黃土抗剪強度特性分析

楊 磊

(陜西楊凌職業(yè)技術(shù)學院 建筑工程系,陜西 楊凌712100)

黃土是第四紀地質(zhì)歷史時期干旱氣候條件下的沉積物,在我國的分布面積為64×104km2,占國土總面積6.6%,多分布于陜甘寧晉。黃土作為一種特殊的非飽和土,其自然界的分布狀態(tài)為不飽和狀態(tài),時而經(jīng)歷增濕(降雨、入滲等)和減濕(蒸發(fā)等)過程。含水率和干密度的變化是影響其變形——強度特性的重要因素[1]。本文通過不同干密度和含水率下黃土的直接剪切試驗探討了非飽和黃土的抗剪強度變化特性,并比較了原狀黃土和重塑黃土強度變化的規(guī)律,供黃土工程建設(shè)借鑒。

1 土樣的物理性質(zhì)[2]

試驗所用土樣均取自陜西楊凌塬上黃土,取土深度為地面以下4m～6 m,屬于 Q3(馬蘭)黃土,本次試驗取得了原狀和重塑兩種黃土樣。取樣后測得土樣的比重為2.72,土的天然含水率范圍為17%～19.5%,天然干密度為1.50 g/cm3～1.55 g/cm3,天然孔隙比一般為1.095,天然飽和度一般為42.72%。試驗土樣的顆粒分析曲線見圖1,試驗土樣的物理性質(zhì)指標見表1。

圖1 楊凌黃土顆粒級配曲線圖

表1 黃土土樣的物理性質(zhì)指標

2 原狀非飽和黃土的剪切試驗

2.1 試驗方法與成果

采用直接剪切方法進行試驗,試樣高度為2 cm,面積30 cm2。其中所用土樣干密度在1.45 g/cm3～1.65 g/cm3范圍內(nèi),控制試樣的含水率在11.86%～20.84%之間,其具體試驗方案如表2所示。

表2 原狀黃土直剪試驗方案

試驗采用快剪法,剪切速率為4 r/min,剪切歷時3 min～5 min,垂直壓力分別為 100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。 試樣在各級壓力下的抗剪強度取峰值強度,對無明顯峰值者,取應力應變硬化曲線上應變量為4 mm所對應的強度。試驗資料見表3。

表3 抗剪強度試驗成果

典型情況下原狀黃土剪切過程的剪應力與剪應變關(guān)系曲線見圖2所示。從圖中可以看出,原狀黃土的剪應力與剪應變關(guān)系曲線明顯有峰值出現(xiàn),峰值強度發(fā)生在20%～40%應變范圍內(nèi)。

圖2 典型原狀黃土剪應力與剪應變曲線(含水率為14.72%,干密度為1.59 g/cm3)

2.2 含水率對黃土抗剪強度的影響[3～4]

除1、4、6號試樣外,各個原狀黃土試樣的干密度和孔隙比相差不大,對抗剪強度的影響可以認為是完全受含水率影響的結(jié)果。原狀黃土抗剪強度試驗結(jié)果列于表3,從表3可以看出,隨含水率的逐漸增大抗剪強度逐漸降低,同時可以看出土體的內(nèi)摩擦角φ隨著含水率的變化不大,凝聚力c值隨著含水率的增加而逐漸降低,兩者的關(guān)系見圖3所示。從圖3可以看出,凝聚力與含水率之間呈冪函數(shù)關(guān)系,可由式(1)表示:

式中:c為土體的凝聚力(kPa);w為土體的含水率(%);a、b為試驗參數(shù)。

圖3 原狀土凝聚力與含水率之間關(guān)系曲線

這樣可以得到土體在干密度相同的情況下,其抗剪強度與含水率、垂直應力之間存在以下關(guān)系:

式中:τf為土的抗剪強度(kg/cm2);σ為垂直壓力(kg/cm2);φ為平均內(nèi)摩擦角(°);w為土體的含水率(%);a、b為試驗參數(shù),對于本次試驗土樣而言,其值分別為6982.1,2.0435。

3 重塑黃土抗剪強度試驗

3.1 試驗方法

為探討黃土重塑后的強度特性,對重塑黃土進行了抗剪強度試驗。具體試驗方案和方法如下:對所取土樣按15%、18%、20%、26%四個含水率進行控制,其中每種含水率制16個試樣,干密度分別控 制為 1.40 g/cm3、1.50 g/cm3、1.60 g/cm3、1.68 g/cm3,試樣尺寸同原狀樣。

3.2 試驗成果

根據(jù)重塑黃土直剪試驗的試驗成果,將重塑黃土在各級壓力下所對應的抗剪強度列于表4。

表4 重塑黃土抗剪強度試驗成果表 (單位:kPa)

3.3 重塑黃土的應力應變性狀

重塑黃土由于結(jié)構(gòu)強度已破壞,其應力-應變曲線與原狀黃土相比有明顯的不同,表現(xiàn)為應變硬化型。重塑黃土在剪切過程中的破壞面基本垂直于加荷軸,沿主應力面發(fā)生。重塑黃土的抗剪強度受初始干密度、初始含水率影響顯著,試驗的應力應變關(guān)系結(jié)果見圖4。由圖4可知,隨著剪切位移的逐漸增大,剪應力也逐漸增大,應力應變曲線無峰值點,重塑黃土在快剪試驗條件下,應力應變關(guān)系曲線均表現(xiàn)為應變硬化型,在整個剪切過程中應力的變化梯度比較均勻。

