不同含水率原狀黃土的強(qiáng)度與變形特性試驗(yàn)研究

王 燕，姚仰平，胡玉定，梅 源

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

黃土是我國西北地區(qū)廣泛覆蓋的一種典型的區(qū)域性特殊土，西部大開發(fā)戰(zhàn)略實(shí)施中基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、生態(tài)環(huán)境改善均與黃土密切聯(lián)系[1-3].一直以來，黃土的水敏性是影響其力學(xué)特性和工程性質(zhì)的關(guān)鍵所在，是巖土工程界面臨及關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一.眾多學(xué)者對此進(jìn)行了多角度、多方面的試驗(yàn)與理論研究工作，并取得了可貴的成果.胡再強(qiáng)等[4-5]進(jìn)行了原狀結(jié)構(gòu)性黃土和人工制備結(jié)構(gòu)性黃土的室內(nèi)側(cè)限壓縮試驗(yàn)、等含水量三軸剪切試驗(yàn)以及等吸力三軸剪切試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，黃土的變形與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的破壞有直接的關(guān)系.邵生俊等[6-7]基于相同干密度下原狀黃土、飽和黃土以及重塑黃土的三軸剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線，構(gòu)建了反映黃土結(jié)構(gòu)性的定量化參數(shù)mσ，測試結(jié)果分析表明：不同含水率和不同固結(jié)圍壓下，結(jié)構(gòu)性參數(shù)均呈現(xiàn)較好的規(guī)律性和穩(wěn)定性.陳存禮等[8]通過不同初始吸力下非飽和原狀黃土的等向壓縮和三軸剪切試驗(yàn)，研究了常含水率下非飽和原狀黃土的變形特性、臨界狀態(tài)、屈服及吸力變化特性，對不排水條件下土體快速破壞的工程實(shí)際有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值.隨著測試技術(shù)的進(jìn)步，利用真三軸儀更真實(shí)、全面地模擬黃土的三維受力狀態(tài)無疑具有優(yōu)勢[9-10]；而借助CT掃描技術(shù)[11-12]，研究黃土在受力或浸水過程中細(xì)觀結(jié)構(gòu)的演化過程，為黃土細(xì)觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)之間定量關(guān)系的研究奠定了基礎(chǔ)[13-15].以上研究工作，極大地豐富了對黃土特殊力學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識，縮短了黃土力學(xué)與實(shí)際工程應(yīng)用的距離.然而，由于受沉積年代、應(yīng)力歷史、水濕狀態(tài)等自身復(fù)雜因素的影響和測試技術(shù)、手段的制約，黃土特殊的力學(xué)演化規(guī)律還不十分明晰，基礎(chǔ)理論的完善還需更多試驗(yàn)的支撐.基于此，本文以西安地區(qū)的原狀Q3黃土為試驗(yàn)材料，利用非飽和土三軸儀，研究不同初始含水率下原狀黃土的強(qiáng)度與變形規(guī)律，為進(jìn)一步建立黃土在力與水作用下的基礎(chǔ)理論提供試驗(yàn)依據(jù).

1 試驗(yàn)土樣與試驗(yàn)方案

1.1 土樣的基本性質(zhì)

試驗(yàn)用土取自西安市未央?yún)^(qū)某一建筑施工場地.該場地地貌屬黃土梁，地下水屬潛水類型，勘察期間水位埋深為20.10～21.05 m.在基坑側(cè)壁3.5～4.0 m處取原狀土樣，取土及運(yùn)輸過程盡量避免擾動.所取土樣屬Q(mào)3黃土，土呈褐黃色，具有肉眼可見大孔隙，針狀孔隙發(fā)育，含鈣質(zhì)條紋、鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)及蝸牛殼等.在實(shí)驗(yàn)室測得其基本的物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示.

表1 原狀Q3黃土的物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試樣制備

為了研究不同含水率原狀黃土的變形強(qiáng)度特性，對天然含水率為21.9%的試樣，通過減濕(自然烘干法)及增濕(水膜轉(zhuǎn)移法)的控制方法，共制備5組不同含水率的試樣.含水率變化依次為：9.0%、15.0%、21.9%(天然含水量)、27.0%、32.0%；初始飽和度依次為：19.8%、33.0%、48.3%、59.5%、70.5%.將制備好的試樣在保濕器中放置48 h以上，以保證試樣中的水分均勻擴(kuò)散.

