張 玉， 何 暉， 曾志英， 劉 瑾， 丁 瀟， 楊 倩

(1. 西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院， 西安 710032; 2.西安理工大學(xué), 陜西省黃土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710048)

黃土是典型的結(jié)構(gòu)性土，具有大孔隙、豎向裂隙發(fā)育、可溶鹽含量高、濕陷性等特點(diǎn)[1]。黃土工程災(zāi)害的質(zhì)是在外部荷載及環(huán)境改變時(shí)，黃土顆粒間的大孔隙塌落，顆粒間可溶鹽溶解，使黃土產(chǎn)生濕陷變形或剪切破壞。在蘭州新區(qū)、延安新區(qū)的修建、高填方路基及高填方機(jī)場(chǎng)等實(shí)際黃土工程中，存在大量的填方工程問題及濕陷性土層上的工程建設(shè)問題，針對(duì)黃土特殊的結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理，以破壞大孔隙和消除豎向裂隙可提高黃土的強(qiáng)度與穩(wěn)定性，預(yù)防事故的發(fā)生。壓實(shí)和改良是兩種行之有效的手段，經(jīng)壓實(shí)或改良后的黃土，其固、液、氣三相組成，黃土顆粒的排列與組合，顆粒之間的膠結(jié)狀態(tài)等均發(fā)生了變化，使得壓實(shí)與改良黃土在強(qiáng)度、變形特性等方面的研究具有特殊性與復(fù)雜性[2-4]。目前，對(duì)于壓實(shí)黃土的研究成果較多[5-9]，主要集中在強(qiáng)度特性、變形特性、滲透特性、動(dòng)力特性和壓實(shí)度對(duì)其力學(xué)特性的影響及考慮干濕循環(huán)和凍融作用影響方面。改良黃土是通過在黃土中摻入石灰、粉煤灰、水泥、固化劑和凝膠材料等，通過黃土顆粒及粒間膠結(jié)物在空氣與水作用下，與摻合料發(fā)生一系列反應(yīng)來改變黃土的大孔隙、豎向裂隙及顆粒之間的聯(lián)結(jié)方式，提高其強(qiáng)度和穩(wěn)定性，從而滿足工程建設(shè)的需求。對(duì)改良黃土的研究主要集中在單摻入料改良[10-14]和多摻入料聯(lián)合改良[15-17]，開展了摻量、齡期、含水率和壓實(shí)度等對(duì)改良黃土的強(qiáng)度、變形、壓縮、濕陷、抗凍融及動(dòng)力特性等方面的研究，揭示了改良機(jī)理并取得了一定的成果。以上研究結(jié)果對(duì)于黃土工程應(yīng)用提供了一定的理論與試驗(yàn)依據(jù)，但改良黃土與壓實(shí)黃土在力學(xué)特性上的差異研究還有待深入，因此，在前人研究的基礎(chǔ)上，全面、系統(tǒng)地開展壓實(shí)黃土和粉煤灰-石灰改良黃土的物理及力學(xué)特性研究，揭示改良黃土與壓實(shí)黃土的應(yīng)力-應(yīng)變演化規(guī)律及強(qiáng)度特性的差異，對(duì)于西北地區(qū)黃土工程建設(shè)具有積極意義。

1 試驗(yàn)土樣及方案

試驗(yàn)取土地點(diǎn)為西安南郊月登閣村附近。取樣時(shí)為原狀土，依據(jù)原狀土樣取法，取土深度為地表下5～6 m處，屬于晚更期形成的Q3馬蘭黃土，土樣呈黃褐色，局部有細(xì)小蟲孔，偶然膠結(jié)物結(jié)塊，少見碎小石塊及蝸牛殼。采樣時(shí)通過現(xiàn)場(chǎng)探坑，避免對(duì)土樣的擾動(dòng)，保持原有沉積結(jié)構(gòu)切削采取，土樣塊用黑色塑料薄膜包裹，注明取土深度、時(shí)間和地點(diǎn)等，并用膠帶紙裹緊，避免水分的逸出，提高土塊樣整體性。襯墊減振材料后，裝箱運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。

