增濕條件下高填方黃土的強度特性?

王弘起 ，武雯利 ，邱明明 ，孫杰龍

（1.陜西建工第十三建設集團有限公司 陜西 延安716000 2.延安大學 建筑工程學院 陜西 延安716000）

0 引言

我國黃土分布的厚度、廣度以及發育的完整性都是世界罕見的，我國黃土堆積主要集中在華北地區，在廣袤的黃土高原上分布有700 多個重要的城鎮，黃土地區人口占到了我國總人口的1／6之多。典型的黃土為棕黃色或黃灰色的塵土和粉砂細粒組成，質地均勻、多孔隙、有顯著的垂直節理，無層理，干燥時堅硬，一旦受到雨水沖刷，通常容易剝落和遭受侵蝕，更甚者會產生塌陷。因此在黃土地區進行工程建設，假如對黃土特性不了解，往往會給工程帶來嚴重的破壞和損失。

對于天然、重塑黃土強度特性，國內外學者已做了大量研究，而且取得了很多規律性的成果。韓波［1］進行了正常固結和超固結黃土的固結不排水三軸試驗，進而分析了不同固結狀態下黃土的應力應變關系、孔壓應變關系、有效應力路徑。曾玲玲等［2］通過固結不排水剪應力路徑試驗對廣州南沙典型軟土在不同固結條件的力學特性進行了系統研究。李文［3］通過野外極限狀態坡測量、取樣及不同含水率下的原狀土的直剪試驗、三軸壓縮試驗和重塑土的反復剪切試驗，測得了甘肅地區不同地層黃土的三類抗剪強度指標。張茂花［4］采用固結不排水剪切方法，對非飽和原狀Q3黃土進行了增濕情況下的三軸剪切試驗，得到了濕陷性黃土的極限強度與初始含水量及圍壓的關系曲線，分析了增濕過程中黃土抗剪強度的變化規律。米海珍等［5］通過對蘭州黃土不同含水量試樣進行三軸不固結不排水剪切試驗，獲得了含水量對蘭州黃土剪切強度參數的影響，并從黃土結構性上做出了合理的解釋，同時在試驗的基礎上提出了黏聚力、內摩擦角與含水量的關系表達式。劉小麗等［6］通過現場試驗與室內試驗、理論分析和反演分析，研究成果包括各種特征強度及其相互關系、剪切引起的微觀結構變化特征方面。鄭建國等［7］得出濕陷性黃土在增濕時其強度將明顯降低。朱志坤［8］通過室內擊實試驗，研究出黃土試樣在不同含水量和不同擊實功下其干密度值的變化，然后對不同干密度和不同含水量的太原重塑黃土試樣在4 種垂直壓力下分別進行快剪試驗，得出試樣的黏聚力和內摩擦角，并進一步對其展開了研究，最后通過不同干密度不同含水量的太原重塑黃土試樣在3 種圍壓下進行不固結不排水（UU） 三軸壓縮試驗，分析了干密度、含水量和圍壓對黃土試樣的應力應變關系的影響及其原因，并對其抗剪強度、強度參數c、φ值和偏應力極值的影響因素進行了研究。于永堂等［9］對傳統鉆孔剪切儀進行改進，增加法向位移和剪切位移觀測系統，設計鉆孔剪切室內模型試驗裝置，通過模型試驗探討首級法向壓力、分級法向壓力增量、固結時間和加載剪切方式等對抗剪強度參數測試結果的影響規律，并總結鉆孔剪切試驗參數的控制方法，用于指導采用墊層法和擠密法處理黃土地基的鉆孔剪切試驗。王歡等［10］對不同含水率和干濕循環次數下的改良膨脹土進行了直剪試驗。陸正［11］采用膨潤土模擬膨脹土邊坡中充填裂隙內的充填物質，制作出包含人工充填裂隙的膨脹土試件，并對其進行抗剪強度試驗，研究充填裂隙含水率、厚度、傾角、蒙脫石含量等特性對膨脹土抗剪強度的影響。王文軍［12］通過室內試驗，探討了吹填淤泥固化土含水率和強度與養護齡期、固化劑摻量、淤泥初始含水率之間的關系，并嘗試選擇合適的參數，進而建立固化土無側限抗壓強度預測模型。侯超群［13］對不同初始干密度和不同含水率的合肥膨脹土進行直剪試驗，分析了初始干密度和基質吸力對合肥膨脹土抗剪強度指標的影響。Tan L R、D.G.Toll 和E.F.Cokco 等［14－16］等對壓實土的黏聚力和內摩擦角隨著初始含水量的變化規律進行了研究，研究結果表明，在一定壓實能作用下，內摩擦角隨著含水量的增大而減小，黏聚力在較低含水量下隨著初始含水量的增大而增加，而當含水量增大到最優含水量時，達到最大值，然后隨著含水量的增大而黏聚力值逐漸減小。

