(jìn)行了大量的研究，主要考慮了干密度、含水率、干濕循環(huán)次數(shù)、凍融循環(huán)次數(shù)的影響，研究了不同的因素對(duì)天然土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著干密度的增大，天然土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大;隨著含水率的增大，天然土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度減小;隨著干濕循環(huán)次數(shù)和凍融循環(huán)次數(shù)的增加，天然土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度減小。

3.2 存在的問題及建議

目前主要考慮含水率、干密度、干濕循環(huán)次數(shù)、凍融循環(huán)次數(shù)等，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、三軸無側(cè)限壓縮試驗(yàn)從宏觀上來研究不同土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度特性。但對(duì)于理論和微結(jié)構(gòu)方面研究較少;以室內(nèi)試驗(yàn)為主，缺乏現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn);影響因素考慮不全面。今后應(yīng)將無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果提升到理論高度進(jìn)行研究，開展無側(cè)限條件下土體的微結(jié)構(gòu)機(jī)制以及宏微觀統(tǒng)一性研究，開展干濕循環(huán)時(shí)間、干濕循環(huán)溫度、干濕循環(huán)幅度、凍融循環(huán)溫度、凍融循環(huán)幅度、試驗(yàn)尺寸等影響因素的研究。

4結(jié)論

（1）針對(duì)天然土體，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)表明，隨著干密度的增大，天然土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大;隨著含水率的增大，天然土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度減小;隨著干濕循環(huán)次數(shù)的凍融循環(huán)次數(shù)的增加，天然土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度減小。

（2）目前的研究主要以試驗(yàn)研究為主，考慮不同的影響因素，針對(duì)土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度特性進(jìn)行研究，針對(duì)無側(cè)限條件下土體的微結(jié)構(gòu)機(jī)制以及宏微觀統(tǒng)一性研究較少。

參考文獻(xiàn) ：

[1]陳議城，陳學(xué)軍，吳迪，黃翔，唐靈明，畢鵬雁.不同含水率下紅黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與電阻率關(guān)系[J].桂林理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，40（02）：358-364.

[2]方娟，孟來，李美霖，等.單軸條件下畢節(jié)紅黏土的強(qiáng)度破壞試驗(yàn)研究[J].四川建材， 2020，46 （01）：1-2.

[3]王海湘.廣西賀州紅黏土的工程性質(zhì)研究[J].公路， 2018，63（01）：13-19.

[4]高國(guó)紅，霍俊杰.重塑黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與基質(zhì)吸力關(guān)系[J].人民長(zhǎng)江，2019，50（10）：193-196+208.

[5]魏堯，楊更社，葉萬(wàn)軍，等.凍融黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的析因?qū)嶒?yàn)[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，39（01）： 103-111.

[6]高建偉，余宏明，李科.黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)研究[J].安全與環(huán)境工程，2014，21（04）：132-137.

[7]吳道祥，熊福才，郭靜芳，等.不同含水率膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度-電阻率試驗(yàn)研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，39（12）：1688-1692.

[8]孟凡東.干濕循環(huán)效應(yīng)對(duì)淠史杭灌區(qū)膨脹土強(qiáng)度特性的影響研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

[9]慕現(xiàn)杰，張小平.干濕循環(huán)條件下膨脹土力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2008，29（S1）：580-582.

[10]高亞琛.白洋淀粉質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬[D].河北大學(xué)，2019.

[11]姜彤，李艷會(huì)，張俊然，等.干濕循環(huán)對(duì)豫東路基粉土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響[J].華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，36（02）：44-48.

[12]Jotisankasa A. Determination of Effective Strength Parameters of Soft Bangkok Clay Using Suction-monitored Unconfined Compression Tests[D].Bangkok： Kasetsart University， 2009.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51568031）