1.1 試驗(yàn)土樣物理性質(zhì)指標(biāo)

原狀黃土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)為：比重2.71，干密度1.37 g/cm3，天然含水率21.2%，液限31.26%，塑限21.07%，孔隙比1.02。粉煤灰物理性質(zhì)指標(biāo)為：比重2.71，有效直徑0.05 mm，不均勻系數(shù)10.3，曲率系數(shù)1.52，顆粒組成小于0.005 mm(占12%)、0.005～0.075 mm(占65%)、0.075～2 mm(占23%)。石灰采用生石灰。

研究所用試樣均為重塑壓制試樣，重塑樣制樣完成后，通過滴定和風(fēng)干法得到設(shè)計(jì)含水率，并在保濕缸中養(yǎng)護(hù)2 d后再進(jìn)行試驗(yàn)。為了便于進(jìn)行素黃土和改良黃土進(jìn)行對(duì)比，依據(jù)素黃土擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，控制兩種土樣最大干密度均為1.68 g/cm3；已有混合料配比的研究結(jié)果表明，石灰、粉煤灰和黃土摻量為1∶2∶7的配比方案最優(yōu)，故研究采用此配比。

1.2 試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用TSZ-3型應(yīng)變控制式三軸剪切儀，對(duì)所有土樣進(jìn)行固結(jié)排水試驗(yàn)。

研究共完成了3個(gè)含水率(w)為16%、20%和24%條件下壓實(shí)黃土與粉煤灰-石灰改良黃土在3個(gè)壓實(shí)度(K)分別為85%、90%和95%，4個(gè)固結(jié)圍壓50、100、200、300 kPa下的三軸剪切試驗(yàn)。當(dāng)軸向應(yīng)變量達(dá)到15%時(shí)，結(jié)束試驗(yàn)。由于影響因素過多，且各含水率條件下的規(guī)律一致，只取含水率為20%、3個(gè)壓實(shí)度、4個(gè)固結(jié)圍壓，共計(jì)24個(gè)試樣的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

2.1 壓實(shí)黃土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

2.1.1 固結(jié)圍壓對(duì)壓實(shí)黃土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響

依據(jù)壓實(shí)黃土常規(guī)三軸加載試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，同一壓實(shí)度(K)黃土在不同固結(jié)圍壓條件下主應(yīng)力差(σ1-σ3)與豎向應(yīng)變(ε1)之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 同一壓實(shí)度下不同固結(jié)圍壓時(shí)壓實(shí)黃土應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain curves of compacted losses at different confining pressures under the same compactness

從圖1可以看出，同一壓實(shí)度、不同圍壓條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均為應(yīng)變硬化型，隨著豎向應(yīng)變的增大，主應(yīng)力差呈非線性增長(zhǎng)，可用雙曲線描述。同一壓實(shí)度條件下，固結(jié)圍壓越大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線越高，土的強(qiáng)度越大，規(guī)律性強(qiáng)。由于壓實(shí)黃土的原生結(jié)構(gòu)已遭到破壞，重塑后強(qiáng)度大小取決于次生結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的增長(zhǎng)情況。固結(jié)圍壓小時(shí)(σ3c=50、100 kPa)，已形成的次生結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基本可以承受固結(jié)壓力作用，而不產(chǎn)生變形，土不能被進(jìn)一步擠密，固結(jié)圍壓對(duì)強(qiáng)度的影響就較小，宏觀上表現(xiàn)為應(yīng)力-應(yīng)變曲線高低相差較小；而較大的固結(jié)圍壓可以促使土顆粒再次被壓密，次生結(jié)構(gòu)強(qiáng)度繼續(xù)增長(zhǎng)，表現(xiàn)同一豎向應(yīng)變條件下承受的豎向應(yīng)力越大。固結(jié)圍壓對(duì)壓實(shí)黃土的強(qiáng)度影響顯著。