延安是中國革命的搖籃，同時也是一座聞名中外的歷史文化名城，然而，由于狹窄的發展空間所限，延安原有的線型城市框架被一再拉長，革命舊址周邊環境不斷被蠶食，交通擁堵、城景爭地、城鄉統籌所必需的城市空間不足等矛盾日益突出。隨著“填溝造城” 等工程活動的開展，高填方問題已成為黃土山區工程建設過程中一項重要的研究課題，而高填方黃土的穩定性評價、沉降預測及黃土濕陷性問題一直都是黃土高填方工程中的一個研究重點。對于天然黃土，國內外已經有諸多學者進行研究，而高填方黃土不同于天然黃土，高填方填筑體的高度肩高，甚至能達到百米以上，這使得下覆黃土長期處于高壓之下，在上覆黃土的自重之下以及外荷載的影響下，下覆黃土隨時會發生失穩破壞?；诖?，本文主要是對高填方黃土進行室內直剪試驗，探究其強度特性，此外，還通過摻加不同量的砂巖對其進行強度改良，以期對黃土地區的高填方工程提供一定的理論支撐。

1 試驗土樣及方案

本次試驗采用常規直剪試驗，試驗時按照不同含水量目標進行預濕，隨后進行直剪試驗，通過試驗觀察高填方黃土在不同含水量下的抗剪強度參數的變化規律，為了控制含水量在實驗過程中能夠保持不變，故試驗采用不固結不排水剪切方法，因此，所得試驗關系均是總應力條件下的抗剪強度參數與含水量及土樣密度的關系。

1.1 土樣性質

陜建十三局金鴻·行知坊項目位于延安新區行知北路與公學北路的交匯處，總占地面積約為251 畝，試驗用土于陜建十三局行知坊項目現場所取，均為高填方重塑黃土，土樣為黃褐色，且結構均勻，大孔隙多，具有一定的濕陷性。所取土樣初始參數表如表1 所示：

表1 高填方土樣基本物理性質Table 1 Basic physical properties of high fill soil samples

表2 試驗方案Table 2 Test plan

1.2 試驗方案

試驗所用儀器為直接剪切儀，在所取土基礎上配備了不同含水率，依照GB／50123－2019 《土工試驗方法標準》 對所取土樣進行過篩，增濕時，計算出從原始含水量增加到某一個指定含水量所需水量，用塑料膜將其封存好，置于保濕缸中靜置24 h，量取一定量的土，制成不同含水量、不同密度的土樣進行試驗。不同密度的土樣進行直剪試驗，并摻加了不同砂巖含量（13%含水量基礎上進行添加） 對高填方黃土進行改良，試驗方案如下：

圖1 砂巖照片Fig.1 Sandstone photo

1.3 試驗程序

（1） 按照上述方法對土樣進行預濕；

（2） 取四個相同含水量的試樣進行直剪試驗，其中垂直壓力選定為0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa、0.5 MPa；

（3） 控制剪切速率使得土樣在3 min ～5 min破壞；

（4） 試驗完成后用余土測定含水量，再次精確控制含水量。

2 試驗結果及分析

至行知坊項目現場取樣后根據GB／50123－2019 《土工試驗方法標準》 要求制樣。按照不同目標含水量對試樣進行增濕，將制備好的試樣依次完成不同含水量、不同土樣密度下的直接剪切試驗。

2.1 抗剪強度指標隨含水量的變化分析

本試驗按摩爾－庫侖破壞準則對試驗結果進行整理，從而求得每一含水量，每一土樣密度下的黏聚力與內摩擦角，為了更直觀的分析不同含水量下的試驗結果如圖2、圖3 所示。

圖2 不同含水量下黏聚力的變化曲線Fig.2 Change curve of cohesive force under different water content

