砂粒含量對砂質(zhì)黃土力學(xué)性質(zhì)影響試驗(yàn)研究

慕煥東，鄧亞虹，李榮建，張文棟

(1.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所， 陜西 西安 710048; 2.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院， 陜西 西安 710054; 3.西安市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站， 陜西 西安 710016)

黃土的發(fā)育及顆粒組成具有明顯的地帶性分布規(guī)律[1-3]。其粒度大小變化在空間上具有分異性，表現(xiàn)為自西北向東南其顆粒組成由粗逐漸變細(xì)，粒組中砂粒含量減少，黏粒含量增多。不同的顆粒組成不但導(dǎo)致了黃土強(qiáng)度、親水、膨脹性方面的差異，還會影響黃土的結(jié)構(gòu)特征及強(qiáng)度特性[4-6]。根據(jù)黃土的顆粒組成，可將其依次可劃分為3個帶，即砂質(zhì)黃土帶、粉質(zhì)黃土帶和黏質(zhì)黃土帶。在砂質(zhì)黃土帶，廣泛發(fā)育著一種既不同于滑坡，又不同于崩塌且危害嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，即滑塌。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，榆林、延安等地僅1984年—2009年發(fā)生的滑塌地質(zhì)災(zāi)害486次[1]，造成人員死亡的就有147次，死亡人數(shù)高達(dá)578人，當(dāng)?shù)鼐用褚卜Q之為“塌坡”、“塌坎”。滑塌地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，已經(jīng)嚴(yán)重的影響了居民的日常生活，給人民生命財產(chǎn)造成巨大損失。

考慮到在砂黃土地區(qū)滑塌地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，而引發(fā)砂黃土滑塌災(zāi)害的主要誘因是其力學(xué)性質(zhì)的變化，因此，通過研究砂粒含量對砂黃土力學(xué)性質(zhì)的影響，尤其是不同砂粒含量下砂黃土的強(qiáng)度性質(zhì)，對探索砂黃土地區(qū)滑塌災(zāi)害形成機(jī)理及其工程設(shè)計(jì)力學(xué)參數(shù)具有重要的理論實(shí)際意義。

砂質(zhì)黃土因其形成環(huán)境及顆粒組成而表現(xiàn)出土質(zhì)疏松、水穩(wěn)性差、抗沖蝕能力弱、極低的黏聚力等不良工程地質(zhì)性質(zhì)[7]，更容易形成滑塌等嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害，不同學(xué)者對其進(jìn)行了相關(guān)研究。丁仲禮等[8]以大于63 μm的粗顆粒黃土為研究對象，通過大量統(tǒng)計(jì)對比分析發(fā)現(xiàn)了砂粒含量由北向南有逐漸降低的趨勢。王均平等[9]研究了區(qū)域環(huán)境對黃土砂粒含量的重要影響，研究發(fā)現(xiàn)豫西黃土砂粒含量與關(guān)中渭南相比突然增高。李卓等[10]研究了砂粒含量對土壤水分蓄持能力的影響，研究發(fā)現(xiàn)土壤的供水能力隨砂粒含量的增加而降低。唐朝生等[11]研究了含砂量對聚丙烯纖維土加筋黏性土強(qiáng)度的影響及其影響機(jī)制，研究表明纖維土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和黏聚力隨含砂量的增加先增加后減少，纖維土的內(nèi)摩擦角大小與摻砂量成正比。

真正研究砂質(zhì)黃土相關(guān)研究的文獻(xiàn)少之又少。張永雙等[12-13]進(jìn)行了砂質(zhì)黃土相關(guān)方面的研究，包括砂質(zhì)黃土的微觀結(jié)構(gòu)特性、膠結(jié)聯(lián)結(jié)特性及砂質(zhì)黃土高邊坡穩(wěn)定性。研究表明砂質(zhì)黃土在微觀上表現(xiàn)為極微弱連結(jié)的粗骨架狀架空結(jié)構(gòu)，具有弱膠結(jié)特性，具有較高的摩擦強(qiáng)度；砂質(zhì)黃土高邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值模擬研究表明隨著坡角或坡高的增大，邊坡穩(wěn)定性不斷變差，階狀坡形比一坡到頂?shù)钠滦胃谶吰路€(wěn)定和防護(hù)。李濱等[14]進(jìn)行了Q3砂質(zhì)黃土真三軸強(qiáng)度變形特性研究，得出真三軸條件下Q3砂質(zhì)黃土剪切破壞方式以側(cè)脹破壞、單縫剪切破壞為主。胡幼常等[15]進(jìn)行了土工格柵加筋摻砂質(zhì)黃土工程性質(zhì)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)不管有無土工格柵加筋，摻砂都能使黃土強(qiáng)度大幅度提高，尤其在小應(yīng)變下其提高的幅度更大。