圖4 干密度為1.4 g/cm3,垂直壓力為100 kPa時重塑黃土剪切應力與應變關(guān)系曲線

3.4 重塑黃土的抗剪強度[5]

重塑黃土的抗剪強度可認為由兩部分組成,一部分是粗粉粒接觸點處的膠結(jié)物質(zhì)形成的加固凝聚力和吸附凝聚力,也就是粘土顆粒間接觸的聯(lián)結(jié)強度,這是最有效的抗剪強度;另一部分是存在于水—氣分界面(亦即收縮膜)上的表面張力。前者是黃土壓實后所固有的強度,主要與土的成分、密度有關(guān),對同種土和同樣密度的土來說,其值不變。后者是由于收縮膜內(nèi)的水分子受力不平衡產(chǎn)生的,受含水率影響很大,很不穩(wěn)定。

3.4.1 含水率對重塑黃土抗剪強度的影響

試樣干密度、含水率是影響重塑土剪切性狀的主要因素,當試樣干密度一定時,含水率對抗剪強度的影響最為顯著。重塑黃土的抗剪強度隨著含水率的增大而減小,而且是干密度大的減小得快。這說明,對處在固態(tài)或半固態(tài)的土體,含水率小,土粒之間的粘結(jié)力是很大的,因而抵抗剪切破壞的極限強度也大,隨著含水率增加,土粒之間的薄膜水增厚,粒間的粘結(jié)力受到削弱,黃土的抗剪強度也隨之降低。

3.4.2 干密度對重塑黃土抗剪強度的影響

實測資料表明,重塑黃土的抗剪強度隨干密度的增大而增大,而且含水率越小,抗剪強度隨干密度的增大幅度越大,對于高含水率試樣,干密度變化對重塑土抗剪強度影響較小。如圖5所示,當試樣在低含水率時,抗剪強度隨干密度增加而增加。隨著含水率變大,這種增大趨勢變小;當含水率較高時,抗剪強度隨著干密度增加而減小。

圖5 垂直壓力100 kPa的 ρd-τ關(guān)系曲線

在相同的含水率下,抗剪強度隨干密度增加而增加。這是因為隨著干密度的增大,土粒之間的聯(lián)結(jié)點數(shù)目增多了,從而使總的聯(lián)結(jié)力增強,所以土體的抗剪強度增大。高含水率試樣時,抗剪強度隨著干密度的增大而出現(xiàn)了下降的趨勢,這是因為試樣含水率高,其抗剪強度受含水率影響大,受干密度影響小。

4 原狀、重塑黃土抗剪強度比較分析

相同條件下原狀黃土的抗剪強度比重塑黃土大。非飽和原狀、重塑黃土的抗剪強度與含水率的關(guān)系曲線如圖6所示,ρd=1.50 g/cm3時,同一含水率原狀黃土的抗剪強度值在重塑黃土上方。

5 結(jié) 論

(1)從剪應力與剪切位移關(guān)系曲線上看,原狀黃土在快剪試驗條件下,應力與剪切位移關(guān)系曲線有一明顯的轉(zhuǎn)折點,在轉(zhuǎn)折點之前,應力-應變基本呈線性關(guān)系,曲線很陡,位移量很小,在轉(zhuǎn)折點之后,應力-應變曲線比較平緩;重塑黃土在快剪試驗條件下,剪應力隨著剪切位移的逐漸增大而逐漸增大,應力應變曲線無峰值點,應力應變關(guān)系曲線表現(xiàn)為應變硬化型,在整個剪切過程中應力的變化梯度比較均勻。

圖6 抗剪強度與含水率的關(guān)系曲線

(2)試樣的含水率和干密度是影響黃土抗剪強度的重要因素。原狀黃土的含水率是影響其剪切性狀的主要因素,含水率愈小則抗剪強度愈大,曲線由陡變緩,抗剪強度與含水率成冪函數(shù)關(guān)系,含水率對抗剪強度的影響在低含水率時大于在高含水率時。對重塑黃土的含水率,當試樣干密度一定時,含水率對抗剪強度的影響最為顯著。重塑黃土的抗剪強度隨著含水率的增大而減小,兩者之間存在冪函數(shù)關(guān)系。在相同的含水率下,重塑黃土隨著干密度的增大,土粒之間的聯(lián)結(jié)點數(shù)目增多,從而使土總的聯(lián)結(jié)力增強,土體的抗剪強度增大,而且含水率越小,抗剪強度隨干密度的增大幅度越大,對于高含水率試樣,干密度變化對重塑土抗剪強度影響較小。

[1] 黃文熙.土的工程性質(zhì)[M].北京:水利水電出版社,1983:25-27.

[2] GB/T50123-1999.土工試驗方法標準[S].北京:中國計劃出版社,1999:25-78.

[3] 駱亞生,胡仲有,張愛軍.非飽和黃土結(jié)構(gòu)性參數(shù)與其強度指標關(guān)系初探[J].巖土力學,2009,30(4):943-948.

[4] 盧肇鈞.非飽和土抗剪強度的探索研究[J].中國鐵道科學,1999,(2):12-18.

[5] 黨進謙,李靖.非飽和黃土的結(jié)構(gòu)強度與抗剪強度[J].水利學報,2001,32(7):79-90.