含水率和干密度对重塑黄土抗剪强度的影响

　　摘要：干密度或含水率对黄土抗剪强度的研究屡现文献，但二者对抗剪强度影响孰大孰小的报道并不多见，在工程应用中也只是粗略地认为含水率的影响是最大的，缺乏试验和理论依据。基于此，针对含水率和干密度对重塑黄土抗剪强度的影响进行了详细研究，每个影响因素选取4个水平并制定了L16（42）的正交试验方案，通过直接剪切快剪试验测定了重塑黄土样粘聚力和内摩擦角并记录了100kPa竖向压力下抗剪强度的大小，建立了粘聚力和内摩擦角在含水率和干密度作用下的关系式，分别对粘聚力和内摩擦角进行了极差分析及对100kPa竖向压力下的抗剪强度进行了方差分析。分析结果表明粘聚力在最优含水率附近时最大，低于或者高于最优含水率时减小；粘聚力和内摩擦角随着干密度的增加而增加；相比干密度，含水率对抗剪强度及粘聚力和内摩擦角的影响更大。 　　关键词：黄土；抗剪强度；含水率；干密度 　　土体的破坏通常是剪切破坏，比如滑坡、地基沉陷等有害破坏形式，因此为防止土体剪切破坏的发生就需要知道土体承载剪切破坏极限能力的大小，即抗剪强度的大小。几十年来，在土力学这门学科中，许多学者已经对土体抗剪强度进行了大量的研究工作，但由于土体的多相性和不确定性，这个问题仍然存在一些不足与值得研究的地方。黄土作为一种区别于其他土体性质的特殊土体，富含碳酸盐等胶结物质而且广泛地分布于我国西北地区，另外重塑黄土的工程性质与原状土有很大的不同，并且堤坝路基等工程需要修建在重塑土上，因此对重塑黄土抗剪强度的研究更具有工程意义。 　　一些文献已经研究了含水率对抗剪强度指标的影响规律并证实了含水率对粘聚力的影响较内摩擦角大。干密度或含水率对黄土抗剪强度的研究也屡现文献，但二者对抗剪强度影响孰大孰小的报道并不多见，且在工程应用中也只是粗略地认为含水率的影响为最大，缺乏试验和理论判断依据。为此本文针对含水率和干密度对重塑黄土抗剪强度指标的影响进行了具体研究，每个影响因素选取了4个水平并制定了L16（42）的正交试验方案，通过直接剪切快剪试验测定了粘聚力和内摩擦角并记录了100kPa竖向压力下抗剪强度的大小，建立了粘聚力和内摩擦角在含水率和干密度作用下的关系式，分别对粘聚力和内摩擦角进行了极差分析及对100kPa竖向压力下的抗剪强度进行了方差分析。 　　1抗剪强度理论 　　土的抗剪强度指标主要包括粘聚力c和内摩擦角φ。由库伦抗剪强度公式T=c+σtanφ可知细粒土的抗剪强度包括粘结强度和摩擦强度两部分。粘结强度c主要包括两部分：原始粘聚力和固化粘聚力，原始粘聚力来源于土粒间的静电力和范德华力，固化粘聚力来源于颗粒间的胶结作用力。摩擦强度σtanφ来源于颗粒间因剪切滑动时产生的滑动摩擦和因剪切使颗粒间脱离咬合状态而移动所产生的咬合摩擦。影响抗剪强度的因素可以归纳为两类：一类是土粒的矿物成分、结构和颗粒形状等内在因素；一类是含水率、干密度和试验条件等外在因素。本文重点研究的是外在因素中含水率和干密度对重塑黄土抗剪强度影响的研究。 　　2 重塑黄土的剪切试验 　　2.1 选取土样的基本性质 　　试验用到的黄土取自西安地区，对其进行了土工常规室内试验，获得了黄土的基本土性参数，如表l所示。 　　2.2 试验方法和仪器设备 　　为了提供含水率和干密度对黄土抗剪强度影响大小的理论和试验依据，选择含水率和干密度作为影响因素并各选定4个水平（见表2），制定了L16（42）的正交试验方案（见表3）。具体的试验方案如下：对试验土样按照含水率w=13%、16%、19%、22%进行控制，每一种含水率在干密度分别为pd=1.40g・cm-3、1.50g・cm-3、1.60g・cm-3、1.70g・cm-3的情况下各制备4种试样进行直接快剪试验。试验仪器采用南京土壤仪器厂生产的应变控制式直剪仪。快剪试验剪切速率为0.8 mm/min，试样在2～6min内被剪坏，分别施加为50 kPa、100kPa、200 kPa、400 kPa的竖向压力，试样在各级压力下的抗剪强度取应力应变曲线上剪应力的峰值强度，对无明显峰值者，取应力应变硬化曲线上剪切位移4mm时所对应的剪应力，并确定试样在不同因素与水平下的粘聚力、内摩擦角及100kPa竖向压力下的抗剪强度。 　　如表2所示，对于含水率的一、二水平，由于含水率较低可以直接配制土样，并测量制备土样后的实际含水率，然而对于三、四水平由于含水率较高，采用常规的配制方法易出现“橡皮土”现象，为此采用特别的方法进行配制土样，并测量制备土样后的实际含水率，详见下节叙述。 　　2.3试样制备 　　按照试验方案和《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）提供的制样方法及计算公式，对于含水率13%和16%的土样，由于其含水率较低可以直接配制并可采用击实法制备试样，因此本文针对此含水率在塑料箱（见图1）中配制土样并在击实试验的击实桶（见图2）中手动击实至所需的干密度，最后用取土器取土，将土样切削后（见图4）作直接快剪试验（见图5），同时采用烘干法测量含水率。 　　但对于含水率19%和22%的高含水率土样直接击实易出现“橡皮土”的现象。为此，该水平的土样先在直径60cm的有机玻璃容器中配成较低含水率且所需的干密度的土样，然后采用直径16mm的PVC管滴水渗透的方法配制成所需高含水率的土样，此方法既能避免土体被水冲散进而影响土体的干密度和“橡皮土”的出现，又可保证土体含水率分布均匀。饱和装置如图3所示，饱和具体方法如下： 　　1）先将黄土配制成较低含水率且所需干密度的土样，密封静置24h。 　　2）再将土样分若干次装入有机玻璃桶中，每次装入5 cm左右，振捣压实至所需的干密度（pd=1.40g・cm-3、1.50 g・cm-3、1.60g-3、1.70g・cm-3），分层填到设计高度。在压实过程中，在土样中间插入一根底部密封的PVC管，沿PVC管长度方向按照土层设计深度三等分用记号笔刻线作为记号，并每隔5cm长在周长三等分点处钻三个小孔，因此土层也就沿深度方向被三等分。