2.1.2 壓實(shí)度對(duì)壓實(shí)黃土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響

壓實(shí)黃土在同一固結(jié)圍壓、不同壓實(shí)度條件下主應(yīng)力差(σ1-σ3)與豎向應(yīng)變(ε1)之間的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 同一固結(jié)圍壓不同壓實(shí)度時(shí)壓實(shí)黃土應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of compacted losses at different compactness under the same confining pressures

分析圖2可知，壓實(shí)度對(duì)壓實(shí)黃土的強(qiáng)度也有較大影響。壓實(shí)度越高，達(dá)到同一豎向應(yīng)變時(shí)所需的應(yīng)力就越大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線越陡，壓實(shí)黃土的強(qiáng)度越高。固結(jié)圍壓較小時(shí)，壓實(shí)度的變化對(duì)土強(qiáng)度的影響較大，隨著固結(jié)圍壓的增大，壓實(shí)度對(duì)土強(qiáng)度的影響在不斷減弱。對(duì)壓實(shí)黃土而言，壓實(shí)度對(duì)其強(qiáng)度的影響與固結(jié)圍壓的大小密切相關(guān)。低固結(jié)圍壓條件下，壓實(shí)度的增大可促使土顆粒的重新排列組合，有效提高壓實(shí)土次生結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，宏觀上表現(xiàn)為應(yīng)力-應(yīng)變曲線差異顯著；高固結(jié)圍壓條件下，壓實(shí)黃土的次生結(jié)構(gòu)已基本形成，壓實(shí)度的增大已不能對(duì)次生結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的增大產(chǎn)生較大影響，因此表現(xiàn)為應(yīng)力-應(yīng)變曲線高低差異較小。

從圖1和圖2可以看出，壓實(shí)黃土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均為硬化型，可用雙曲線描述，屬于塑性漸進(jìn)破壞。壓實(shí)黃土的強(qiáng)度隨著固結(jié)圍壓和壓實(shí)度的增大而顯著增大，兩者之間的耦合關(guān)系共同決定壓實(shí)黃土強(qiáng)度的大小。

2.2 粉煤灰-石灰改良黃土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

2.2.1 固結(jié)圍壓對(duì)改良黃土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響

同一壓實(shí)度改良黃土在不同固結(jié)圍壓條件下主應(yīng)力差(σ1-σ3)與豎向應(yīng)變(ε1)之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 同一壓實(shí)度不同固結(jié)圍壓時(shí)改良黃土應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of improved losses at different confining pressures under the same compactness

分析圖3可知，改良黃土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在低壓實(shí)度、高固結(jié)圍壓條件下為呈理想塑性，呈雙曲線型外，其余各條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均為應(yīng)變軟化型，其應(yīng)力-應(yīng)變演化關(guān)系與壓實(shí)黃土不同。固結(jié)圍壓對(duì)改良土的強(qiáng)度影響較大，固結(jié)圍壓越大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線越陡，達(dá)到同一豎向應(yīng)變時(shí)可抵抗的外部荷載就越大，土的強(qiáng)度越大。試驗(yàn)過程中，圍壓越大，能提供的側(cè)向約束越大，土的強(qiáng)度增長(zhǎng)就越快。壓實(shí)度較低時(shí)(K=85%)，固結(jié)圍壓對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線高低影響較大，隨著壓實(shí)度的增大，固結(jié)圍壓對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響不斷減弱，當(dāng)壓實(shí)度K=95%時(shí)，低固結(jié)圍壓條件下，同一豎向應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的主應(yīng)力差變化較小。固結(jié)圍壓對(duì)改良黃土應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系的影響與壓實(shí)度密切相關(guān)。

2.2.2 壓實(shí)度對(duì)改良黃土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響

同一固結(jié)圍壓改良黃土在不同壓實(shí)度條件下主應(yīng)力差(σ1-σ3)與豎向應(yīng)變(ε1)之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 同一固結(jié)圍壓不同壓實(shí)度時(shí)改良黃土應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of improved losses at different compactness under the same confining pressures