上述基于砂粒含量和砂質(zhì)黃土相關(guān)方面的研究雖然已經(jīng)取得了一定的研究成果，但要想得出合理的且能夠直接服務(wù)于工程防災(zāi)的砂質(zhì)黃土力學(xué)特性規(guī)律[16-18]，還需做更為詳細(xì)的試驗(yàn)和計(jì)算工作。目前，砂質(zhì)黃土地區(qū)主要分布于榆林、延安西北部地區(qū)及甘肅慶陽地區(qū)，因砂質(zhì)黃土的不良工程地質(zhì)特性而引發(fā)的滑塌地質(zhì)災(zāi)害非常普遍。因此，研究砂粒含量對砂質(zhì)黃土力學(xué)性質(zhì)的影響，就顯得尤為迫切，而且具有重要的工程實(shí)際意義。

為此，以吳起砂質(zhì)黃土作為研究對象，通過對不同砂粒含量(30%、35%、40%、45%)的砂質(zhì)黃土進(jìn)行滲透試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、三軸剪切試驗(yàn)，研究了砂粒含量的變化對砂質(zhì)黃土力學(xué)性質(zhì)的影響及其力學(xué)機(jī)制，所得結(jié)果為砂質(zhì)黃土地區(qū)滑塌災(zāi)害防治減災(zāi)提供了重要的力學(xué)參數(shù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用土樣取自陜西省延安市吳起縣。所取試樣為砂質(zhì)黃土，土樣呈灰黃色?，F(xiàn)場取樣采用刻槽法，取回試樣后應(yīng)立即進(jìn)行室內(nèi)的制樣與養(yǎng)護(hù)工作，并測定土的基本物理參數(shù)，土樣的基本物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。制備好的試樣如圖1所示。

表1 土樣基本參數(shù)

圖1砂質(zhì)黃土試樣

試驗(yàn)時，分別對四種砂粒含量(30%、35%、40%、45%)的砂質(zhì)黃土進(jìn)行變水頭滲透實(shí)驗(yàn)、不同垂直壓力下的壓縮試驗(yàn)以及不同垂直壓力下的三軸壓縮試驗(yàn)，進(jìn)而得到不同砂粒含量的變化對砂質(zhì)黃土力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律。

2 不同砂粒含量砂質(zhì)黃土試驗(yàn)結(jié)果

2.1 滲透特性試驗(yàn)

通過對砂粒含量為30%、35%、40%、45%的砂質(zhì)黃土進(jìn)行滲透試驗(yàn)，得到滲透系數(shù)隨砂粒含量的變化曲線如圖2所示。

圖2滲透系數(shù)與砂粒含量關(guān)系曲線

由圖2可知，隨著砂粒含量的增大，砂質(zhì)黃土的滲透系數(shù)總體呈增大趨勢，亦即隨著砂粒含量的增加砂質(zhì)黃土的滲透性逐漸增強(qiáng)。同時，滲透系數(shù)與砂粒含量關(guān)系曲線形態(tài)呈現(xiàn)出先增大、后平緩、再增大的折線形，砂粒含量為35%和40%為曲線形狀變化的 “轉(zhuǎn)折點(diǎn)”，即當(dāng)砂粒含量大于35%時，砂質(zhì)黃土的滲透系數(shù)增幅減小，達(dá)到40%時，其滲透系數(shù)急劇增大。

2.2 壓縮特性試驗(yàn)

通過對砂粒含量為30%、35%、40%、45%的砂質(zhì)黃土進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，得到孔隙比隨垂直壓力變化曲線如圖3所示。