1.3 試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)儀器采用江蘇溧陽市永昌工程實(shí)驗(yàn)儀器廠研制的FSY30型應(yīng)變控制式非飽和土三軸儀，可通過高進(jìn)氣陶瓷板和軸平移技術(shù)實(shí)現(xiàn)吸力的測量.

進(jìn)行兩種不同應(yīng)力路徑下的試驗(yàn)：(1)5組不同含水率原狀黃土的各向等壓固結(jié)試驗(yàn).所加凈圍壓的次序?yàn)椋?5 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa、500 kPa、600 kPa；每級圍壓的固結(jié)時(shí)間為12 h以上，穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為：排水量及體變量連續(xù)2 h均不超過0.01 mm3.(2)5組不同含水率原狀黃土的固結(jié)排氣不排水剪切試驗(yàn).固結(jié)的凈圍壓分別為50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa.固結(jié)穩(wěn)定后，關(guān)閉排水閥門，待試樣中的孔隙水壓變化穩(wěn)定后再進(jìn)行剪切，剪切速率為0.032 mm/min.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 各向等壓固結(jié)試驗(yàn)

在各向等壓固結(jié)試驗(yàn)過程中，隨著凈平均應(yīng)力p的增大，孔隙氣體的壓縮及排出，試樣的孔隙比e不斷減小.則由試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制得到不同含水率原狀黃土的e-lnp關(guān)系曲線如圖1所示.

圖1 各向等壓固結(jié)試驗(yàn)的e-lnp曲線

由圖1可知，同一含水率下，原狀黃土的e-lnp曲線基本呈現(xiàn)出“前緩后陡”的形態(tài)，即存在一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn).采用Casagrande的方法確定曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，則轉(zhuǎn)折點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力即為該土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[16-17].在土中應(yīng)力未達(dá)到土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度前，黃土顆粒間只有部分連接點(diǎn)破壞或移動，因此，只產(chǎn)生少量變形，孔隙比緩慢減小.當(dāng)土中應(yīng)力超過土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度后，顆粒間的架空孔隙結(jié)構(gòu)受到極大的破壞，隨著骨架顆粒急速滑落到架空孔隙的空腔中，土體變形迅速增大，孔隙比迅速減小[18].

進(jìn)一步得到原狀黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度ps隨含水率w的變化規(guī)律如圖2所示.由圖2可知，原狀黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨含水率的增大而迅速降低，且在低含水率時(shí)其強(qiáng)度的降低幅度遠(yuǎn)大于高含水率時(shí)的降低幅度.具體地說，當(dāng)含水率為9.0%時(shí)，原狀黃土表現(xiàn)出較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，為298.87 kPa；但當(dāng)含水率增加到15.0%時(shí)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度很快降低到164.02 kPa，降低了134.85 kPa，強(qiáng)度損失了近半；隨著含水率的繼續(xù)增加，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的下降幅度逐漸放緩，直至含水率32.0%時(shí)，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仍存60.34 kPa.

圖2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與含水率的關(guān)系曲線

將結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨含水率的變化關(guān)系擬合成一條光滑的曲線，可描述為冪函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

ps=Awλ

(1)

式中：A、λ均為土性參數(shù).在本次試驗(yàn)中，其值分別為4 578.5、-1.233，相關(guān)系數(shù)R2=0.998.

2.2 固結(jié)排氣不排水剪切試驗(yàn)

2.2.1 不同含水率原狀黃土的應(yīng)力-應(yīng)變特性

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了不同含水率下原狀黃土的偏應(yīng)力-軸應(yīng)變、體應(yīng)變-軸應(yīng)變關(guān)系曲線如圖3所示.

圖3 三軸剪切試驗(yàn)的(σ1-σ3)-ε1和εv-ε1關(guān)系曲線

由圖3可知，在三軸壓縮條件(σ1>σ2=σ3)下，原狀黃土的(σ1-σ3)-ε1、εv-ε1關(guān)系曲線與含水率(水濕狀態(tài))和固結(jié)圍壓(應(yīng)力水平)均有密切的關(guān)系.具體描述如下：

