褚 峰，邵生俊，陳存禮

(西安理工大學(xué) 巖土工程研究所，陜西 西安 710048)

三軸狀態(tài)原狀結(jié)構(gòu)性黃土基質(zhì)吸力特性研究

褚 峰，邵生俊，陳存禮

(西安理工大學(xué) 巖土工程研究所，陜西 西安 710048)

【目的】 研究三軸應(yīng)力條件下原狀結(jié)構(gòu)性黃土的基質(zhì)吸力特性，為黃土的工程應(yīng)用提供參考?！痉椒ā?通過(guò)常規(guī)三軸試驗(yàn)，研究采自陜西西安、甘肅定西、新疆石河子的黃土①、黃土②和黃土③ 3種原狀結(jié)構(gòu)性黃土的構(gòu)度指標(biāo)，分析構(gòu)度指標(biāo)隨含水率的變化關(guān)系及基質(zhì)吸力隨構(gòu)度指標(biāo)的變化關(guān)系。在不同濕度、不同圍壓條件下，通過(guò)非飽和土三軸儀對(duì)原狀結(jié)構(gòu)性黃土進(jìn)行控制氣壓力的常含水率試驗(yàn)，分析飽和度、圍壓對(duì)基質(zhì)吸力的影響，并揭示常含水率剪切過(guò)程中基質(zhì)吸力的變化規(guī)律?！窘Y(jié)果】 原狀結(jié)構(gòu)性黃土的基質(zhì)吸力和構(gòu)度指標(biāo)均隨含水率的增大而降低，基質(zhì)吸力隨構(gòu)度指標(biāo)的升高而增大，表明黃土的結(jié)構(gòu)性越強(qiáng)，基質(zhì)吸力相對(duì)越大；在固結(jié)過(guò)程中，試樣基質(zhì)吸力隨著圍壓的增大而逐漸降低；在試樣剪切過(guò)程中，不同含水率試樣基質(zhì)吸力隨軸向應(yīng)變的增長(zhǎng)表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，3種供試黃土含水率(w)小于塑限含水率(即黃土①w=13%，15%，黃土②w=15%，18%，黃土③w=11%，13%)時(shí)，試樣基質(zhì)吸力隨著軸向應(yīng)變的增加而增大，當(dāng)含水率大于等于塑限含水率(即黃土①w=18%，23%，黃土②w=21%，24%，黃土③w=16%，20%)時(shí)，試樣基質(zhì)吸力隨著軸向應(yīng)變的增加而減小。在初始含水率引起的飽和度變化及試樣剪切過(guò)程中引起的飽和度變化兩種情況下，試樣的基質(zhì)吸力有著不同的變化規(guī)律，前者呈單調(diào)下降趨勢(shì)，后者在含水率小于塑限時(shí)呈單調(diào)上升趨勢(shì)，在含水率大于等于塑限時(shí)呈單調(diào)下降趨勢(shì)。【結(jié)論】 結(jié)構(gòu)性黃土基質(zhì)吸力特性與濕度、構(gòu)度、圍壓、飽和度等多種因素相關(guān)；土樣含水率在大于等于塑限與小于塑限時(shí)基質(zhì)吸力有著不同的變化趨勢(shì)。

原狀黃土；黃土結(jié)構(gòu)性；構(gòu)度；基質(zhì)吸力；三軸剪切試驗(yàn)

我國(guó)西北地區(qū)分布著大量黃土地層，所屬地區(qū)氣候多屬于干旱半干旱氣候。工程中所用的黃土常常位于地下水位以上，處于非飽和狀態(tài)。天氣條件的變化尤其是降雨入滲會(huì)對(duì)土體的含水率造成很大影響。在土體浸濕時(shí)，孔隙水壓力增大趨于正值，黃土出現(xiàn)一定的濕陷性，土體抗剪強(qiáng)度大幅降低，容易導(dǎo)致滑坡[1]?；|(zhì)吸力作為非飽和土的重要特性之一，越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外科研人員的重視，從事非飽和土領(lǐng)域的研究就不能不考慮基質(zhì)吸力帶來(lái)的影響[1]。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者利用不同地區(qū)的非飽和土進(jìn)行體積壓力板儀、側(cè)限壓縮、直剪、三軸等各種應(yīng)力路徑下的試驗(yàn)，揭示了非飽和土基質(zhì)吸力的一些變化規(guī)律，并指出影響基質(zhì)吸力的若干因素，如含水率、干密度及應(yīng)力狀態(tài)等[2-14]，并就基質(zhì)吸力對(duì)土體強(qiáng)度的貢獻(xiàn)作了若干研究[15-16]。但是眾多學(xué)者在進(jìn)行研究時(shí)，大多采用人工重塑的非飽和土樣進(jìn)行測(cè)試，基于原狀結(jié)構(gòu)性黃土的研究很少；且在試驗(yàn)方法上也以控制基質(zhì)吸力居多[17-19]，而基質(zhì)吸力是一種只能由本身物理本質(zhì)因素確定的屬性力，控制基質(zhì)吸力的試驗(yàn)并不是一種可取的好方法；另外在剪切過(guò)程中對(duì)試樣基質(zhì)吸力變化的研究也較少。因此模擬實(shí)際工況，深入研究三軸剪切過(guò)程中非飽和原狀黃土的吸力特性具有重要的理論和實(shí)際意義。