分析圖4可知，壓實(shí)度對(duì)改良黃土的強(qiáng)度有較大影響，壓實(shí)度越大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線越高，壓實(shí)度對(duì)土強(qiáng)度的提高作用越明顯。壓實(shí)度的增大使得土顆粒間的孔隙減小，土體越密實(shí)，改良黃土顆粒間的聯(lián)結(jié)作用得到增強(qiáng)，顆粒之間的擠密也使得摩擦效應(yīng)有所增強(qiáng)，從整體上提高了土的抗剪強(qiáng)度。壓實(shí)度對(duì)土強(qiáng)度的影響和固結(jié)圍壓密切相關(guān)。固結(jié)圍壓均較大時(shí)(σ3c=300 kPa)，壓實(shí)度對(duì)土殘余強(qiáng)度的影響較小，但對(duì)峰值強(qiáng)度的影響較大；固結(jié)圍壓均較小時(shí)，壓實(shí)度對(duì)土強(qiáng)度差異的影響性較大。較大的圍壓固結(jié)時(shí)，使土次生結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的增長(zhǎng)遠(yuǎn)大于即有結(jié)構(gòu)的損傷，使土在剪切開始時(shí)更加密實(shí)，從而已經(jīng)很大程度上提高了土的強(qiáng)度，因此，當(dāng)壓實(shí)度發(fā)生改變時(shí)，壓實(shí)度的影響要小于固結(jié)圍壓對(duì)土強(qiáng)度的提高程度，故而宏觀上表現(xiàn)為對(duì)土殘余強(qiáng)度的影響較小；小圍壓條件下改良黃土的即有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足以抵抗較小初始圍壓的影響，小圍壓對(duì)強(qiáng)度的增強(qiáng)作用不明顯，此時(shí)，壓實(shí)度的增大對(duì)土的壓密性影響越大，從而提高土的抗剪強(qiáng)度。

由圖3、圖4可知，固結(jié)圍壓和壓實(shí)度均對(duì)改良黃土的抗剪強(qiáng)度有較大影響。單因素條件下，固結(jié)圍壓越大土的抗剪強(qiáng)度越大、壓實(shí)度越高土的強(qiáng)度亦較大，反之亦然。但兩個(gè)因素對(duì)土強(qiáng)度的影響不是獨(dú)立的，兩因素的耦合共同決定著土的抗剪強(qiáng)度的大小，固結(jié)圍壓較小、壓實(shí)度較小時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線多呈理想塑性，可用雙曲線描述，呈漸進(jìn)塑性破壞；固結(jié)圍壓和壓實(shí)度較大時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線多呈應(yīng)變軟化型，均具有峰值強(qiáng)度，屬脆性破壞。改良黃土的應(yīng)力應(yīng)變曲線大多呈應(yīng)變軟化型，以脆性破壞為主。

2.3 改良黃土與壓實(shí)黃土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系對(duì)比

2.3.1 同一壓實(shí)度、不同圍壓條件下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系對(duì)比

分別整理改良黃土和壓實(shí)黃土同一壓實(shí)度、不同固結(jié)圍壓的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，如圖5所示。

圖5 同一壓實(shí)度不同固結(jié)圍壓時(shí)兩種土應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比Fig.5 Stress-strain curves of two kinds of losses at different confining pressures under the same compactness

從圖5可以看出，壓實(shí)黃土與改良黃土的應(yīng)力-應(yīng)變演化關(guān)系完全不同，決定了兩者的破壞形式也不相同。改良黃土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本為應(yīng)變軟化型，在3%～5%達(dá)到峰值強(qiáng)度，屬于脆性破壞；壓實(shí)黃土全部為應(yīng)變硬化型，可用雙曲線描述，屬于塑性漸進(jìn)破壞。各個(gè)壓實(shí)度、同一固結(jié)圍壓條件下，改良黃土的曲線均高于壓實(shí)黃土，達(dá)到同一豎向應(yīng)變時(shí)，改良黃土能承受的外部荷載更大，強(qiáng)度更高。

