干密度对Q2重塑黄土强度与变形特性的影响

张立新，丁 晔，任永忠

(1.北方民族大学 土木工程学院， 宁夏回族自治区 银川 750021；2.兰州工业学院 土木工程学院， 甘肃 兰州 730050)

随着国家经济建设的发展，近年来大面积平山造地、填海造地项目急剧增多，相应产生很多原地基和高填方地基问题。其中地基变形计算或评价准确与否直接影响着高填方地基的建设与运营安全，因此，地基填土强度、变形的研究及建立合理的地基变形本构方程是必要而紧迫的。

近年来，国内外学者就非饱和土的强度特性与变形特性进行了大量的研究，取得了一定成果[1-8]。如陈正汉等[9-10]采用三轴试验，研究了重塑黄土的一些特性，如强度、变形等，并建立了其本构模型。马秀婷等[11]通过直剪试验及无侧限抗压试验，分析了两种结构性状非饱和土强度指标之间的差异。闫亚景等[12]基于直剪试验，研究了兰州非饱和重塑黄土抗剪强度及参数在不同溶滤次数下的变化特征。田堪良等[13]提出了黄土的联结结构静力强度势参数、摩擦结构静力强度势参数以及结构静力强度势参数。王萌等[14]采用应变控制式三轴仪对不同含水率、不同干密度条件下的重塑黄土进行了常规三轴剪切试验。石建刚等[15]应用Bishop有效应力公式，确定了非饱和重塑黄土的基质吸力参数χ，表明子午平面上的强度破坏线近似呈线性关系。闫芙蓉等[16]进行了室内控制吸力的固结排水剪切试验，表明Q3黄土由于其大孔隙发育，结构疏松，没有黏滞性。扈胜霞等[17]研究了基质吸力对重塑黄土固结特性的影响，研究表明：初始状态相同的重塑黄土土样，压缩系数随吸力的增大而减小。但目前大多数研究都是针对Q3黄土，对Q2黄土的研究较少。

本文针对延安新区的填方工程，用非饱和土三轴仪进行了固结排水剪切试验，研究了不同干密度及基质吸力下Q2重塑黄土的强度与变形特性。

1 分析方法

1.1 试验设备与土样

依据试验目的，对常规的非饱和三轴仪进行了改装，其改装的具体内容详见文献[18]。

采用的土样取自延安新区某场地，为重塑Q2黄土，土样的基本物理性质如表1所示。

表1 土样的基本物理指标

本文重塑试样的干密度ρd分别控制为1.52 g/cm3、1.69 g/cm3、1.79 g/cm3(对应压实度分别为79%、88%和93%)，初始含水率均控制为18%。据此计算出一个标准三轴试样所需湿土的质量，然后将湿土均分为五等份并分五次均匀压实。试样的直径为39.1 mm，高度为80 mm。

1.2 试验方案

本文共做了3组共27个试验，3组试验的干密度分别控制为1.52 g/cm3、1.69 g/cm3、1.79 g/cm3。每组试验固定吸力数值分别为50 kPa、100 kPa、200 kPa，在试验过程中的净围压数值为100 kPa、200 kPa、300 kPa的三轴固结排水剪切试验。为叙述方便，采用以下符号描述三轴应力状态：

s=ua-uw

(1)

(2)

q=σ1-σ3

(3)

其中：s、p、q分别为吸力、偏应力、净平均应力；σ1、σ2和σ3是3个主应力；ua和uw分别为孔隙气压力和孔隙水压力。试验分为固结和排水两个阶段，固结稳定的标准为两小时内体变和排水均小于0.01 mL，固结历时40 h以上；固结稳定后对试样进行剪切，剪切速率选用0.0066 mm/min。

2 试验结果分析

2.1 应力-应变性状分析

图1是试验的(σ1-σ3)-ε1关系曲线。由图1可以看出，不同干密度下试样的偏应力-轴向应变曲线均呈应变硬化型，且干密度越大其硬化趋势越强。取轴向应变15%对应的应力为试样的破坏应力，用qf表示，表2为各试验的破坏应力数值。相同吸力下，试样的偏应力随着净围压增大而增大。相同净围压下，试样的偏应力随着吸力增大而增大。此结论与文献[19]得出的结论一致。随着干密度增大，试样的偏应力显著增大，硬化趋势也逐渐增强。干密度为1.69 g/cm3时，试样的应力-应变曲线有交叉现象。

