結(jié)構(gòu)性對黃土抗剪強度的影響研究
——以國道G310三門峽段為例

趙金玓，高宇甲，霍繼煒，韓明濤，姜 彤，張俊然， 朱云江

(1.華北水利水電大學 地球科學與工程學院， 河南 鄭州 450045；2.中建七局第四建筑有限公司， 陜西 西安 710000)

黃土因其特定的生成環(huán)境和存在的歷史環(huán)境而形成明顯的垂直節(jié)理和大孔結(jié)構(gòu)，具有特殊的濕陷性。黃土結(jié)構(gòu)性會在受壓、吸濕條件下減弱直至破壞，從而引起沉降變形[1-2]，而抗剪強度是計算建筑物路基承載力、邊坡穩(wěn)定性的重要參數(shù)[3-4]。非飽和原狀黃土大多自身疏松、易碎散、整體性低，現(xiàn)場取樣與運輸成本相對較高，同時在進行室內(nèi)試驗時，較難成功制出完整的原狀黃土試樣，因此現(xiàn)有的非飽和土分析大都傾向于重塑黃土。但重塑土的結(jié)構(gòu)狀態(tài)、力學特性等方面與原狀土均存在差異[5-6]，而揭示結(jié)構(gòu)性對土體力學行為的影響及二者間的內(nèi)在聯(lián)系是研究土體結(jié)構(gòu)性的根本目的。因此，探究結(jié)構(gòu)性對具有相同含水率與干密度的原狀黃土與重塑黃土抗剪強度的影響，具有重要的工程意義。

目前針對不同地區(qū)原狀黃土和重塑黃土抗剪強度的研究主要如下：潘明[7]對山西碧桂園邊坡工程施工現(xiàn)場的黃土進行直剪試驗，指出原狀黃土的剪應力-剪切位移關系曲線出現(xiàn)了較明顯的峰值點，其曲線屬于應變軟化型；張新婷[8]對陜西徑陽L5地層的黃土進行了常規(guī)三軸CD試驗，指出原狀黃土的峰值強度在不同含水率不同圍壓下，整體基本高于或等于重塑黃土；王力等[9]對不同黏粒含量的黃土試樣進行了直剪試驗，指出隨黏粒含量的增長，黏聚力呈增大趨勢；張立新等[10]基于非飽和土三軸試驗，指出重塑黃土的偏應力和硬化程度隨干密度的增大而逐漸增大；Zhang等[11]通過三軸試驗發(fā)現(xiàn)原狀黃土均表現(xiàn)為應變硬化，而干密度較大的非飽和重塑黃土會發(fā)生脆性破壞。

微觀結(jié)構(gòu)是解釋黃土工程性質(zhì)的重要手段。土體的結(jié)構(gòu)性是指土中顆?；蝾w粒集合體及顆粒間的孔隙排列組合聯(lián)結(jié)形成的空間結(jié)構(gòu)體系，其實質(zhì)是土體物理狀態(tài)的顯示，受到土體顆粒、骨架排列、土間孔隙、微縫裂隙以及化學物質(zhì)的影響。原狀黃土的骨架由固體顆粒和集合團粒組成，孔隙分布在骨架間與團粒間，具有一定的結(jié)構(gòu)性和特殊的濕陷性[12]，而結(jié)構(gòu)性黃土的變形與結(jié)構(gòu)強度的破壞有直接的關系[13]。在土體微觀試驗方面，范軍立[14]對濕陷性黃土微觀結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀進行了分析與總結(jié)。穆青翼等[15]指出原狀黃土的黏土顆粒膠結(jié)是導致具有較大抵抗加載變形能力的主要原因；禇峰等[16-17]研究了黃土在側(cè)限壓縮、三軸剪切條件下的結(jié)構(gòu)損傷特性。方祥位等[18]借助掃描電鏡分析黃土微觀結(jié)構(gòu)在浸濕條件下的變化，并在黃土本構(gòu)模型中引入微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)。蔣明鏡[19]建立軟硬復合膠結(jié)模型，在試驗和理論方面進一步分析黃土的宏微觀關聯(lián)。