2.3.2 同一圍壓、不同壓實(shí)度條件下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線對(duì)比

分別整理改良黃土和壓實(shí)黃土同一固結(jié)圍壓條件下不同壓實(shí)度的應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系，如圖6所示。

圖6 同一固結(jié)圍壓不同壓實(shí)度時(shí)兩種土應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比Fig.6 Stress-strain curves of two kinds of losses at different compactness under the same confining pressures

從圖6可以看出，各種條件下，改良黃土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均高于壓實(shí)黃土，改良黃土的強(qiáng)度更大。進(jìn)一步分析圖5、圖6可知，改良黃土應(yīng)力-應(yīng)變曲線的初始切線斜率均遠(yuǎn)大于壓實(shí)黃土，初始切線斜率越大，土的剪切模量越大，表明改良黃土的強(qiáng)度發(fā)揮較快，在豎向應(yīng)變3%～5%達(dá)到峰值強(qiáng)度，而壓實(shí)黃土的強(qiáng)度隨著剪切變形的發(fā)展不斷發(fā)揮，直至達(dá)到試驗(yàn)終止條件。由于壓實(shí)黃土消除了原狀黃土所具有的大孔隙和豎向裂隙，在壓實(shí)過程中，土顆粒分布更為均勻，隨著外荷載的增加，土顆粒不斷被擠密，土的強(qiáng)度逐步增大；改良黃土中粉煤灰、石灰的加入，在水分及空氣作用下產(chǎn)生的一系列物理、化學(xué)反應(yīng)，所生產(chǎn)的結(jié)晶物大大增強(qiáng)了黃土顆粒見的黏結(jié)作用，且成為黃土強(qiáng)度的主要貢獻(xiàn)部分，具有較強(qiáng)的初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此，在外荷載作用下，剪切初期強(qiáng)度增長(zhǎng)很快，表現(xiàn)為初始切線斜率很大，隨著外荷載的增加，顆粒之間的黏結(jié)作用不斷被破壞，顆粒開始發(fā)生錯(cuò)動(dòng)和翻轉(zhuǎn)，變形不斷發(fā)展，剪切帶從內(nèi)部開始出現(xiàn)，直到達(dá)到峰值強(qiáng)度，隨后，剪切帶不斷發(fā)展、貫通，土體發(fā)生破壞。

壓實(shí)黃土與改良黃土的應(yīng)力應(yīng)變演化規(guī)律差異較大，壓實(shí)黃土屬于應(yīng)變硬化型，以漸進(jìn)塑性破壞為主；改良黃土以應(yīng)變軟化型為主，主要呈現(xiàn)脆性破壞。這也說明，對(duì)于改良黃土而言，其破壞應(yīng)變應(yīng)取峰值強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，防止工程上發(fā)生突然的脆性破壞；對(duì)于改良黃土，其破壞應(yīng)變應(yīng)按照土工試驗(yàn)規(guī)程選取，其破壞方式屬于漸進(jìn)的塑性破壞。這兩種應(yīng)力-應(yīng)變演化方式及破壞形態(tài)的差異在實(shí)際工程中應(yīng)引起注意。

3 強(qiáng)度特性

3.1 壓實(shí)黃土強(qiáng)度破壞特性

3.1.1 壓實(shí)黃土強(qiáng)度破壞的應(yīng)力條件

含水率為20%的壓實(shí)黃土在不同壓實(shí)度破壞時(shí)的剪應(yīng)力-正應(yīng)力(q-p)關(guān)系曲線如圖7所示。

圖7 壓實(shí)度對(duì)壓實(shí)黃土q-p破壞線影響(w=20%)Fig.7 The influence of compactness on p-q failure line of compactel losses (w=20%)