通过分析不同干密度的试样的轴向应变-体应变关系可以看出，不同应力状态下，各试样的体应变没有明显的规律性。干密度越大，试样的体应变越小。干密度为1.52 g/cm3及1.69 g/cm3的试样，吸力为200 kPa时，在剪切初期有轻微的剪胀现象，而后变为剪缩。干密度为1.79 g/cm3、吸力为50 kPa的试样，在剪切初期试样表现为较强的剪缩性，而后试样的剪缩趋势逐渐减弱，当轴向应变大于12.55%时，试样表现出体缩状态。干密度为1.79 g/cm3时，除吸力为200 kPa，净围压为200 kPa的试样在剪切初期其体应变略小于净围压为100 kPa的试样的体应变，其余试样在相同吸力下，净围压越大，体应变越大。干密度较小时，试样的轴向应变-体应变关系曲线较为光滑，干密度较大时，试样的轴向应变-体应变关系曲线较为曲折。

2.2 重塑黄土的强度和变形参数

参照文献[10]的处理方法，得到3组试样的强度、变形参数列于表2。表2中(pf、qf)为试样的破坏应力，tanω为p-q平面内强度包线(见图2)经线性拟合后直线的斜率，φ′、c分别是土的有效内摩擦角、有效黏聚力，Ei为土的切线变形模量，(σ1-σ3)ult为土的极限偏应力，Rf为破坏比，k、n为土性参数，分别代表固结排水剪切试验的log(Ei/Pa)与log((σ3-ua)/Pa)的直线关系的截距和斜率。参照文献[10]绘出log(Ei/Pa)与log((σ3-ua)/Pa)的关系曲线(见图3)。分析表2可知，在相同的吸力和净围压下，干密度增大，试样的破坏应力(pf、qf)、有效黏聚力c、切线变形模量Ei、极限偏应力(σ1-σ3)ult及参数k均在增大，参数n随着干密度增大而减小；在相同的干密度和吸力下，净围压越大，试样的(pf、qf)、Ei、(σ1-σ3)ult越大；在相同的干密度和净围压下，吸力越大，试样的(pf、qf)、c、Ei、(σ1-σ3)ult及参数k越大。试样的有效内摩擦角φ′、Rf及参数n随吸力的变化较小，可忽略不计。

由图2可知，不同状态下，各试样p-q平面内强度包线的斜率基本相同，即各试样的有效内摩擦角φ′大致相同。

表2 试样的干密度、吸力等计算参数

由图3可知，相同干密度下，各试样log(Ei/Pa)与log((σ3/ua)/Pa)的直线关系的斜率也基本相同，即各试样的土性参数n大致相同。干密度为1.79 g/cm3的试样，其log(Ei/Pa)与log((σ3/ua)/Pa)关系曲线几乎重合。

3 结 论

(1) 不同干密度下试样的偏应力-轴向应变曲线均呈应变硬化型。相同吸力下，试样的偏应力随着净围压增大而增大。相同净围压下，试样的偏应力随着吸力增大而增大。随着干密度增大，试样的偏应力显著增大，硬化趋势也逐渐增强。

(2) 除个别试样外，其余各试样在剪切过程中均处于剪缩状态。干密度较小时，试样的轴向应变-体应变关系曲线较为光滑，干密度较大时，试样的轴向应变-体应变关系曲线较为曲折。

(3) 在相同的吸力和净围压下，干密度增大，试样的(pf、qf)、c、Ei、(σ1-σ3)ult及参数k均增大，参数n随着干密度增大而减小；在相同的干密度和吸力下，净围压越大，试样的(pf、qf)、Ei、(σ1-σ3)ult越大；在相同的干密度和净围压下，吸力越大，试样的(pf、qf)、c、Ei、(σ1-σ3)ult及参数k越大。试样的有效内摩擦角φ′、Rf及参数n随吸力的变化较小，可忽略不计。