國道G310三門峽西至豫陜界段南移新建工程位于三門峽靈寶市，施工路段包含橋梁、路基、隧道工程。路基在高填方與深挖方的過程中，黃土的抗剪強度會發(fā)生改變，從而可能引起不均勻沉降；黃土隧道難以形成自然拱，自穩(wěn)能力差，易發(fā)生突然塌方。土體強度對工程建設起著關鍵性的作用，而結(jié)構(gòu)性與力學性質(zhì)密不可分。為此，選取國道G310三門峽西至陜西段三個場地的黃土作為代表性試驗土樣，取樣地點分別為：函谷關隧道西出口230 m處、東進口530 m處和國道G310靈寶至陜西段高填方路基段東上村橋改路處。對具有相同含水率和干密度的原狀黃土和重塑黃土進行一系列直剪試驗和掃描電鏡試驗，對比分析了原狀黃土與重塑黃土在抗剪強度和微觀結(jié)構(gòu)的差異及其機理。

1 土樣基本物理性質(zhì)指標

為方便記錄，將試驗所取三個場地的土樣進行編號，其中西出口和東進口為函谷關隧道黃土，分別標記為A、C；東上村橋為高填方路基黃土，標記為B。具體編號及液塑限參數(shù)如表1所示。

圖1為三個場地黃土的粒徑級配曲線。A場地黃土的Ip滿足9≤Ip<14，屬于粉質(zhì)黃土；B、C兩種場地黃土的Ip均滿足6≤Ip<9，屬于粉質(zhì)砂黃土。同時，從表2中可以看出，A、B、C三種場地試驗黃土的黏粒含量依次減少。三種場地試驗黃土的含水率、干密度、濕陷系數(shù)等參數(shù)見表3。從表中得出，B場地路基黃土濕陷性嚴重，需要進一步改善，A、C場地隧道黃土無濕陷性，滿足工程條件。

表2 試驗黃土粒徑分配參數(shù)

圖1 試驗黃土的粒徑級配曲線

表3 試驗黃土含水率與干密度及濕陷性參數(shù)

2 試驗設計

2.1 原狀與重塑黃土的抗剪強度試驗

對三個不同場地所選取的原狀黃土樣均采用環(huán)刀(直徑61.8 mm，高20 mm)制取試樣4，分別在100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的垂直壓力下，施加水平剪切力進行剪切，以每分鐘4轉(zhuǎn)的均勻速度旋轉(zhuǎn)手輪，使試樣在3 min～5 min內(nèi)剪壞。為統(tǒng)一處理數(shù)據(jù)，本次實驗均記錄至剪切變形達到7 mm。之后調(diào)配與原狀土的含水率和干密度相同的重塑土，進行同樣的快速直剪試驗。

繪制三種場地原狀黃土與重塑黃土的剪應力-剪切位移關系曲線，若存在峰值，則選取曲線上的峰值點作為抗剪強度S，如無明顯峰值點，則取穩(wěn)定值或剪切位移Δl等于4 mm對應的剪應力作為抗剪強度S，按照此原則選取合適的試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)土體的莫爾-庫侖破壞準則確定土的抗剪強度參數(shù)，進而對比原狀黃土與重塑黃土黏聚力與摩擦角的大小。

2.2 試驗結(jié)果

2.2.1 剪應力與剪切位移曲線

如圖2所示，A場地原狀黃土在垂直壓力為100 kPa、200 kPa、300 kPa時出現(xiàn)了峰值強度；B場地黃土在垂直壓力為100 kPa、200 kPa時出現(xiàn)了峰值強度，C場地黃土在垂直壓力為100 kPa時出現(xiàn)了峰值強度，表明黃土在原狀條件下，隨著垂直壓力的增大，應力-位移曲線出現(xiàn)峰值的現(xiàn)象逐漸不明顯，即應變軟化逐漸減弱。在垂直壓力較大的情況下，三種場地黃土的剪應力-剪切位移關系曲線并未出現(xiàn)峰值強度，剪應力隨剪切位移的增大，前期呈增大趨勢，后期逐漸穩(wěn)定，出現(xiàn)應變硬化現(xiàn)象。三種場地重塑黃土在不同垂直壓力下剪應力-剪切位移關系曲線均未出現(xiàn)峰值強度，成曲線性狀，應力應變關系總體呈現(xiàn)應變硬化型。

