【摘要】非飽和黃土的強度特性比一般的粘性土更為復雜，其強度是黃土抗剪能力的量度，同時也是黃土邊坡工程、地基工程和洞室工程設計計算的重要參數(shù)。文中以陜西楊凌地區(qū)的黃土為對象，通過三軸不固結(jié)不排水實驗研究不同圍壓、不同干密度對非飽和重塑黃土強度特性的影響。依據(jù)實驗所得的數(shù)據(jù)，確定每組土樣的強度指標c、φ 值，找出土樣的抗剪強度隨干密度的變化規(guī)律。

【關鍵詞】非飽和黃土；常規(guī)三軸試驗；含水率；干密度

1、研究背景和意義

黃土在我國分布較廣，主要分布在黃河流域，是一種區(qū)域性特殊土，分布面積大約占國土面積的6.6%。黃土是一種特殊的第四紀陸相松散堆積物，覆蓋了我國西北、華北等地區(qū)64萬km2的疆土。位于西北地區(qū)的楊凌黃土，在干旱、半干旱及地下水深埋條件下，通常處于非飽和狀態(tài)。

近幾年來，包括國內(nèi)外許多學者已經(jīng)在非飽和土理論研究方面取得了比較大的進展。從黃土的主要工程力學性質(zhì)：滲透性、動力特性、壓縮變形特性和黃土剪切強度特性等方面做了大量研究，取得了一定的成果。但是，正如沈珠江院士指出的“非飽和土力學的發(fā)展已經(jīng)到了從量的積累到質(zhì)的飛躍的關鍵時刻”。非飽和土理論的不斷發(fā)展為解決非飽和黃土的工程問題也開辟了一條新的途徑。目前，關于非飽和土的強度理論與本構(gòu)模型是研究非飽和土力學的難點，至今對黃土動力特性研究的主題仍然是土的動力學的三大基本課題，即為黃土的震陷與動變形，黃土的動強度與液化和黃土的動應力-應變關系（含動力特性參數(shù)）問題。

2、研究思路及內(nèi)容

采用常規(guī)三軸剪切試驗，對陜西省楊凌區(qū)黃土采用不固結(jié)不排水方法（UU）進行抗剪強度的研究。分別控制重塑黃土的含水率和干密度ρd，研究其抗剪強度的變化規(guī)律。初步擬定土樣含水率為13%，干密度ρd為1.3g/cm3、1.4 g/cm3、1.5 g/cm3、1.6 g/cm3的土樣。共4組，每組3個土樣，每組土樣施加的圍壓為100kPa、200kPa、300kPa，剪切速率為0.18mm/min。

根據(jù)實驗所得的數(shù)據(jù)，得出每個土樣的應力-應變曲線和摩爾圓，并得出每組土樣的c、φ值，找出土樣的抗剪強度與干密度ρd的變化規(guī)律。

3、研究方案與方法

3.1土樣基本物理性質(zhì)指標

試驗用黃土土樣取自陜西楊凌大道某建筑場地，屬于渭河二級階地。取土場地的地形比較平坦，取土深度為4m左右。所取土料特征為：黃褐色，較濕潤，結(jié)構(gòu)致密，土質(zhì)均勻。根據(jù)《土工試驗規(guī)程（SL237-1999）》的要求，采用聯(lián)合液塑限儀、輕型擊實等方法進行了相關物理性質(zhì)指標的測定，結(jié)果如下。試驗用土的基本物理性質(zhì)指標見表1。

為了保持非飽和黃土土樣的試驗含水量的穩(wěn)定和均勻，每組試樣制備好后，用保鮮膜密封后放入養(yǎng)護缸中養(yǎng)護24h后再進行試驗。

3.2試驗方法

本次試驗采用應變控制式三軸儀，采用不固結(jié)不排水快剪法（UU），剪切速率0.18mm/min，每個土樣剪切歷時67～80min。本次試驗所用應變控制式三軸儀由壓力室、施加周圍壓力系統(tǒng)、軸向加壓設備、體積變化和孔隙壓力測量系統(tǒng)等系統(tǒng)組成。可用于測量土的抗剪強度、應力-應變關系及體變等。

4、試驗結(jié)果與結(jié)論

4.1試驗結(jié)果

通過進行不固結(jié)不排水的常規(guī)三軸試驗，并記錄相關數(shù)據(jù)，整理得到非飽和重塑黃土三軸剪切試驗成果如下：

干密度對應力應變的影響

非飽和重塑黃土的應力-應變關系曲線基本上符合雙曲線模型。但當其應變在 1.5%～3%以前時，應力隨著應變的增加并不符合雙曲線模型，這是由于在應變較小時，隨著土體的應力增大，土體的應變以彈性變形為主，這與非飽和土的理論相吻合。圖 1～圖 4 為相同含水率（w=13%），不同干密度條件下的應力-應變關系曲線。

（2）干密度對強度指標的影響

根據(jù)有效應力原理以及大量的試驗證明：同一試樣，不論做任何固結(jié)度的不排水剪切試驗，其總應力強度線不同，但有效應力強度線是唯一的，也就是說，有效應力強度指標是一定值。

按照三軸剪切試驗數(shù)據(jù)繪制在不同圍壓條件下的摩爾應力圓，從而可得出不同初始條件下試驗土樣的 c、φ值，其具體數(shù)值見表2

表2可以看出，在保持含水率不變時，隨干密度的增大，粘聚力c呈明顯的增大趨勢，其增大的幅度也逐漸增大。在相同含水率的條件下，隨著干密度ρd的增加，內(nèi)摩擦角 φ 也呈增大趨勢，但其增大的幅度很小，且內(nèi)摩擦角 φ 與干密度的關系不是簡單的線性或者曲線關系。

4.2.主要結(jié)論

本次試驗取得的主要研究成果如下：

（1）在相同含水率和施加相同圍壓的條件下，應力-應變曲線的變化受干密度ρd的影響較大。隨著干密度ρd的不斷增加，試驗土樣的應力-應變曲線由強硬化型逐漸向強軟化型變化。當ρd≤1.4g/cm3時，為強硬化型，試樣破壞類型為鼓狀破壞；當1.4g/cm3≤ρd≤1.6g/cm3時，為弱軟化型，試樣破壞的時候有細小斜裂縫產(chǎn)生；當ρd≥1.6g/cm3時，為強軟化型，試樣破壞時斜向裂開，出現(xiàn)明顯的剪切帶。

（2）含水率w相同時，隨干密度ρd的增加，重塑黃土樣的應力—應變曲線由硬化型向軟化型轉(zhuǎn)變，隨圍壓的增大，應變硬化和剪縮現(xiàn)象更為明顯。

參考文獻：

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作者簡介：張宏 女 1975年8月生，陜西丹鳳人，碩士研究生，副教授，從事水利水電工程的教學與研究工作。