土的結(jié)構(gòu)性是決定土力學(xué)特性的重要內(nèi)在因素，在非飽和土基質(zhì)吸力研究中結(jié)合土的結(jié)構(gòu)性就顯得非常必要。然而黃土作為一種典型的結(jié)構(gòu)性土，在非飽和土基質(zhì)吸力研究中結(jié)合土的結(jié)構(gòu)性還鮮有報(bào)道。本研究利用非飽和土三軸剪切儀對(duì)西北地區(qū)(陜西西安、甘肅定西、新疆石河子)原狀非飽和黃土進(jìn)行不同濕度、不同應(yīng)力狀態(tài)下的試驗(yàn)研究，同時(shí)結(jié)合能反映原狀黃土結(jié)構(gòu)性強(qiáng)弱的構(gòu)度指標(biāo)[20]，分析構(gòu)度強(qiáng)弱對(duì)基質(zhì)吸力大小的影響及圍壓、飽和度對(duì)試樣基質(zhì)吸力的影響，以期揭示常含水率剪切過(guò)程中試樣基質(zhì)吸力的變化規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)用土來(lái)自我國(guó)西北不同地區(qū)，分別取自陜西西安市南郊航天城某邊坡、甘肅定西市某輸電塔黃土地基、新疆石河子市建設(shè)工程質(zhì)監(jiān)站某商住樓基坑，取土深度分別為4.5，5.0和4.0 m，均為Q3黃土。為方便敘述，分別編號(hào)為黃土①、②、③。利用三軸削樣器將原狀土塊切削成高h(yuǎn)=8 cm、直徑φ=3.91 cm的圓柱形試樣。各土樣物理性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 供試原狀黃土的物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical parameters of undisturbed loess before experiment

制備重塑樣時(shí)先將切削原狀土剩下的余土碾碎，過(guò)孔徑1 mm篩，拌勻后測(cè)量其含水率，然后按干密度和所測(cè)定含水率計(jì)算出所需土質(zhì)量，制備時(shí)將所需土樣分5等份壓實(shí)，每層壓實(shí)后用小刀將土表面刨毛，再裝土進(jìn)行下一層壓實(shí)，以便保持試樣的均勻性。

制備飽和樣采用抽氣飽和法，將制備好的試樣裝入飽和器，放入真空抽氣缸，啟動(dòng)真空泵，抽氣時(shí)間不少于1 h，在真空缸中注入蒸餾水，注水過(guò)程保持壓力表讀數(shù)不變，當(dāng)水沒(méi)過(guò)飽和器時(shí)停止注水，繼續(xù)抽氣不少于15 min，使試樣充分飽和。

為了研究不同含水率條件下原狀結(jié)構(gòu)性黃土的基質(zhì)吸力特性，對(duì)來(lái)自西安、定西、石河子3個(gè)地區(qū)的黃土配制不同含水率的試樣：黃土①配制成含水率分別為13%，15%，18%和23%的試樣，黃土②配制成含水率分別為15%，18%，21%和24%的試樣，黃土③配制成含水率分別為11%，13%，16%和20%的試樣。對(duì)低于天然含水率的試樣采用風(fēng)干法處理，讓水分蒸發(fā)至需要含水率；對(duì)高于天然含水率的試樣采用水膜轉(zhuǎn)移法，用滴管滴定至所需含水率。配好水的試樣放在保濕缸中靜置72 h，以保證水分運(yùn)移均勻。

實(shí)際工程中，地基中土體實(shí)際埋深不同，四周均勻受力，且土體中孔隙水壓力消散比較慢，為了在室內(nèi)模擬這一工程實(shí)際情況，本研究采用常含水率三軸剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)選取100，200，300和400 kPa 4個(gè)不同的固結(jié)圍壓。