黃土的結(jié)構(gòu)性問題主要從顆粒的聯(lián)結(jié)與排列兩方面入手。在結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)沒有遭到破壞以前，它和顆粒聯(lián)結(jié)的特性與穩(wěn)定性有關，稱之為結(jié)構(gòu)可穩(wěn)性；在結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)遭到破壞以后，它和顆粒的排列特性與均勻性有關，稱之為結(jié)構(gòu)可變性。土體受荷載作用后，前期由可穩(wěn)性起作用。隨著荷載的逐步增長，初始結(jié)構(gòu)遭到破壞，可穩(wěn)性喪失；后期由可變性起作用，形成和發(fā)展了次生結(jié)構(gòu)。可穩(wěn)性與可變性相互組合的強弱不同，土的應力應變關系類型也隨之改變。原狀黃土的結(jié)構(gòu)可穩(wěn)性較大，而可變性較小，因此在受荷過程中表現(xiàn)為應變軟化；重塑黃土的結(jié)構(gòu)可變性較大，而可穩(wěn)性較小，在受荷過程中表現(xiàn)為應變硬化。隨垂直壓力的不斷增大，原狀黃土的可穩(wěn)性喪失，土顆粒間的結(jié)構(gòu)強度遭到破壞，其應變軟化現(xiàn)象逐漸減弱。

2.2.2 抗剪強度指標

如圖3所示，三種場地土樣在不同垂直壓力下，原狀土的剪應力均大于重塑土的剪應力。根據(jù)庫侖定律計算抗剪強度得表4。

表4 試驗黃土抗剪強度參數(shù)

從表4中看出，原狀土黏聚力和內(nèi)摩擦角的值均大于重塑土。這是由于黃土的骨架結(jié)構(gòu)的構(gòu)成主體為粗粉粒，顆粒之間接觸處的可溶鹽起著膠結(jié)的作用，增加了接觸點處的膠結(jié)強度，使得原狀黃土具有較強的結(jié)構(gòu)強度。在相同含水率和干密度下，原狀黃土內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并沒有發(fā)生破壞，具有原生結(jié)構(gòu)，而重塑黃土結(jié)構(gòu)松散，已經(jīng)發(fā)生破壞，不具有原狀黃土在長期沉積過程中所形成的顆粒間化學膠結(jié)物、孔隙的形狀以及分布特征、顆粒的空間狀態(tài)。這與韋鋒等[20]的結(jié)果一致。

縱向?qū)Ρ缺?數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，黏粒含量高的黃土抗剪強度比黏粒含量低的抗剪強度大。這是因為黏聚力的產(chǎn)生主要是土體骨架顆粒與周圍黏粒共同作用的結(jié)果。黏粒含量降低，黏粒間的膠結(jié)作用減小，土體的黏聚力隨之降低。

圖2 原狀與重塑黃土在不同垂直壓力下的應力-位移曲線

3 原狀與重塑黃土的掃描電鏡試驗

3.1 試驗設計

選取高填方路基東上村橋為代表場地，分別使用原狀黃土和相同含水率、干密度的重塑黃土制作觀察樣，進行掃描電鏡試驗。

掃描電鏡試驗前需要處理試樣，利用液氮以及D-1型冷凍干燥機對土樣進行脫濕。先利用液氮將試樣冷凝，之后將液氮處理過的試樣放到FD-1型冷凍干燥機里面進行干燥，隨后進行試樣的制備。先切除毛坯樣品，然后對四周進行環(huán)切處理，制取自然結(jié)構(gòu)面，最終將試樣切成大小合適的觀察樣，并做好標記。之后進行拋光，按照順序依次放入鍍膜設備進行噴金處理，以消除在電鏡掃描過程中電子轟擊樣品所產(chǎn)生的放電現(xiàn)象對試驗的影響。

