黃土古土壤的抗剪強(qiáng)度特性

鄧軍濤, 張 艷, 王娟娟

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 陜西 西安 710055;2.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 陜西 西安 710043; 3.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西 咸陽(yáng) 712000)

黃土古土壤的抗剪強(qiáng)度特性

鄧軍濤1,2, 張 艷1,3, 王娟娟1

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 陜西 西安 710055;2.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 陜西 西安 710043; 3.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西 咸陽(yáng) 712000)

[目的] 對(duì)原狀和擾動(dòng)古土壤抗剪強(qiáng)度隨含水量和干密度的變化進(jìn)行研究，為黃土地區(qū)的邊坡工程、隧道工程以及地下建筑工程設(shè)計(jì)施工中參數(shù)的選取提供依據(jù)。 [方法] 分別對(duì)相同干密度、不同含水量的原狀樣,不同干密度、不同含水量的擾動(dòng)樣及與原狀樣相同干密度、相同含水量的擾動(dòng)樣進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn)。 [結(jié)果] 在干密度相同的條件下,原狀和擾動(dòng)古土壤的黏聚力隨含水量的增大而減小;在同一含水量指標(biāo)下,原狀古土壤的黏聚力大于擾動(dòng)古土壤,二者的內(nèi)摩擦角亦隨含水量的增大而減小。 [結(jié)論] 黃土古土壤的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨著含水量的增大而減小,黏聚力與含水量呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系,內(nèi)摩擦角與含水量呈二次拋物線關(guān)系。

黃土; 古土壤; 含水量; 干密度; 抗剪強(qiáng)度

黃土高原的黃土地層實(shí)際上是由不同類(lèi)型古土壤層和黃土層構(gòu)成的。黃土古土壤是在黃土風(fēng)成堆積過(guò)程中，在干濕交替氣候條件下發(fā)育的土壤。工程實(shí)踐資料表明古土壤層有完整的發(fā)育剖面，以棕紅色條帶及鈣質(zhì)結(jié)核層出現(xiàn)在黃土剖面中[1-3]。通過(guò)對(duì)黃土力學(xué)性質(zhì)的研究發(fā)現(xiàn)，古土壤的力學(xué)特性有異于黃土[4-5]，目前對(duì)黃土古土壤強(qiáng)度的研究尚有一些不足?；诖?，本文主要研究黃土古土壤抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨含水量、干密度的變化規(guī)律，擬為黃土地區(qū)的邊坡工程、隧道工程以及地下建筑工程設(shè)計(jì)施工中參數(shù)的選取提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)采樣剖面處于關(guān)中平原的中南部，黃土地層剖面出露清楚,在黃土高原南部具有很好的代表性，試驗(yàn)土樣選取的是馬蘭黃土下伏的一層深紅褐色古土壤，厚2.5～3.0 m，具明顯菌絲和碎斑結(jié)構(gòu)，古土壤底部為較連續(xù)分布的鈣質(zhì)結(jié)核層，其物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。古土壤的塑性指數(shù)Ip=15.4，屬于粉質(zhì)黏土。

表1 古土壤的物理性質(zhì)指標(biāo)

原狀土初始含水率為20.6%，采用自然風(fēng)干法和滴水法配制了19%，22%，25%，28%，31%共5組不同含水率的原狀樣。重塑土樣的制備是將試驗(yàn)土料過(guò)0.5 mm篩，攪拌均勻，配制成初始含水率為16%的土樣，為了和原狀樣進(jìn)行對(duì)比，控制其含水率與相應(yīng)的原狀樣相同，干密度分別為1.27，1.37，1.47，1.57和1.67 g/cm3。試驗(yàn)采用應(yīng)變控制式直剪儀，取相同含水量的4個(gè)試樣在50，100,150和200 kPa的垂直壓力下進(jìn)行直剪試驗(yàn)，手輪速率控制在10～12轉(zhuǎn)/min，使土樣在3～5 min內(nèi)剪損，試樣在各級(jí)壓力下的抗剪強(qiáng)度取峰值強(qiáng)度，對(duì)無(wú)明顯峰值者，取應(yīng)力應(yīng)變曲線上應(yīng)變量為4 mm所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度。

2 結(jié)果及分析

2.1 黃土古土壤抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與含水量的變化規(guī)律

黃土古土壤的原狀土樣在干密度為1.47 g/cm3，含水量不同的情況下抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與含水量的關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 原狀土樣黏聚力、內(nèi)摩擦角與含水量的關(guān)系