1.2 試驗(yàn)儀器

進(jìn)行測(cè)定構(gòu)度指標(biāo)的無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)時(shí)，采用南京自動(dòng)化儀器廠生產(chǎn)的靜三軸試驗(yàn)機(jī)。進(jìn)行非飽和土試驗(yàn)時(shí)，采用西安理工大學(xué)研制的W3ZJ-20型微機(jī)控制靜力三軸試驗(yàn)機(jī)(圖1)，將其改進(jìn)為可測(cè)量試樣基質(zhì)吸力的非飽和土三軸儀，該儀器由壓力室、軸向力施加系統(tǒng)、圍壓施加系統(tǒng)、吸力量測(cè)系統(tǒng)、體變量測(cè)裝置、微機(jī)控制系統(tǒng)等6部分組成。壓力室分為內(nèi)外2層，內(nèi)室中的圍壓與外室中的圍壓相等，保證內(nèi)室的體積在試驗(yàn)時(shí)不發(fā)生變化，以確保外體變測(cè)量的精確性。在試樣底座裝有一塊高進(jìn)氣值陶土板(進(jìn)氣值約為1 500 kPa)，可以利用軸平移技術(shù)來(lái)量測(cè)試樣的基質(zhì)吸力。

圖1 試驗(yàn)所用的W3ZJ-20型三軸儀

1.3 試驗(yàn)方法

進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)力狀態(tài)采用不固結(jié)不排水，三軸壓力室腔體不進(jìn)水，剪切速率定為0.386 mm/min，在應(yīng)力出現(xiàn)峰值后即可終止試驗(yàn)。進(jìn)行非飽和土試驗(yàn)時(shí)，先將陶土板飽和，在試驗(yàn)過(guò)程中保持試樣排氣不排水，在固結(jié)前先量測(cè)試樣的初始基質(zhì)吸力，在量測(cè)吸力過(guò)程中為了防止出現(xiàn)孔隙水壓力低于-70 kPa引起的氣蝕現(xiàn)象，根據(jù)試樣的初始含水率施加不同的氣壓力，利用軸平移技術(shù)量測(cè)試樣在固結(jié)以及剪切過(guò)程中的基質(zhì)吸力。固結(jié)圍壓采取分級(jí)施加，每級(jí)50 kPa遞增；固結(jié)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為孔隙水壓力1 h內(nèi)數(shù)值變化小于0.5 kPa且歷時(shí)不小于12 h。考慮到孔隙水壓力傳遞的滯后性，本次試驗(yàn)剪切速率定為0.005 mm/min，破壞標(biāo)準(zhǔn)為軸向應(yīng)變達(dá)到試樣高度的15%即12 mm時(shí)終止試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 構(gòu)度與含水率和基質(zhì)吸力的關(guān)系

構(gòu)度是運(yùn)用綜合結(jié)構(gòu)勢(shì)思想，通過(guò)原狀土、重塑土和飽和土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，用原狀土與重塑土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度比值反映土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，用飽和土與原狀土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度比值反映土結(jié)構(gòu)的可變性，構(gòu)度指標(biāo)mu可由下式計(jì)算得到：

(1)

式中：m1反映結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，m2反映結(jié)構(gòu)可變性，(qu)o、(qu)r、(qu)s分別為原狀土、重塑土、原狀飽和土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

構(gòu)度的定義給出了一個(gè)反映土初始結(jié)構(gòu)性狀的度量指標(biāo)。本試驗(yàn)對(duì)3種供試黃土的原狀樣、重塑樣及飽和樣分別進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到3種黃土在不同含水率下的構(gòu)度指標(biāo)，如表2所示。

表2 3種供試黃土的構(gòu)度指標(biāo)及初始基質(zhì)吸力Table 2 Structural index and initial matrix suction of 3 kinds of loess

由表2可以看出，3種黃土試樣的基質(zhì)吸力和構(gòu)度均隨含水率的增大而降低，說(shuō)明隨著含水率的增大，3種黃土的結(jié)構(gòu)性逐漸減弱，當(dāng)含水率小于塑限含水率時(shí)，構(gòu)度指標(biāo)迅速變小，說(shuō)明含水率的變化對(duì)土結(jié)構(gòu)性(構(gòu)度指標(biāo))影響很大；當(dāng)含水率大于塑限含水率時(shí)，構(gòu)度指標(biāo)變化平緩，說(shuō)明隨著含水率的增大，土結(jié)構(gòu)性已發(fā)生較大破壞，導(dǎo)致含水率變化對(duì)結(jié)構(gòu)性(構(gòu)度指標(biāo))影響較小，濕度狀態(tài)對(duì)于不同黃土的抗剪切作用效果明顯。

