重塑黃土強(qiáng)度及變形特性的試驗(yàn)研究

王 輝 郭鳳芝

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 天津 300251)

黃土作為一種特殊土,除了具有一般土體的所有力學(xué)特征以外,還具有自身的特殊性[1]。近年來,重塑黃土的抗剪強(qiáng)度特性與變形特性的研究引起人們的廣泛關(guān)注。黃土本身作為建筑材料大量的用于工程之中，這些工程中所使用的黃土是重塑黃土。重塑黃土不同于原狀黃土,壓實(shí)作用使其改變了原有的結(jié)構(gòu)和物理、力學(xué)狀態(tài)。因此，對于重塑黃土強(qiáng)度特性及變形規(guī)律研究的具有極其重要的作用.對指導(dǎo)工程勘察及工程實(shí)踐具有現(xiàn)實(shí)價值。

對黃土地區(qū)工程上影響較大的壓實(shí)黃土做了大量試驗(yàn),為了研究該地區(qū)重塑黃土的抗剪強(qiáng)度及變形特性,進(jìn)行了針對不同含水量和不同干密度下的重塑黃土的直剪試驗(yàn),并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了深入的分析，探討了不同狀態(tài)下重塑黃土的抗剪強(qiáng)度特性及變形特性。

1 試驗(yàn)參數(shù)選取及分組情況

試驗(yàn)土樣取自石太客運(yùn)專線西段東凌井車站,直剪試驗(yàn)采用南京土壤儀器廠SDJ-1型三速電動等應(yīng)變直剪儀。試驗(yàn)中重塑黃土控制干密度為1.60 g/cm3,含水率分別為7.2%、10.2%、11.4%、14.6%、17.2%的試樣,以及控制含水量為14.6%,干密度分別為1.40 g/cm3、1.50 g/cm3、1.60 g/cm3、1.70 g/cm3、1.78 g/cm3,直接以0.8 mm/min速度剪切,到剪切位移為6 mm時,結(jié)束試驗(yàn)。其加荷等級為：50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa[2]。

2 重塑黃土的抗剪強(qiáng)度特性及變形特性分析

2.1 剪應(yīng)力和剪切變形的關(guān)系

干密度為1.60 g/cm3不同含水量下的試驗(yàn)結(jié)果表明，在土體含水量較小的情況下,剪應(yīng)力與變形的關(guān)系曲線出現(xiàn)峰值,其中含水量越小表現(xiàn)出的峰值越明顯。隨著含水量的增加,其剪應(yīng)力與變形關(guān)系曲線不再出現(xiàn)峰值。在小壓力、低含水量的條件下,重塑黃土的剪應(yīng)力與剪切變形曲線出現(xiàn)峰值,在含水量為11.4%左右,其剪應(yīng)力與剪切變形曲線分布在一個緊密的區(qū)間內(nèi),而較低含水量(w=7.2%)和較高含水量(w=17.2%)的剪應(yīng)力與剪切變形曲線的分布則偏離這個緊密的區(qū)間。在高含水量、高壓力條件下,其剪應(yīng)力與剪切變形曲線呈加工硬化型[3]。干密度較大的重塑黃土,在剪切變形較小時剪應(yīng)力與剪切變形曲線呈線彈性關(guān)系,特別是含水量較低的試樣。在線彈性關(guān)系破壞后,曲線呈現(xiàn)出塑性變形特征,這一階段剪應(yīng)力完全由重塑黃土摩擦作用形成。

當(dāng)含水量為14.6%不同干密度條件下的試驗(yàn)結(jié)果表明，在低干密度條件下，無論壓力多大,其剪應(yīng)力與剪切變形曲線均呈加工硬化型；相反,在高干密度條件下、無論壓力多大,其剪應(yīng)力與剪切變形曲線均呈加工軟化型。同時干密度越大的重塑黃土其峰值剪應(yīng)力與破壞后的殘余剪應(yīng)力的差值也越大。