從圖7中可以看出，壓實(shí)黃土破壞時(shí)的廣義剪應(yīng)力隨著平均正應(yīng)力的增大而增大，強(qiáng)度破壞線可近似描述為線性關(guān)系；壓實(shí)度對(duì)改良黃土破壞時(shí)的剪應(yīng)力影響顯著，壓實(shí)度越高，土體越密實(shí)，同樣的平均正應(yīng)力狀態(tài)下，破壞時(shí)剪應(yīng)力就越大。

3.1.2 壓實(shí)黃土強(qiáng)度參數(shù)變化規(guī)律

依據(jù)常規(guī)三軸條件下強(qiáng)度包線，整理同一壓實(shí)度條件下的強(qiáng)度參數(shù)，可得到黏聚力(c)和內(nèi)摩擦角(φ)隨壓實(shí)度的變化規(guī)律如圖8所示。

圖8 壓實(shí)黃土強(qiáng)度參數(shù)隨壓實(shí)度變化Fig.8 The change law between strength parameters and compactness of compacted loess

從圖8可以看出，壓實(shí)度對(duì)黏聚力影響較大，隨著壓實(shí)度增大，黏聚力線性增大；壓實(shí)度對(duì)壓實(shí)黃土的內(nèi)摩擦角影響不大。因此，壓實(shí)度主要通過影響?zhàn)ぞ哿Υ笮碛绊懲恋膹?qiáng)度。

3.2 改良黃土強(qiáng)度破壞特性

3.2.1 改良黃土強(qiáng)度破壞的應(yīng)力條件

含水率為20%的改良黃土在不同壓實(shí)度破壞時(shí)的q-p關(guān)系曲線如圖9所示。

圖9 壓實(shí)度對(duì)改良黃土q-p破壞線影響Fig.9 The influence of compactness on p-q failure line of improved losses

從圖9中可以看出，改良黃土破壞時(shí)的q-p關(guān)系曲線規(guī)律與壓實(shí)黃土相似。廣義剪應(yīng)力隨著平均正應(yīng)力的增大而線性增大；隨著壓實(shí)度增大，破壞時(shí)剪應(yīng)力增大。壓實(shí)度為85%和90%時(shí)，q-p破壞線的差異較小。

3.2.2 改良黃土強(qiáng)度參數(shù)變化規(guī)律

不同壓實(shí)度條件下改良黃土的強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力(c)和內(nèi)摩擦角(φ)隨壓實(shí)度的變化曲線如圖10所示。

圖10 改良黃土強(qiáng)度參數(shù)隨壓實(shí)度變化Fig.10 The change law between strength parameters and compactness of improved loess

從圖10可以看出，壓實(shí)度對(duì)土的強(qiáng)度影響顯著，壓實(shí)度越大，黏聚力越大，呈線性增大關(guān)系，規(guī)律性強(qiáng)；壓實(shí)度的增大，對(duì)改良黃土的內(nèi)摩擦角影響較小，隨著壓實(shí)度增大，內(nèi)摩擦角的增大幅度在3°～5°之間。壓實(shí)度的增大對(duì)改良黃土強(qiáng)度的提升主要是增大了黏聚力。

3.3 改良黃土與壓實(shí)黃土強(qiáng)度破壞特性對(duì)比

3.3.1 強(qiáng)度破壞的應(yīng)力條件對(duì)比

含水率為20%的壓實(shí)黃土與改良黃土在不同壓實(shí)度條件下破壞時(shí)刻的p-q曲線，如圖11所示。

圖11 壓實(shí)黃土與改良黃土p-q曲線對(duì)比Fig.11 Comparison of p-q curves between compacted loess and improved loess

從圖11可以看出，兩種黃土的強(qiáng)度破壞線均可用直線描述，破壞剪應(yīng)力隨著平均正應(yīng)力線性增大。壓實(shí)度越大，p-q破壞線越高，同一壓實(shí)度條件下，改良黃土的p-q破壞線更高，改良黃土強(qiáng)度更大。

3.3.2 強(qiáng)度參數(shù)對(duì)比

不同壓實(shí)度條件下的改良黃土與壓實(shí)黃土的強(qiáng)度參數(shù)，將其進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖12、圖13所示。