3種試樣初始基質(zhì)吸力隨構(gòu)度指標(biāo)的增大而增大，原狀土樣的初始結(jié)構(gòu)性對(duì)土樣基質(zhì)吸力影響非常顯著。造成這種現(xiàn)象的原因應(yīng)該是構(gòu)度指標(biāo)較低時(shí)，對(duì)應(yīng)的試樣含水率較高，試樣中有相當(dāng)一部分孔隙通道被水膜堵塞，導(dǎo)致孔隙通道進(jìn)一步減少，試樣水汽連通狀態(tài)發(fā)生較大變化，毛細(xì)作用影響降低，所以基質(zhì)吸力較??；而構(gòu)度指標(biāo)較高時(shí)，對(duì)應(yīng)試樣含水率較低，試樣內(nèi)部孔隙較高含水率時(shí)通暢，毛細(xì)作用影響增大，從而導(dǎo)致基質(zhì)吸力逐漸增大。

對(duì)于不同地區(qū)的黃土，構(gòu)度與初始基質(zhì)吸力的關(guān)系均可用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，結(jié)果可表示為：

mu=aebS0。

(2)

式中：mu為黃土的構(gòu)度指標(biāo)；S0為黃土的初始基質(zhì)吸力；a、b為試驗(yàn)土性參數(shù)，對(duì)來(lái)自西安、定西、石河子3個(gè)地區(qū)的黃土，a值分別取為4.764，8.648和7.135，b值分別取為0.003 6，0.003 9和0.003 4。

長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，對(duì)黃土基本物理性質(zhì)的評(píng)價(jià)僅僅局限于從粒度、密度和濕度3個(gè)指標(biāo)來(lái)考慮，忽視了一個(gè)極其重要的因素，即結(jié)構(gòu)性(構(gòu)度指標(biāo))的定量化。而黃土結(jié)構(gòu)性作為一個(gè)重要的物性指標(biāo)，與粒度、密度和濕度共同影響著黃土的力學(xué)性質(zhì)。本研究通過(guò)對(duì)西安、定西、石河子3個(gè)地區(qū)結(jié)構(gòu)性黃土構(gòu)度指標(biāo)的定量化，建立了構(gòu)度與初始基質(zhì)吸力的關(guān)系，為工程實(shí)際應(yīng)用提供了一種簡(jiǎn)便可行的確定基質(zhì)吸力的方法。

2.2 試驗(yàn)圍壓對(duì)試樣基質(zhì)吸力的影響

對(duì)試樣進(jìn)行均壓固結(jié)，在固結(jié)前先量測(cè)試樣的初始吸力，為了保證基質(zhì)吸力的穩(wěn)定及精確量測(cè)，本次試驗(yàn)的固結(jié)圍壓采取每級(jí)50kPa來(lái)施加，每施加50kPa圍壓，待孔隙水壓力穩(wěn)定后量測(cè)一次吸力。不同含水率試樣的初始吸力以及經(jīng)過(guò)100，200，300和400kPa4個(gè)不同圍壓固結(jié)后的基質(zhì)吸力見(jiàn)表3。由表3可以看出，不同含水率試樣的基質(zhì)吸力均隨固結(jié)圍壓的增大而逐漸減小。造成這種現(xiàn)象的原因是固結(jié)圍壓的增大使得土體內(nèi)顆粒之間的接觸更加緊密，由于試樣是均壓固結(jié)各向等壓，土體顆粒相互之間逐漸擠密而不會(huì)發(fā)生大的錯(cuò)動(dòng)，顆粒與顆粒之間的接觸面積相對(duì)變得更大，造成部分孔隙堵塞，以至于孔隙通道進(jìn)一步減少，試樣的水汽連通狀態(tài)發(fā)生較大變化，毛細(xì)作用的影響降低，此時(shí)試樣的飽和度隨圍壓的增大較快增長(zhǎng)，從而導(dǎo)致了試樣基質(zhì)吸力逐漸降低，所以試樣的基質(zhì)吸力隨著圍壓的增大而逐漸降低。

2.3 剪切過(guò)程中試樣基質(zhì)吸力的變化規(guī)律

對(duì)試樣進(jìn)行控制氣壓力的常含水率三軸剪切試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別繪制出3種黃土試樣在不同圍壓(σ3)下基質(zhì)吸力(S)隨軸向應(yīng)變(ε1)的變化曲線(S～ε1關(guān)系曲線)，結(jié)果如圖2，3，4所示。