圖3 不同含水量下內摩擦角的變化曲線Fig.3 Variation curve of internal friction angle under different water content

由圖2 可知，在土樣密度恒定的條件下，隨著土樣含水量的不斷增大，黏聚力先增大后減小，在最優含水量左右達到最大值，隨之減小。當土樣達到1.5g／m3時，黏聚力隨著含水量的增大幾乎不會發生變化，由此可以反映出，較大密度的黃土試樣對含水量的變化更為敏感，進一步說明，干密度的增加能夠增大黃土試樣黏聚力對水的敏感程度。這是由于含水量的增加使得土體變軟，土樣抗剪強度降低，土顆粒當中水分子是以結合水、自由水的形式存在的，當土樣中含水量較低時，水分子多以結合水的形式存在，而結合水恰恰是黏聚力的重要來源之一，水分子對土顆粒有一定的粘結作用，使得顆粒間存在較大引力。隨著含水量的增加，結合水膜逐漸變厚，出現自由水，潤滑作用增加，這邊大大減少了黏聚力，故在同一密度條件下，隨著含水量的增大，黏聚力呈現出減少趨勢。

圖3 為黃土試樣在不同含水量下的內摩擦角變化曲線圖，由圖2 可知，在土樣密度不變的條件下，隨著含水量的不斷增加，內摩擦角整體呈減小趨勢。這是由于隨著含水量的增大，土中自由水增多，潤滑作用加大，故而使得土顆粒之間的摩擦力減小。當土樣密度為1.8 g／m3，含水量從12%增加到15%時，內摩擦角減少了1.7%，當土樣密度為1.6 g／m3，含水量從12%增加到15%時，內摩擦角減少了0.5%，當土樣密度為1.5 g／m3，含水量從12%增加到15%時，內摩擦角減少了0.03%，由此可見，隨著土樣密度的減小，內摩擦角變化量減少，進一步說明，土樣密度的減小能夠削弱含水量對黃土試樣內摩擦角的影響。

2.2 抗剪強度指標隨密度的變化分析

本試驗主要做了四個不同含水量下土樣的直剪試驗，其中垂直壓力選定為0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa、0.5 MPa，通過對試驗數據進行整理，可以得出如下兩圖。

圖4、圖5 分別為不同含水量下，黃土試樣黏聚力與內摩擦角隨著土樣密度變化的關系曲線圖。從圖4 可以看出，在同一含水量下，黃土試樣黏聚力隨著土樣密度的增大而增加，且當含水量為12%時，土樣密度為1.5 g／m3時，黃土試樣黏聚力為2.39 KPa，土樣密度為1.6 g／m3時，黃土試樣黏聚力為12.73 KPa，增加了4.33 倍； 當含水量為15%時，土樣密度為1.5 g／m3時，黃土試樣黏聚力為2.44 KPa，當土樣密度為1.6 g／m3時，黃土試樣黏聚力為14.93 KPa，增加了5.12 倍； 而當含水量為18%時，土樣密度從1.5 g／m3增長到1.6 g／m3時，黃土試樣黏聚力增加了21.6%； 黃土試樣黏聚力隨著土樣密度的增大變化逐漸減小，由此可以看出，含水量較小的試樣，隨著土樣密度的增大其黏聚力的增大更為顯著。這是由于土樣密度越大，顆粒間的相互接觸更為緊密，其咬合作用相應增加，此外，當土樣含水量較小時，土中更多出現的為結合水，使得顆粒之間的引力加大，而隨著含水量的增大，土中自由水占比增加，這便削弱了顆粒間的引力。因此，土樣密度越大，含水量越小的黃土試樣黏聚力就越大。

圖4 不同密度下黏聚力的變化曲線Fig.4 Change curves of cohesion at different densities

圖5 不同密度下內摩擦角的變化曲線Fig.5 Variation curve of internal friction angle under different densities