從圖1中分析得知，在干密度相同的條件下，黃土古土壤原狀土樣的黏聚力隨含水量增大而減小，且遞減的趨勢(shì)逐漸減小。內(nèi)摩擦角隨含水量的增加也是逐漸減小的，但變化幅度較小。引起這種變化的主要原因是由于水分在土壤中所起的潤(rùn)滑作用，及其對(duì)古土壤固化黏聚力的破壞作用。古土壤具有原始黏聚力和固化黏聚力，前者是由于古土壤顆粒分子間的引力決定的，與古土壤的密度有關(guān)。試驗(yàn)土樣沒(méi)有改變其密度，只改變了含水量的大小，因此黏聚力發(fā)生的遞減現(xiàn)象是由于固化黏聚力的減少而引起。固化黏聚力的大小決定于土壤顆粒之間膠結(jié)物質(zhì)的膠結(jié)作用。土粒間通過(guò)黏土礦物、游離氧化物、碳酸鹽和有機(jī)質(zhì)等膠體而連結(jié)在一起，而這種膠結(jié)作用在含水量增加的情況下逐漸減弱從而引起固化黏聚力的減小，直至消失[6-10]。當(dāng)土顆粒中含水量較少時(shí)，土粒表面結(jié)合水膜較薄，顆粒間主要通過(guò)引力結(jié)合，相對(duì)錯(cuò)動(dòng)困難，顆粒間摩擦力相對(duì)較大，土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度穩(wěn)定，顆粒排列隨機(jī)性大，因此土體內(nèi)摩擦角較大[11-13]。

2.2 黃土古土壤抗剪強(qiáng)度與干密度的變化規(guī)律

在同一含水量下改變土樣的干密度(1.27，1.37，1.47，1.57和1.67 g/cm3)，以此分析干密度對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響(如圖2—3所示)。

圖2 黏聚力與干密度的關(guān)系

圖3 內(nèi)摩擦角與干密度的關(guān)系曲線

從圖2—3中可以看出，在同一含水量下土樣的黏聚力隨干密度的增大而增大，在含水量較大的情況下，增大幅度較大；隨著土樣含水量的增加在同一干密度下黏聚力逐漸減小，且干密度較大的情況下遞減幅度較小。在含水量相同的條件下，土樣內(nèi)摩擦角隨干密度的增大表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，變化的區(qū)間較小；隨著土樣含水量的增加內(nèi)摩擦角迅速減小，尤其當(dāng)含水量達(dá)到31%時(shí)內(nèi)摩擦角出現(xiàn)驟然減小。

2.3 原狀土樣與擾動(dòng)土樣抗剪強(qiáng)度對(duì)比分析

在相同干密度條件下，對(duì)黃土古土壤原狀土樣和擾動(dòng)土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c，φ隨含水量的變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析得到圖4。

圖4 黏聚力、內(nèi)摩擦角隨含水量變化的擬合曲線

在相同干密度1.47 g/cm3條件下黃土古土壤原狀土樣和擾動(dòng)土樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨含水量的增大而減小，并且原狀土樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角均大于擾動(dòng)土樣，原狀土樣黏聚力隨含水量遞減的趨勢(shì)大于擾動(dòng)土樣。隨含水量的增加，土樣孔隙中的水分子量增加，引起了水膜的楔入作用，自由水分子較多，黏土礦物溶解流失，顆粒邊角軟化易滑動(dòng)，導(dǎo)致黏聚力降低，顆粒之間摩擦力降低。黃土和古土壤承受了不同的成壤作用，古土壤含有較多的鹽類(lèi)，土顆粒被鹽類(lèi)以薄膜形態(tài)包圍、膠結(jié)增大了古土壤的固化凝聚力。黃土古土壤在微濕和不擾動(dòng)情況下，具有較高的強(qiáng)度。隨著含水量增加，黃土古土壤從潮濕狀態(tài)變?yōu)榻柡蜖顟B(tài)，原狀土樣和擾動(dòng)土樣的的強(qiáng)度降低幅度都很大。原狀土樣的黏聚力降低幅度大于擾動(dòng)土樣，擾動(dòng)黃土古土壤主要以黏粒的膠結(jié)為主，土體中的毛細(xì)水引起表面張力增加其連接強(qiáng)度，因此強(qiáng)度較低幅度較小。原狀土樣的原始黏結(jié)力主要與土的密實(shí)度相關(guān)，加固黏結(jié)力與土粒的礦物成分、形成條件和膠結(jié)物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)原狀土樣所處的環(huán)境和條件改變時(shí)，如壓力或濕度增減和鹽分溶濾時(shí)，其值將會(huì)減小或完全消失。

2.4 擬合公式

利用庫(kù)倫公式，對(duì)黃土古土壤抗剪強(qiáng)度隨含水量和干密度的變化關(guān)系進(jìn)行數(shù)學(xué)公式擬合。圖5—6給出了擾動(dòng)土樣在不同干密度條件下黏聚力、內(nèi)摩擦角隨含水量的變化曲線圖。

擾動(dòng)土樣在干密度相同的條件下，黏聚力隨著含水量的增大而減小?？梢钥闯龈擅芏仍叫。ぞ哿﹄S含水量增加降低的趨勢(shì)越明顯。在同一干密度水平下，黏聚力與含水量呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。黏聚力隨含水量，干密度的變化公式：