圖2 不同含水率及圍壓下黃土①基質(zhì)吸力與軸向應(yīng)變的關(guān)系

由圖2，3，4可以看出，試樣含水率不同時(shí)，其基質(zhì)吸力隨軸向應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)的變化趨勢(shì)亦不相同，具體表現(xiàn)在：

(1)當(dāng)黃土①的含水率為13%和15%、黃土②的含水率為15%和18%、黃土③的含水率為11%和13%，周圍壓力σ3=100，200，300，400kPa時(shí)，試樣S～ε1關(guān)系曲線總體呈現(xiàn)出逐漸上升的變化趨勢(shì)，曲線上有個(gè)別點(diǎn)出現(xiàn)波動(dòng)應(yīng)該是氣壓不穩(wěn)定而導(dǎo)致的試驗(yàn)誤差所致，說(shuō)明試樣基質(zhì)吸力隨著剪切軸向應(yīng)變的增大而逐漸增大。圍壓大小(100～400kPa)并未對(duì)S～ε1關(guān)系曲線的總體上升變化趨勢(shì)有所影響。

圖3 不同含水率及圍壓下黃土②基質(zhì)吸力與軸向應(yīng)變的關(guān)系
Fig.3Relationsbetweenmatrixsuctionandaxialstrainofloess②atdifferentwatercontentsandconfiningpressures

圖4 不同含水率及圍壓下黃土③基質(zhì)吸力與軸向應(yīng)變的關(guān)系
Fig.4Relationsbetweenmatrixsuctionandaxialstrainofloess③atdifferentwatercontentsandconfiningpressures

(2)當(dāng)黃土①的含水率為18%和23%、黃土②的含水率為21%和24%、黃土③的含水率為16%和20%，周圍壓力σ3=100，200，300，400kPa時(shí)，試樣S～ε1關(guān)系曲線總體呈現(xiàn)出逐漸下降的變化趨勢(shì)，說(shuō)明試樣基質(zhì)吸力隨著剪切軸向應(yīng)變的增大而逐漸降低。圍壓的大小(100～400kPa)并未對(duì)S～ε1關(guān)系曲線總體下降的變化趨勢(shì)有所影響，這與上述低含水率試樣的變化情況相一致。

基質(zhì)吸力S與土孔隙的有效孔徑r之間的關(guān)系為[9]：

S=ua-uw=2Tscosα/r。

(3)

式中：ua為孔隙氣壓力，uw為孔隙水壓力，Ts為彎液面的表面張力，α為水與土之間的接觸角，r為孔隙有效半徑。

由式(3)可知，基質(zhì)吸力S與土孔隙的有效半徑r成反比。上述常含水率三軸剪切壓縮過(guò)程中，不同含水率下S～ε1關(guān)系曲線具有不同的形式，是由于與剪切壓縮相關(guān)的干密度增大使試樣孔隙的有效孔徑r減小所引起基質(zhì)吸力的“漲”勢(shì)，與飽和度增大引起基質(zhì)吸力的“消”勢(shì)所起作用的大小不同所致。對(duì)基質(zhì)吸力的影響不外乎結(jié)構(gòu)和濕度2個(gè)重要因素，在較高含水率時(shí)，濕度起主要作用，在較低含水率時(shí)，結(jié)構(gòu)性起主要作用。含水率(w)相對(duì)較小(黃土①w=13%、15%，黃土②w=15%、18%，黃土③w=11%、13%)時(shí)，原狀黃土的結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)，軸向應(yīng)變的增大引起土有效孔隙半徑的減小起主要作用，飽和度的增大起次要作用，從而使基質(zhì)吸力隨軸向應(yīng)變的增大而緩慢增大；含水率(w)相對(duì)較大(黃土①w=18%、23%，黃土②w=21%、24%，黃土③w=16%、20%)時(shí)，原狀黃土的結(jié)構(gòu)性變?nèi)?，軸向應(yīng)變?cè)龃笠鸬娘柡投仍龃笃鹬饕饔?，土有效孔隙半徑的減小起次要作用，從而使得基質(zhì)吸力隨著軸向應(yīng)變的增大而逐漸減小。

由以上結(jié)論可以認(rèn)為，原狀試樣的塑限含水率wp為一個(gè)界限含水率，當(dāng)試樣含水率小于塑限含水率時(shí)，試樣基質(zhì)吸力隨著軸向應(yīng)變的增大而逐漸增大；當(dāng)試樣含水率大于等于塑限含水率時(shí)，試樣基質(zhì)吸力隨著軸向應(yīng)變的增大而逐漸減小。該結(jié)論對(duì)于實(shí)際工程有著較好的指導(dǎo)意義。