從圖5 可以看出，在同一含水量下，黃土試樣內摩擦角隨著土樣密度的增大而增大，表現出線性增長趨勢。當含水量為12%時，土樣密度從1.5 g／m3增長到1.6 g／m3時，黃土試樣內摩擦角增長了2.1%； 當含水量為15%時，土樣密度從1.5 g／m3增長到1.6 g／m3時，黃土試樣內摩擦角增長了1.6%； 當含水量為18%時，土樣密度從1.5 g／m3增長到1.6 g／m3時，黃土試樣內摩擦角增長了0.9%； 當含水量為21%時，土樣密度從1.5 g／m3增長到1.6 g／m3時，黃土試樣內摩擦角幾乎沒有增長； 隨著土樣密度的增加，黃土試樣內摩擦角增長變化逐漸減小，由此可見，隨著含水量的增大，削弱了內摩擦角隨著土樣密度增大而增大的程度。這是由于土樣密度的增大，致使土顆粒間的接觸更為緊密，土中水多以結合水的形式存在，而結合水較為穩定，且不易移動，因此，黃土試樣內摩擦角會隨著土樣密度的增加而呈現出增長趨勢。

2.3 不同砂巖摻量下土樣抗剪強度試驗研究

本試驗是在其它參數都一定的條件下，通過改變砂巖摻量來進行直剪試驗，以期得到最佳砂巖摻量。制備試樣所用砂巖摻量分別為5%、7%、9%和11%，砂巖摻量＝砂巖質量（g） ／改良土質量（g）。根據試驗數據整理出如圖5、圖6 曲線，分別為不同砂巖含量下砂巖土的黏聚力和內摩擦角的變化曲線。

圖6 不同砂巖含量下黏聚力的變化曲線Fig.6 Change curve of cohesion under different sandstone content

從圖6 可以看出，隨著砂巖摻量的增長，改良土試樣黏聚力逐漸增加，達到峰值后有回落趨勢，當砂巖摻量從0 增大到5%時，黏聚力增長較為緩慢，當砂巖摻量達到7%時，黏聚力達到了峰值，而當砂巖摻量繼續增加，達到9%和11%時，隨著砂巖摻量的增加，黏聚力逐漸降低。

從圖7 可以看出，隨著砂巖含量的增加，改良土試樣內摩擦角逐漸增大，當砂巖含量為5%時，改良土試樣內摩擦角為31.48°，當砂巖含量為7%時，改良土試樣內摩擦角為31.74°，增長了0.8%，當砂巖含量為9%時，改良土試樣內摩擦角為33.06°，相較于7%砂巖含量的改良土試樣內摩擦角，增長了4.2%，當砂巖含量為11%時，改良土試樣內摩擦角為34.17°，相較于9%砂巖含量的改良土試樣內摩擦角，增長了3.4%，由此可以看出，隨著砂巖含量的增大，改良土試樣內摩擦角逐漸增長，這是由于砂巖的摻和使得土樣滑動摩擦力增大，從而使得其內摩擦角有所增加。對圖5、圖6 進行綜合分析可知，在進行地基處理、邊坡支護時，為了增大土體的抗剪強度，在土體中摻和砂巖是可行的，將砂巖含量控制在7%左右是較為理想的狀態。

圖7 不同砂巖含量下內摩擦角的變化曲線Fig.7 Variation curve of internal friction angle under different sandstone content

3 結論

（1） 黃土試樣的黏聚力隨著含水量的增加先增加后減小，在最優含水量左右達到最大值，而內摩擦角的值是隨著含水量的增加而遞減的，且土樣密度的增加會增強含水量對黃土試樣黏聚力和內摩擦角的作用，通過整理所得黏聚力、內摩擦角與含水量的變化曲線可知，黃土試樣黏聚力與含水量之間近似存在指數函數關系，而內摩擦角與含水量之間近似存在線性函數關系。

（2） 在任一含水量不變的條件下，黃土試樣的黏聚力和內摩擦角總是隨著密度的增加而近似呈現線性增長趨勢。且含水量的增加，會削弱土樣密度對黃土試樣黏聚力和內摩擦角的作用。

（3） 砂巖改良黃土隨著黃土中砂巖含量的增加，內摩擦角逐漸增加，黏聚力先增大后減小，在砂巖含量7%左右達到最大值，因此，通過摻加砂巖對黃土進行改良的過程中，將砂巖含量控制在7%左右是較為理想的狀態。