將鍍膜完成后的樣品依次放入樣品室內(nèi)進行微觀結(jié)構(gòu)圖像掃描，對每個樣品分別選取不同位置進行觀察拍攝，結(jié)合出圖情況，選擇各樣品中所選位置的同一區(qū)域進行放大2 000倍、5 000倍的觀察拍攝記錄，再從中擇優(yōu)選取圖片進行微觀定性分析處理。

圖3 試驗黃土剪應力與垂直壓力關系曲線

3.2 試驗結(jié)果

圖4、圖5分別為掃描電鏡放大2 000倍、5 000倍下土樣的微觀圖片，左側(cè)圖片為原狀土樣，右側(cè)圖片為相同干密度1.33 g/cm3以及含水率5.1%條件下的重塑土樣。2 000倍下，原狀黃土顆粒輪廓局部清晰，表面附著黏粒物質(zhì)；骨架顆粒間的支架大孔極為發(fā)育；骨架顆粒表面和接觸處多粘附有能夠起到膠結(jié)作用的細粒膠結(jié)物；重塑黃土骨架顆粒清晰，以鑲嵌排列為主，次為支架排列；鑲嵌微孔較為明顯，支架大孔次之；大量的細粒膠結(jié)物包埋骨架顆粒。5 000倍下，原狀土以團塊間支架大孔為主，次為鑲嵌微孔發(fā)育；細粒膠結(jié)物黏附在骨架表面，或構(gòu)成團塊，呈片狀分布。重塑土多為顆粒間的小孔隙，骨架顆粒表面粘附的膠結(jié)物同樣呈片狀。

左右兩側(cè)圖片對比可知，左側(cè)圖片的原狀黃土顆粒完整，顆粒形態(tài)明顯，骨架間孔隙發(fā)育，土體內(nèi)顆粒之間的膠結(jié)狀態(tài)完好，結(jié)構(gòu)性特征顯著。右側(cè)圖片的重塑黃土骨架結(jié)構(gòu)處于密實的顆粒堆疊狀態(tài)，支架孔隙減少，土樣內(nèi)部顆粒之間的膠結(jié)狀態(tài)遭受到破壞。這表明壓實作用使得重塑黃土的土體顆粒發(fā)生移動，其骨架排列、孔隙分布、膠結(jié)特征、結(jié)構(gòu)類型均發(fā)生了改變，不具備原狀黃土的原生結(jié)構(gòu)，這與重塑黃土的抗剪強度低于原狀黃土的抗剪強度的宏觀力學表現(xiàn)相吻合。

圖4 SEM(x2000)圖像

圖5 SEM(x5000)圖像

4 結(jié) 論

(1) 國道G310三門峽西至豫陜界段南移地區(qū)三個場地的黃土所屬分類不同：A場地隧道黃土為粉質(zhì)黃土，無濕陷性；B場地路基黃土為粉質(zhì)砂黃土，濕陷性嚴重；C場地隧道黃土為粉質(zhì)砂黃土，無濕陷性。

(2) 剪切過程中，原狀黃土的應力-位移曲線呈應變軟化型而重塑黃土的應力-位移曲線呈應變硬化型。原狀黃土的應變軟化現(xiàn)象隨垂直壓力的增大而逐漸減弱。

(3) 原狀黃土的抗剪強度高于重塑黃土。三種場地原狀黃土和重塑黃土的抗剪強度均隨黏粒含量降低而減小。

(4) 原狀黃土的骨架清晰，以團塊為主，大孔隙較為發(fā)育，土體內(nèi)顆粒之間的膠結(jié)狀態(tài)完好；重塑黃土多為鑲嵌微孔，內(nèi)部顆粒之間的膠結(jié)狀態(tài)遭受到破壞，細粒膠結(jié)物包埋骨架顆粒。這樣的結(jié)構(gòu)差異決定了原狀黃土的抗剪強度比重塑黃土的抗剪強度高。