2.4 飽和度對(duì)基質(zhì)吸力狀態(tài)的影響

在試樣固結(jié)剪切前繪制出原狀黃土與初始含水率相關(guān)的飽和度Sr與基質(zhì)吸力S的關(guān)系曲線，即原狀黃土的土-水特征曲線(Sr～S關(guān)系曲線)(圖5)。由圖5可以看出，Sr～S關(guān)系曲線呈單調(diào)遞減的變化趨勢(shì)，即試樣基質(zhì)吸力S隨著試樣飽和度Sr的增大而減小。

圖5 3種供試黃土試樣的初始基質(zhì)吸力與飽和度的關(guān)系

在進(jìn)行非飽和土試驗(yàn)中，根據(jù)各級(jí)圍壓作用下試樣剪切的體積變化量，可以計(jì)算出剪切過(guò)程中試樣的孔隙比，進(jìn)而計(jì)算出剪切過(guò)程中試樣的干密度和飽和度。由此繪制出在初始含水率一定、不同固結(jié)圍壓(100，200kPa)時(shí)土樣剪切壓縮過(guò)程中相關(guān)飽和度變化情況下試樣基質(zhì)吸力S與飽和度Sr的關(guān)系曲線，分別如圖6-8所示。從圖6-8可以看出：

(1)當(dāng)黃土①、黃土②、黃土③ 3種黃土試樣的含水率分別為13%和15%、15%和18%、11%和13%時(shí)，試樣S～Sr關(guān)系曲線總體呈現(xiàn)出逐漸上升的變化趨勢(shì)，說(shuō)明試樣基質(zhì)吸力隨著剪切軸向應(yīng)變的增大而逐漸增大，圍壓的大小(100，200kPa)并未對(duì)S～Sr關(guān)系曲線總體上升的變化趨勢(shì)有所影響。

(2)當(dāng)黃土①、黃土②、黃土③ 3種黃土試樣的含水率分別為18%和23%、21%和24%、16%和20%時(shí)，試樣S～Sr關(guān)系曲線總體呈現(xiàn)出逐漸下降的變化趨勢(shì)，說(shuō)明試樣基質(zhì)吸力隨著剪切軸向應(yīng)變的增大而逐漸降低，圍壓的大小(100，200kPa)并未對(duì)S～Sr關(guān)系曲線總體下降的變化趨勢(shì)有所影響。

在剪切過(guò)程中隨著試樣的逐漸壓密，其相關(guān)飽和度也會(huì)逐漸增加，通常認(rèn)為基質(zhì)吸力隨飽和度的增大而減小，然而在剪切過(guò)程中，當(dāng)3種黃土試樣的含水率較低(黃土①w=13%、15%，黃土②w=15%、18%，黃土③w=11%、13%)，周圍壓力σ3=100，200kPa時(shí)，試樣的基質(zhì)吸力卻呈現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)，即基質(zhì)吸力隨飽和度的增大單調(diào)增加。其原因是由于剪切過(guò)程中，試樣含水率較低，結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)，剪切壓縮過(guò)程中試樣孔隙尺寸變小，增強(qiáng)了毛細(xì)張力作用，與此同時(shí)，試樣飽和度也在增大，但此時(shí)飽和度增大對(duì)試樣基質(zhì)吸力的影響沒(méi)有孔隙尺寸變小對(duì)試樣基質(zhì)吸力造成的影響大，從而導(dǎo)致試樣基質(zhì)吸力隨著飽和度的增加而逐漸增大?？梢?jiàn)，在與剪切壓縮過(guò)程相關(guān)的飽和度變化及與初始含水率相關(guān)的飽和度變化這兩種情況下，基質(zhì)吸力S與飽和度Sr關(guān)系曲線具有不同的變化趨勢(shì)。前者當(dāng)試樣含水率較低時(shí)呈單調(diào)上升趨勢(shì)，試樣含水率較高時(shí)呈單調(diào)下降趨勢(shì)，后者則呈單調(diào)下降趨勢(shì)。

圖6 不同含水率及圍壓下黃土①基質(zhì)吸力與飽和度(剪切過(guò)程中)的關(guān)系曲線

圖7 不同含水率及圍壓下黃土②基質(zhì)吸力與飽和度(剪切過(guò)程中)的關(guān)系曲線

圖8 不同含水率及圍壓下黃土③基質(zhì)吸力與飽和度(剪切過(guò)程中)的關(guān)系曲線

同樣可以認(rèn)為，原狀試樣的塑限含水率wp為一個(gè)界限含水率，當(dāng)試樣含水率小于塑限含水率時(shí)，試樣基質(zhì)吸力隨著剪切過(guò)程中相關(guān)飽和度的增大而逐漸增大；當(dāng)試樣含水率大于塑限含水率時(shí)，試樣基質(zhì)吸力隨著剪切過(guò)程中相關(guān)飽和度的增大而逐漸減小。