(1)

式中：c——黏聚力(kPa)；ρd——土的干密度(g/cm3)；ω——土的含水量(%)。下同。

圖5 內(nèi)摩擦角隨含水量的變化關(guān)系

圖6 黏聚力隨含水量的變化關(guān)系

從圖5—6中可以看出，內(nèi)摩擦角隨干密度的變化主要集中在一個(gè)區(qū)域內(nèi)，變化并不大。在干密度確定的條件下，內(nèi)摩擦角隨含水量的增大而減小，其呈現(xiàn)二次多項(xiàng)式的關(guān)系：

φ=-0.06ω2+1.5ω+16.1

(2)

式中：φ——土的內(nèi)摩擦角(°)。下同。

將數(shù)學(xué)擬合得到的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c，φ隨含水量變化的公式代入土的摩爾—庫(kù)侖抗剪強(qiáng)度表達(dá)式即：

σtg(-0.06ω2+1.5ω+16.1)

(3)

式中：τ——土的抗剪強(qiáng)度(kPa)。下同。

采用式(3)對(duì)不同正應(yīng)力作用下不同干密度的黃土古土壤在不同含水量下的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，用相對(duì)誤差公式：

(4)

式中：x*——實(shí)測(cè)值；x——計(jì)算值，計(jì)算出二者的相對(duì)誤差。計(jì)算抗剪強(qiáng)度值與實(shí)測(cè)抗剪強(qiáng)度值的相對(duì)誤差均在10%以下，所以采用該擬合公式計(jì)算不同含水量，不同干密度黃土古土壤的抗剪強(qiáng)度是合理的。需要說(shuō)明的是，土樣取自關(guān)中平原中南部的第一層古土壤，因此該式具有其特殊性。但抗剪強(qiáng)度隨含水量和干密度的表達(dá)形式是固定的，含水量和干密度只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的物理性質(zhì)測(cè)試就可得到。

3 結(jié) 論

(1) 黃土古土壤抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c，φ隨著含水量的增大而減小，黏聚力隨含水量的增加降低的幅度較大。

(2) 黃土古土壤的黏聚力隨干密度的增大而增大，在含水量較大的情況下，黏聚力隨干密度增大的幅度較大。內(nèi)摩擦角隨干密度的增大表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，且變化區(qū)間較小。

(3) 在相同干密度條件下原狀土樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角均大于擾動(dòng)土樣。原狀土樣和擾動(dòng)土樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角均隨含水量的增大而減小，原狀土樣的黏聚力隨含水量遞減的趨勢(shì)大于擾動(dòng)土樣。

(4) 利用庫(kù)倫公式，揭示出黃土古土壤的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力隨含水量的變化呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，內(nèi)摩擦角與含水量呈二次多項(xiàng)式的關(guān)系。得到關(guān)中平原中南部的第一層黃土古土壤隨含水量和干密度變化的抗剪強(qiáng)度公式。

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Shear Strength Characteristics of Loess Paleosol

DENG Juntao1,2, ZHANG Yan1,3, WANG Juanjuan1

(1.CollegeofCivilEngineering,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an,Shaanxi710055,China; 2.ChinaJikanGeotechnicalInstituteofEnineeringIvestigationandDesign,Co.,Led,Xi’an，Shaanxi710043,China; 3.ShaanxiPolytechnicInstitute,Xianyang,Shaanxi712000,China)

[Objective] To study how shear strength change with the variation of water content and dry density in undisturbed and disturbed loess paleosol in order to provide the basis for selecting the parameters in design and construction of slope project, tunneling and underground structure engineering in loess area [Methods] Direct shear tests were conducted on undisturbed and disturbed paleosol with different water contents and dry densities. [Results] Under the same dry density, cohesion of both undisturbed and disturbed paleosol decreased with the increase of water content. While under the same moisture content, the cohesion of undisturbed paleosol was greater than the cohesion of disturbed paleosol. The internal friction angle increased with the increase of the water content. [Conclusion] The shear strength index of loess paleosol increases with the decrease of moisture content. An exponential relationship exists between cohesion and water content, and a quadratic parabola relationship exists between internal friction angle and water content.

loess; paleosol; water content; dry density; shear strength

2014-06-25

2014-08-07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“黃土高原旱區(qū)淺層土體水分場(chǎng)隨氣候變化機(jī)理及數(shù)值模擬”(51078309); 陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2012 KTCQ03-01); 陜西省教育廳專(zhuān)項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(11JK0889); 國(guó)機(jī)集團(tuán)科技發(fā)展資助項(xiàng)目(SINOMACH12科173號(hào))

鄧軍濤(1979—),男(漢族),湖北省仙桃市人,博士研究生,主要從事黃土地區(qū)工程地質(zhì)、邊坡工程、淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)等方面的生產(chǎn)、科研工作。E-mail:djt4990322@163.com。

A

1000-288X(2015)05-0319-04

TU411.7