(1)當(dāng)固結(jié)圍壓(σ3-ua)為50 kPa時(shí)(圖3(a))，由于不同含水率原狀黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度都大于此時(shí)的固結(jié)應(yīng)力，因此，其(σ1-σ3)-ε1關(guān)系曲線均表現(xiàn)出弱硬化型，即隨著軸應(yīng)變ε1的不斷增大，土的偏應(yīng)力(σ1-σ3)在達(dá)到某一數(shù)值后基本保持穩(wěn)定，沒有顯著的提高.當(dāng)固結(jié)圍壓(σ3-ua)增大到100 kPa時(shí)(圖3(b))，(σ1-σ3)-ε1曲線有兩種趨勢：含水率為9.0%、15.0%、21.9%的試樣仍呈現(xiàn)為弱硬化型；而含水率為27.0%、32.0%的試樣已呈現(xiàn)出強(qiáng)硬化型.隨著固結(jié)圍壓(σ3-ua)繼續(xù)增大到200 kPa、300 kPa(圖3(c)、(d))，各含水率試樣的(σ1-σ3)-ε1關(guān)系曲線均表現(xiàn)出強(qiáng)硬化型，即隨著軸應(yīng)變ε1的不斷增大，土的偏應(yīng)力不斷提高.進(jìn)一步分析表明，黃土含水率的變化對原狀黃土應(yīng)力-應(yīng)變曲線類型有顯著的影響：當(dāng)黃土的含水率較低時(shí)，黃土顆粒間較強(qiáng)的固化聯(lián)結(jié)使其表現(xiàn)出較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，若此時(shí)的固結(jié)圍壓相對較小，那么應(yīng)力-應(yīng)變曲線就可能表現(xiàn)出弱硬化型；隨著黃土含水率的增加，水分子的楔入引起黃土顆粒間膠結(jié)鹽晶的不斷溶解，從而不斷地削弱黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，當(dāng)固結(jié)圍壓相對較大時(shí)，黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會遭到進(jìn)一步的破壞，隨著土體的進(jìn)一步壓密和次生結(jié)構(gòu)的生成，應(yīng)力-應(yīng)變曲線就表現(xiàn)出強(qiáng)硬化型；

(2)含水率為9.0%的試樣，在固結(jié)圍壓(σ3-ua)為50 kPa、100 kPa時(shí)，其εv-ε1關(guān)系曲線表現(xiàn)出弱軟化型，即在剪切過程中，試樣的體應(yīng)變εv先增大后緩慢減小，土體有一定的剪脹現(xiàn)象.而在其他試驗(yàn)條件下，εv-ε1關(guān)系曲線均為強(qiáng)硬化型，即在剪切過程中，試樣的體應(yīng)變εv不斷增大，土體一直處于剪縮狀態(tài).這是由于原狀黃土在較低含水率時(shí)，顆粒間的膠結(jié)咬合作用較強(qiáng)，較低的固結(jié)應(yīng)力無法打破這種聯(lián)結(jié)狀況，于是，在剪切過程中因土顆粒間的相互滑移遠(yuǎn)離而引起土體膨脹；而隨著含水率的增加或固結(jié)應(yīng)力的增大，顆粒間的聯(lián)結(jié)狀況逐漸破壞，土顆粒在剪切過程中向孔隙中移動，使土體積壓縮；

(3)在同一固結(jié)圍壓下，不同含水率試樣的(σ1-σ3)-ε1、εv-ε1關(guān)系曲線均無交叉現(xiàn)象.隨著含水率的增大，黃土的初始變形模量(ε1<2%)與抗剪強(qiáng)度(ε1=15%)不斷減小，而體積變形卻逐漸增大.強(qiáng)度的降低與變形的增大是黃土的水敏性這一特殊本質(zhì)反映出的不同側(cè)面.

2.2.2 臨界狀態(tài)參數(shù)與含水率的關(guān)系

在常規(guī)三軸試驗(yàn)中，由σ1>σ2=σ3，得平均正應(yīng)力p=(σ1+2σ3)/3，廣義剪應(yīng)力q=σ1-σ3.則不同含水率下原狀黃土在q-p平面上的臨界狀態(tài)線如圖4所示.