2.2 剪應(yīng)力和垂直變形的關(guān)系

通常人們認(rèn)為土的變形是彈塑性的。其中,彈性變形源于土顆粒之間的彈性接觸變形,封閉氣泡或者可壓縮彈性流體的彈性變形等；而塑性變形主要源于顆粒間的相對運(yùn)動和顆粒的破碎。土的剪脹變形一般是由于相互咬合的土顆粒間相對運(yùn)動引起的,所以通常被歸入塑性變形。實(shí)際上,伴隨著剪脹常常發(fā)生由于土顆粒的相對滑動及轉(zhuǎn)動引起的爬升、翻滾,剪脹時剪應(yīng)力使顆粒從低位能的穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦呶荒艿牟环€(wěn)定狀態(tài)[4]。

土的剪脹性實(shí)質(zhì)上是由于剪應(yīng)力引起土顆粒間相互位置的變化,使其排列發(fā)生變化,加大顆粒間的孔隙,從而發(fā)生了體積變化。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析得出,研究區(qū)重塑黃土在一定條件下會發(fā)生剪脹現(xiàn)象,并且剪脹現(xiàn)象的發(fā)生與重塑黃土的干密度、含水量、加載條件等有密切關(guān)系。

(1)含水量為14.6%不同干密度條件下的關(guān)系

試驗(yàn)結(jié)果表明，在含水量一定的條件下,加載剪切過程中,干密度越大、垂直壓力越小的情況下,黃土越容易發(fā)生剪脹現(xiàn)象；在試驗(yàn)中當(dāng)垂直壓力為50 kPa,而干密度大于1.50 g/cm3時,重塑黃土即發(fā)生剪脹現(xiàn)象,并且剪脹起始點(diǎn)隨著干密度的增加而增加,隨著垂直壓力的增加而增加的趨勢,其具體變化情況見表1；當(dāng)干密度大于1.70 g/cm3時,在各級垂直壓力下黃土均發(fā)生剪脹現(xiàn)象。一般而言,土剪脹時顆粒起動后對應(yīng)著峰值強(qiáng)度,而剪脹穩(wěn)定時對應(yīng)著土的殘余強(qiáng)度,但試驗(yàn)結(jié)果表明峰值強(qiáng)度點(diǎn)并未對應(yīng)著剪脹起始點(diǎn),而是在剪脹過程中出現(xiàn)的。

表1 含水量為w=14.6%不同干密度下剪脹起始點(diǎn)剪切位移 mm

(2)干密度為1.60 g/cm3不同含水量條件下的關(guān)系

試驗(yàn)結(jié)果表明在干密度保持一定的條件下,加載剪切過程中,含水量較低(7.2%、10.2%、11.4%)的情況下重塑黃土均發(fā)生剪脹；在含水量為17.2%,垂直壓力為50 kPa時,重塑黃土才發(fā)生剪脹現(xiàn)象,在100 kPa、150 kPa、200 kPa壓力下發(fā)生剪縮,表明在含水量越大、垂直壓力越小的情況下重塑黃土才會發(fā)生剪脹。本試驗(yàn)結(jié)果表明峰值強(qiáng)度點(diǎn)并未對應(yīng)著剪脹起始點(diǎn),而是在剪脹過程中出現(xiàn)的。

2.3 重塑黃土的抗剪強(qiáng)度與含水量及干密度的關(guān)系

(1)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ與含水量和干密度的關(guān)系[5]

從圖1中可以看出,含水量的變化對黃土的黏聚力和內(nèi)摩擦角有較大的影響,隨著含水量的增加,黏聚力是減小的趨勢,而內(nèi)摩擦角同樣也是逐漸減小的趨勢,只是存在個別不同變化點(diǎn)。但含水量的變化對內(nèi)聚力的影響顯然要大于內(nèi)摩擦角的影響。