3 討論與結(jié)論

本研究成果顯示，原狀結(jié)構(gòu)性黃土的基質(zhì)吸力隨著固結(jié)圍壓的增大而降低；黃志全等[3]和李永樂(lè)等[5]的研究也表明，在含水率及干密度一定時(shí)，基質(zhì)吸力與固結(jié)圍壓的變化曲線基本接近線性關(guān)系，固結(jié)圍壓越大基質(zhì)吸力越小。本研究中，來(lái)自不同地區(qū)的3種原狀結(jié)構(gòu)性黃土的基質(zhì)吸力在含水率較低時(shí)隨固結(jié)圍壓的增大降幅較小，在含水率較高時(shí)隨固結(jié)圍壓的增大降幅較大，這主要是由于在含水率較低時(shí)，試樣的基質(zhì)吸力基數(shù)較大，在含水率較高時(shí)，基質(zhì)吸力基數(shù)較小所致。

本研究利用常規(guī)三軸儀和能夠量測(cè)非飽和土基質(zhì)吸力的非飽和土三軸剪切儀，對(duì)不同地區(qū)的原狀非飽和結(jié)構(gòu)性黃土分別進(jìn)行測(cè)定構(gòu)度指標(biāo)的無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)和施加不同圍壓進(jìn)行控制氣壓力的常含水率三軸剪切試驗(yàn)，結(jié)果表明，原狀結(jié)構(gòu)性黃土在剪切過(guò)程中，對(duì)于隨著試樣逐漸壓密而增大的飽和度，基質(zhì)吸力有著不同的變化趨勢(shì)，當(dāng)原狀結(jié)構(gòu)性黃土含水率較低(黃土①w=13%、15%，黃土②w=15%、18%，黃土③w=11%、13%)時(shí)，基質(zhì)吸力隨飽和度的增加而增大。這與熊承仁等[4]的試驗(yàn)結(jié)果中“在較低含水率時(shí)，基質(zhì)吸力隨著飽和度的增大而增大”這一結(jié)論相一致，但與黃志全等[3]研究成果中所述“剪切過(guò)程中基質(zhì)吸力隨飽和度的增大呈先增大后減小”的變化趨勢(shì)不同。

本研究分析黃土基質(zhì)吸力與構(gòu)度指標(biāo)、圍壓、飽和度的關(guān)系以及基質(zhì)吸力在剪切過(guò)程中的變化規(guī)律，可以得到以下結(jié)論：

1)供試黃土試樣的構(gòu)度隨含水率的增大而降低，初始基質(zhì)吸力隨構(gòu)度指標(biāo)的升高而增大。

2)不同含水率試樣的基質(zhì)吸力隨圍壓增大變化規(guī)律基本相同，即基質(zhì)吸力隨圍壓的增大而降低。

3)不同含水率試樣的基質(zhì)吸力隨剪切軸向應(yīng)變的發(fā)展變化并不相同。當(dāng)試樣的含水率小于塑限時(shí)，試樣基質(zhì)吸力隨著剪切軸向應(yīng)變的增加而逐漸增大；當(dāng)試樣含水率大于等于塑限時(shí)，試樣基質(zhì)吸力隨著剪切軸向應(yīng)變的增加而逐漸降低。

4)試樣在剪切壓縮過(guò)程中相關(guān)飽和度的變化以及與初始含水率相關(guān)的飽和度變化這兩種不同情況下，基質(zhì)吸力S與飽和度Sr的關(guān)系曲線具有不同的變化趨勢(shì)。前者當(dāng)試樣含水率較低(小于塑限)時(shí)呈單調(diào)上升趨勢(shì)，試樣含水率較高(大于等于塑限)時(shí)呈單調(diào)下降趨勢(shì)，后者則呈單調(diào)下降趨勢(shì)。

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· 喜訊·

《西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》喜獲
“2014年百種中國(guó)杰出學(xué)術(shù)期刊”