由圖4可知，同一含水率下，原狀黃土的臨界狀態(tài)線可擬合為一條直線；不同含水率下，原狀黃土的臨界狀態(tài)線近似為一簇隨著含水率的增加而平行下移的直線.若分別用M、h表示各臨界狀態(tài)線的斜率及截距，則不同含水率原狀黃土的內(nèi)摩擦角φ及黏聚力c的計(jì)算公式為

圖4 q-p平面上三軸試驗(yàn)的臨界狀態(tài)線

φ=sin-1[(3M/(6+M))]

(2)

c=h(3-sinφ)/(6cosφ)

(3)

由此進(jìn)一步得到原狀黃土在不同含水率時(shí)的強(qiáng)度參數(shù)如表所示，由表2可知，當(dāng)含水率從9.0%逐漸增加到32.0%時(shí)，原狀黃土的黏聚力c從64.63 kPa不斷降低到9.70 kPa；而內(nèi)摩擦角φ僅從25.5°變化到27.3°，僅僅變化了1.8°.因此，可以認(rèn)為原狀黃土的黏聚力c隨含水率的增大而減小，內(nèi)摩擦角φ基本不受含水率變化的影響，這與文獻(xiàn)[19]的研究結(jié)果一致.

表2 不同含水率下原狀黃土的強(qiáng)度參數(shù)

2.2.3 固結(jié)與剪切過程中的基質(zhì)吸力變化

在固結(jié)和剪切試驗(yàn)過程中測得了試樣的基質(zhì)吸力，試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示.

圖5 基質(zhì)吸力與固結(jié)圍壓的關(guān)系曲線

圖6 基質(zhì)吸力與軸應(yīng)變的關(guān)系曲線

由圖5可知，在同一含水率下，隨著固結(jié)圍壓的增大，試樣固結(jié)完成后的初始基質(zhì)吸力變化幅度不大；而隨著含水率的逐漸增加，初始基質(zhì)吸力卻越來越小.由此可見，原狀黃土的初始含水率的高低對基質(zhì)吸力的大小具有顯著的影響；相比之下，固結(jié)圍壓對基質(zhì)吸力的影響卻小得多.

由圖6可知，在試樣的剪切過程中，基質(zhì)吸力呈現(xiàn)出兩種不同的趨勢：當(dāng)含水率w=9.0%時(shí)，基質(zhì)吸力隨著軸應(yīng)變的增加而不斷增長，當(dāng)含水率w>9.0%時(shí)，基質(zhì)吸力隨著軸應(yīng)變的增加而減小.通過剪切過程中土體微觀結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行分析[20]：含水率低時(shí)，土顆粒之間水氣界形成的彎液面收縮膜很薄，剪切作用使得顆粒之間空隙減小，導(dǎo)致收縮膜凹面曲率變大，從而引起了吸力的增長；含水率較高時(shí)，剪切作用使土顆粒之間原本較厚的彎液面收縮膜因空隙減小而變得更厚，導(dǎo)致其凹面曲率變小，從而引起吸力的降低.

3 結(jié)論

(1)由各向等壓固結(jié)試驗(yàn)得到的原狀黃土e-lnp曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)定義了原狀黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度.結(jié)構(gòu)強(qiáng)度p_s隨含水率w的增大而顯著降低，兩者的變化規(guī)律可擬合為冪函數(shù)p_s=Aw^λ的表達(dá)式；

(2)不同初始含水率的原狀Q3黃土在固結(jié)排氣不排水剪切條件下，其(σ1-σ3)-ε1關(guān)系曲線在低圍壓(50 kPa)下均呈現(xiàn)出弱硬化型；隨著圍壓的升高和含水率的增大，逐漸向強(qiáng)硬化型過渡；在高圍壓(200 kPa、300 kPa)下均呈現(xiàn)出強(qiáng)硬化型.含水率為9.0%的試樣，在低圍壓(50 kPa、100 kPa)下其εv-ε1關(guān)系曲線呈現(xiàn)出弱軟化型，土體在剪切過程中出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象；在其他試驗(yàn)條件下，試樣的εv-ε1關(guān)系曲線呈現(xiàn)出強(qiáng)硬化型，土體在剪切過程中表現(xiàn)為剪縮；

(3)不同初始含水率下，原狀Q3黃土的臨界狀態(tài)線可擬合為一簇隨著含水率的增加而平行下移的直線.抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c隨含水率的增加而逐漸減小，而內(nèi)摩擦角φ基本不受含水率變化的影響；

(4)試樣固結(jié)后的初始基質(zhì)吸力基本不受固結(jié)圍壓大小的影響，只隨著含水率的增大而逐漸減小.試樣在剪切過程中，受土顆粒間彎液面收縮膜凹面曲率的變化，基質(zhì)吸力呈現(xiàn)兩種趨勢：含水率w=9.0%的試樣，其基質(zhì)吸力隨著軸應(yīng)變的增加而不斷增長；含水率w>9.0%的試樣，其基質(zhì)吸力隨著軸應(yīng)變的增加而減小.