圖3孔隙比與垂直壓力關(guān)系曲線

從3圖可以看出，砂質(zhì)黃土的孔隙比隨著垂直壓力的增大而減小，但減小的幅值不大，曲線較為平緩。同時，砂質(zhì)黃土的孔隙比隨砂粒含量的增大而增大，其增幅表現(xiàn)出與滲透性相一致的變化規(guī)律，亦即當(dāng)砂粒含量由30%增加至35%時，其孔隙比增加的幅度較小，而當(dāng)砂粒含量大于35%后，其孔隙比增加的幅值逐漸增大，這是由于砂粒含量的變化會導(dǎo)致土樣中顆粒間賦存狀態(tài)的改變，直接影響著試樣孔隙比及最終壓縮量的差異。

2.3 強(qiáng)度特性試驗(yàn)

2.3.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線

通過三軸剪切試驗(yàn)，可以得到不同砂粒含量下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。

由圖4可知，砂質(zhì)黃土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線表現(xiàn)出應(yīng)變硬化性特性，曲線斜率隨著軸向應(yīng)變的增大而逐漸變緩；同時，隨著砂粒含量的增加，其主應(yīng)力差逐漸增大，表現(xiàn)為應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線呈抬高趨勢，且其抬高的趨勢在砂粒含量大于40%后幅度明顯增大。

2.3.2 抗剪強(qiáng)度參數(shù)分析

根據(jù)圖4所示的不同圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，可以得到不同砂粒含量下的砂質(zhì)黃土的摩爾-庫侖抗剪強(qiáng)度包線如圖5所示。由不同砂粒含量下砂質(zhì)黃土的摩爾-庫侖抗剪強(qiáng)度包線可以得到其抗剪強(qiáng)度強(qiáng)度參數(shù)如表2所示。

圖4應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

圖5 抗剪強(qiáng)度包線

由表2可知，隨著砂粒含量的增加，砂質(zhì)黃土的黏聚力逐漸降低且降低的幅度很小，同時內(nèi)摩擦角逐漸增大且增加的幅值亦很小，符合一般認(rèn)識。

2.3.3 砂粒含量對砂黃土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響

為進(jìn)一步分析不同砂粒含量下砂質(zhì)黃土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的差異，將砂粒含量分別為30%、35%、40%和45%與黏聚力和摩擦角的變化曲線繪制在同一坐標(biāo)軸中進(jìn)行比較，得到的結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6砂粒含量與黏聚力關(guān)系曲線

由圖6可以看出，隨著砂粒含量的增大，砂質(zhì)黃土的黏聚力減小，砂粒含量從30%增長至45%，黏聚力從6.08減至3.28，降幅為46%。曲線形態(tài)表現(xiàn)為先緩后陡，即當(dāng)砂粒含量小于35%時黏聚力隨砂粒含量的增加緩慢降低，當(dāng)砂粒含量大于35%時黏聚力隨砂粒含量的增加其降低趨勢增大。

圖7砂粒含量與摩擦角關(guān)系曲線

由圖7可以看出，隨著砂粒含量的增加，內(nèi)摩擦角增大，砂質(zhì)黃土砂粒含量從30%增長至45%，內(nèi)摩擦角從26.09°增長至30.76°，增幅為15.1%。

3 結(jié) 論

通過對陜西延安吳起不同砂粒含量的砂質(zhì)黃土進(jìn)行滲透試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)及三軸剪切試驗(yàn)，研究了砂粒含量的變化對砂質(zhì)黃土力學(xué)性質(zhì)的影響及其力學(xué)機(jī)制，研究表明：

(1) 隨著砂粒含量的增大，砂質(zhì)黃土的滲透系數(shù)、孔隙比及抗剪強(qiáng)度總體呈增大趨勢，且曲線形態(tài)均呈現(xiàn)出先增大、后平緩、再增大的折線形，砂粒含量為35%和40%為曲線形狀變化的 “轉(zhuǎn)折點(diǎn)”。

(2) 砂粒含量對抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響表現(xiàn)為隨著砂粒含量的增加其內(nèi)摩擦角逐漸增大，黏聚力逐漸減小。