科技部中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所“2015年中國(guó)科技論文統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)布會(huì)”于2015年10月21日在北京召開(kāi)，《西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》喜獲“2014年百種中國(guó)杰出學(xué)術(shù)期刊”?！?014年百種中國(guó)杰出學(xué)術(shù)期刊”是中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所根據(jù)2015年《中國(guó)科技期刊引證報(bào)告》(核心版)的 24項(xiàng)科學(xué)計(jì)量指標(biāo)，采用層次分析法，由專家打分確定重要指標(biāo)的權(quán)重，分學(xué)科對(duì)入選《中國(guó)科技期刊引證報(bào)告》(核心版)的2 383種中國(guó)科技核心期刊(中國(guó)科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊)進(jìn)行綜合評(píng)定，計(jì)算出每種期刊的綜合評(píng)價(jià)總分，得到綜合排序值，最終從113個(gè)自然學(xué)科領(lǐng)域中，擇優(yōu)選擇各學(xué)科中的最重要期刊，遴選得到100種2014年“百種中國(guó)杰出學(xué)術(shù)期刊”，這些期刊代表了中國(guó)科技期刊的最高水平。由于該評(píng)價(jià)體系已經(jīng)屏蔽了各學(xué)科之間總體指標(biāo)背景值的差異，可以進(jìn)行跨學(xué)科比較，能夠全面、準(zhǔn)確、公正、客觀地評(píng)價(jià)期刊，因此得到業(yè)界的高度認(rèn)可。

這次是本刊繼2005、2006、2009、2011、2013年后，第6次入選“百種中國(guó)杰出學(xué)術(shù)期刊”。本次獲得“2014年百種中國(guó)杰出學(xué)術(shù)期刊”的全國(guó)高等學(xué)校學(xué)報(bào)共有12種；在全國(guó)農(nóng)林院校學(xué)報(bào)中，僅本刊與《北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)》入選；在陜西省高等學(xué)校學(xué)報(bào)中，僅有《西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》獲此殊榮。

以上榮譽(yù)的獲得，既是學(xué)校主管部門的關(guān)心及長(zhǎng)期以來(lái)支持本刊的審稿專家鼎力相助的結(jié)果，也是廣大作者、讀者長(zhǎng)期厚愛(ài)的結(jié)果。借此機(jī)會(huì)，對(duì)本刊的審稿專家、作者、讀者再次表示感謝！讓我們繼續(xù)攜起手來(lái)，共同努力，將《西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》辦得更好！

(溫曉平，申云霞 供稿)

Experimental study on matrix suction of undisturbed structural loess by triaxial test

CHU Feng,SHAO Sheng-jun,CHEN Cun-li

(ResearchInstituteofGeotechnicalEngineering,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi710048,China)

【Objective】 Matrix suction of undisturbed structural loess was studied by triaxial test to provide guidance for the practical engineering application.【Method】 By triaxial test,the structural index of undisturbed structural loess from Xi’an Shaanxi ①,Dingxi Gansu ②,and Shihezi Xinjiang ③ was investigated.Change of the structural index with moisture content was analyzed and the relationship between matric suction change and the structural index was determined.With different humilities and confining pressures and constant water content,the undisturbed structural loess was analyzed by unsaturated soil triaxial test.Then the effect of saturation degree and confining pressure on matrix suction was determined to reveal the variation of matrix suction in shear process.【Result】 Matrix suction and structural index of undisturbed structural loess decreased with the increase of water content,and matrix suction of undisturbed structural loess increased with the increase of structural index.In the consolidation process,matrix suction decreased with the increase of confining pressure.In the shear process,the suction changed differently with the increase of axial strain. When the water contents (w) (loess①w=13%,15%,loess②w=15%,18%,loess③w=11%,13%)were less than plastic limit,the matrix suction increased with the increase of axial strain,while when the water contents(loess①w=18%,23%,loess②w=21%,24%,loess③w=16%，20%)were larger than plastic limit,the matrix suction decreased with the increase of axial strain.At the saturation degrees caused by initial water content and shear process,the matrix suction changed differently.The former had a monotone decreasing trend.For the later,the trend was monotone increasing when the water content is less than plastic limit and it changed to monotone decreasing when the water content was larger than plastic limit.【Conclusion】 The matrix suction characteristics of structural loess related to moisture,structural index,confining pressure,and saturation degree.When the water content was less than plastic limit,the trend of matrix suction was different form when the water content was larger than plastic limit.

undisturbed loess;structural of loess;structural index;matrix suction;triaxial test

時(shí)間:2015-11-11 16:16

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.12.028

2015-03-27

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50878183)

褚 峰(1982-)，男，陜西西安人，在讀博士，主要從事非飽和土及土動(dòng)力學(xué)研究。 E-mail：chufeng15389409920@163.com

邵生俊(1964-)，男，甘肅武威人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事非飽和土及土動(dòng)力學(xué)研究。 E-mail：1477977349@qq.com

TU411

A

1671-9387(2015)12-0199-10

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20151111.1616.056.html