從圖12、圖13可以看出，改良黃土的黏聚力值均遠(yuǎn)大于壓實(shí)黃土；改良黃土的內(nèi)摩擦角略微大于壓實(shí)黃土，改良黃土的強(qiáng)度增長(zhǎng)較大。粉煤灰、石灰顆粒更小，經(jīng)粉煤灰、石灰改良后黃土經(jīng)壓實(shí)形成致密的混合結(jié)構(gòu)，其初始的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較未經(jīng)改良的壓實(shí)黃土要大。因此，宏觀上表現(xiàn)為改良黃土的黏聚力遠(yuǎn)大于同等條件下的壓實(shí)黃土。黃土在重塑壓實(shí)之前，已經(jīng)將大顆粒篩除，在壓實(shí)作用下，顆粒之間的棱角已被壓碎或擠密，因此，改良黃土和壓實(shí)黃土的內(nèi)摩擦角相差不大。

黃土工程災(zāi)害的本質(zhì)原因在于天然黃土所具有的大孔隙、垂直節(jié)理發(fā)育和特殊的微結(jié)構(gòu)，壓實(shí)后的黃土消除了顆粒間的大孔隙和原生的垂直節(jié)理，改變了其原生結(jié)構(gòu)形態(tài)，最終形成了性質(zhì)穩(wěn)定的次生結(jié)構(gòu)，從而提高了黃土的強(qiáng)度。以石灰和粉煤灰為摻合料的改良黃土，在具有壓實(shí)黃土優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)之上，使其成為一種水硬性混合材料， 在水分和空氣作用下，粉煤灰和石灰中的大量活性氫氧化鈣、二氧化硅 、氧化鋁、氧化鐵及氧化鈣等物質(zhì)與土中水分和空氣通過離子交換作用、結(jié)晶作用、碳酸化反應(yīng)、火山灰與硅酸化反應(yīng)等發(fā)生一系列物理和化學(xué)反應(yīng)，生成一系列不溶于水的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化碳鋁酸鈣及水化鐵酸鈣等膠結(jié)穩(wěn)定結(jié)晶生成物，這種結(jié)晶生成物使黃土顆粒膠結(jié)在一起，并不斷硬化，形成較大的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，大大增強(qiáng)了改良黃土顆粒間的黏結(jié)特性，這是改良黃土的強(qiáng)度高于壓實(shí)黃土的內(nèi)在原因，也說明了改良黃土主要通過提高黏結(jié)強(qiáng)度來增強(qiáng)土的強(qiáng)度，對(duì)摩擦強(qiáng)度的提升不明顯，在試驗(yàn)結(jié)果中也得到了驗(yàn)證。

圖12 壓實(shí)黃土與改良黃土黏聚力差異Fig.12 Comparison of cohesion between improved loess and compacted loess

圖13 壓實(shí)黃土與改良黃土內(nèi)摩擦角差異Fig.13 Comparison of internal friction angle between improved loess and compacted loess

4 破壞形式

黃土的破壞形態(tài)對(duì)于進(jìn)一步揭示改良黃土的強(qiáng)度和變形特性，認(rèn)識(shí)和分析填方壓實(shí)類黃土工程的破壞方式有著重要的作用。

4.1 壓實(shí)黃土破壞形式

壓實(shí)黃土試樣的破壞方式可歸納為剪縮側(cè)脹破壞，破壞方式如圖14所示。

圖14 豎向加載時(shí)壓實(shí)黃土破壞照片F(xiàn)ig.14 Photos after failure under vertical loading of compacted loess

從圖14可以看出，壓實(shí)黃土在豎向荷載作用下，側(cè)向土樣被擠出，呈現(xiàn)出明顯的側(cè)脹破壞。豎向加載過程中，側(cè)向變形不斷發(fā)展，土的強(qiáng)度逐步發(fā)揮，直到側(cè)向變形快速增長(zhǎng)而導(dǎo)致剪切側(cè)脹破壞，屬于漸進(jìn)破壞過程，這也與試驗(yàn)中所揭示的應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系相吻合。在此類工程中要注意側(cè)向變形過大而導(dǎo)致的側(cè)向擠出破壞。