圖1 黏聚力、內(nèi)摩擦角與含水量w的關(guān)系

通過對黏聚力及含水量的關(guān)系曲線擬和(見圖2),可以擬合為指數(shù)函數(shù),即,c=285.09e-0.180 3w。從其擬合關(guān)系式可以看出：黏聚力隨含水量的變化基本符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系,而且擬和關(guān)系式的相關(guān)性較好,其相關(guān)系數(shù)為0.958 9。

圖2 黏聚力與含水量w的擬合關(guān)系

從圖3中可以看出,內(nèi)摩擦角隨干密度變化其變化幅度較大,總體趨勢是隨著干密度增大而增大。但其內(nèi)摩擦角的變化并不穩(wěn)定,而是在某些條件下表現(xiàn)出了擺動性。

圖3 黏聚力、內(nèi)摩擦角與干密度ρd的關(guān)系

通過對黏聚力及干密度的關(guān)系曲線擬合(見圖4),可以擬合為指數(shù)函數(shù),即,c=0.219 7e2.912 1ρd。從其擬合關(guān)系式可以看出：黏聚力隨含水量的變化基本符合線性關(guān)系,而且擬和關(guān)系式的相關(guān)性較好,其相關(guān)系數(shù)為0.951 6。

圖4 黏聚力與干密度ρd的擬合關(guān)系

3 結(jié)論

該區(qū)域重塑黃土的抗剪強(qiáng)度及變形有著自身固有的特點(diǎn),通過對重塑黃土在不同狀態(tài)下的直剪試驗(yàn)的對比分析,得到該區(qū)域重塑黃土的抗剪強(qiáng)度特性及變形特性。根據(jù)其變化規(guī)律，得出如下的初步結(jié)論：

(1)由直剪試驗(yàn)得到了在小壓力、低含水量的條件下,剪應(yīng)力與剪切變形曲線才出現(xiàn)峰值,在含水量為11.4%左右,其剪應(yīng)力與剪切變形曲線分布在一個緊密的區(qū)間內(nèi),而較低含水量(7.2%)和較高含水量(17.2%)的剪應(yīng)力與剪切變形曲線的分布則偏離這個緊密的區(qū)間。

(2)對直剪試驗(yàn)得到的應(yīng)力與垂直變形的關(guān)系曲線進(jìn)行分析，得到了重塑黃土的初始含水量越大、干密度越大、垂直壓力越小的條件下,在加載剪切時黃土越趨于發(fā)生剪脹現(xiàn)象；試驗(yàn)結(jié)果同時也表明峰值強(qiáng)度點(diǎn)并未對應(yīng)著剪脹起始點(diǎn),而是在剪脹過程中出現(xiàn)的。

(3)重塑黃土的干密度ρd和含水量w對黏聚力c的影響的關(guān)系曲線可以用指數(shù)函數(shù)關(guān)系擬合,其擬合關(guān)系式分別為：c=285.09e-0.180 3w和c=0.219 7e2.912 1ρd,其相關(guān)性較好。 但由于土質(zhì)和顆粒組成不同,式中的參數(shù)會有所不同。同時也為該地區(qū)工程施工中的壓實(shí)黃土的指標(biāo)提供了一定的幫助[6]。

[1] 王永焱,林在貫.中國黃土的結(jié)構(gòu)特征及物理力學(xué)性質(zhì)[M].北京：科學(xué)出版社,1990

[2] 鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院.TB10102—2004 鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社,2004

[3] 黃文熙.土的工程性質(zhì)[M].北京：中國水利水電出版社,1983

[4] 李廣信,郭瑞平.土的卸載體縮與可恢復(fù)剪脹[J].巖土工程學(xué)報(bào),2000,22(2)：158-161

[5] 張 煒.黃土力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)中的若干問題[J].工程勘察，1995(6)

[6] 何春鋒.壓實(shí)黃土的工程性質(zhì)及應(yīng)用問題[D].西安：西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑土程學(xué)院,2006