4.2 改良黃土破壞形式

通過對(duì)改良黃土壓實(shí)試樣破壞方式的分析可以發(fā)現(xiàn)，在常規(guī)三軸加載條件下的破壞形態(tài)可歸納為脆性滑移破壞，破壞方式如圖15所示。

圖15 豎向加載時(shí)改良黃土破壞照片F(xiàn)ig.15 Photos after failure under vertical loading of improved loess

從圖15中可以看出，常規(guī)三軸豎向加載條件下，改良黃土破壞時(shí)軸向壓縮明顯，在大、小主應(yīng)力作用面出現(xiàn)破壞軌跡，呈“/”型剪切帶破壞與摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則的破壞面基本相符。由于粉煤灰-石灰改良后的壓實(shí)黃土，消除了黃土顆粒間的大孔隙和原有結(jié)構(gòu)的豎向裂隙，粉煤灰、石灰與黃土顆粒間的黏性膠結(jié)物顆粒，在水分及空氣作用下發(fā)生了一系列的物理和化學(xué)反應(yīng)，在黃土顆粒間形成了新的結(jié)晶水合物，使得黃土顆粒間的黏結(jié)強(qiáng)度得到了大大的提升，同時(shí)使得黃土結(jié)構(gòu)更加的致密，改良土強(qiáng)度更高，在外荷載下抵抗變形的能力也更高。隨著豎向荷載的增大，改良黃土內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力集中，開始出現(xiàn)剪切屈服，結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)裂隙；隨著剪切過程的發(fā)展，改良土結(jié)構(gòu)內(nèi)的裂隙不斷擴(kuò)展，壓剪屈服后塑性變形發(fā)展迅速，最終裂隙貫通，導(dǎo)致土體破壞。在加載試驗(yàn)中，應(yīng)力-應(yīng)力關(guān)系曲線表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型亦表明，改良黃土屈服后，達(dá)到峰值強(qiáng)度，豎向變形發(fā)展迅速，宏觀上表現(xiàn)為剪切帶的貫通，土體破壞，對(duì)改良黃土而言，屈服即意味著破壞。這種現(xiàn)象在工程上應(yīng)引起注意。

5 結(jié)論

(1)改良黃土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本為應(yīng)變軟化型，在3%～5%達(dá)到峰值強(qiáng)度，屬于脆性破壞；壓實(shí)黃土全部為應(yīng)變硬化型，可用雙曲線描述，屬于塑性漸進(jìn)破壞，兩者應(yīng)力-應(yīng)變演化規(guī)律完全不同，破壞形式也不相同。

(2)固結(jié)圍壓和壓實(shí)度均會(huì)對(duì)壓實(shí)和改良黃土的強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響，均為正相關(guān)，兩者之間的耦合關(guān)系共同決定黃土的強(qiáng)度。

(3)改良黃土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均高于壓實(shí)黃土，改良黃土的強(qiáng)度更大。對(duì)于改良黃土而言，其破壞應(yīng)變應(yīng)取峰值強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，防止工程上發(fā)生突然的脆性破壞；對(duì)于改良黃土，其破壞應(yīng)變應(yīng)按照土工試驗(yàn)規(guī)程選取，其破壞方式屬于漸進(jìn)的塑性破壞。

(4)改良黃土的黏聚力值均遠(yuǎn)大于壓實(shí)黃土，改良黃土的內(nèi)摩擦角略微大于壓實(shí)黃土；改良黃土在剪切前期強(qiáng)度增長(zhǎng)較大，壓實(shí)黃土的強(qiáng)度隨著剪切變形的發(fā)展逐步發(fā)揮。

(5)壓實(shí)黃土試樣的破壞方式可歸納為剪縮側(cè)脹破壞，改良黃土的破壞形態(tài)可歸納為脆性滑移破壞。