原状黄土人工节理抗剪强度特性试验研究

原状黄土人工节理抗剪强度特性试验研究
白冰;韩晓雷
【摘要】应用直剪仪对原状黄土人工节理的抗剪强度进行试验研究,试验结果表明:原状黄土的节理形态特征对节理内聚力影响较大,而对节理内摩擦角影响较小；干密度对原状黄土节理内聚力的影响较大,而对内摩擦角的影响较小；黄土节理内摩擦角随含水量变化呈二次曲线规律变化,当大于界限含水量时,内摩擦角随含水量减小而增大；当小于界限含水量时,内摩擦角随含水量减小而减小；对于表面平整节理,内聚力随含水量变化而呈二次曲线规律变化,对于表面粗糙节理,内聚力随含水量变化呈指数规律变化.%Direct-shear apparatus was used on the test of loess artificial joint shear strength,and the results showed that: loess joints morphology of the joint cohesion while the effect on the joint internal friction angle are less affected;dry density are greater impacted,while the effect of internal friction angle has little effect;loess joints with internal friction angle quadratic curves for water content changes,when moisture content is greater than the limit, the internal friction angle with decreasing water content; when the water content of less than the limit,the internal friction angle decreases with decreasing water content;for the formation of the joint surface, with water content cohesion and quadratic curves for change, for joint surface roughness,cohesion changes exponentially with changes in moisture content.
【期刊名称】《低温建筑技术》
【年(卷),期】2011(033)007
【总页数】3页(P91-93)
【关键词】原状黄土人工节理;抗剪强度;节理形态;含水量;密度
【作者】白冰;韩晓雷
【作者单位】西安建筑科技大学土木工程学院,西安710055;西安建筑科技大学土
木工程学院,西安710055
【正文语种】中文
【中图分类】O319.56;TU444
随着西部黄土地区工程实践活动大规模的开展，工程技术人员对黄土质边坡的稳定性问题越来越加以重视，特别是加强了对影响黄土稳定性至关重要的黄土节理研究。

然而在实际工程设计中，却并没有将黄土节理因素考虑进去，而只是简单地将黄土作为均质的连续体，这显然与现场实际情况有着较大差异。

考虑到黄土节理的复杂性以及缺乏对其强度的相关研究，本文以原状黄土人工节理为研究对象，采用室内直剪试验的方法，就其强度参数、节理表面特征开展研究工作。

1 试验方法
采用含人工节理原状黄土进行室内试验研究。

由于原状土体在取样过程中，不可避免地会对土体节理产生一定影响，甚至导致原有节理被破坏，所以本文中土体节理为人工切割而成，且采用了不同的方法制备而成，分别为试样表面平整及表面粗糙两种。

试验土样分别取自西安市东郊纺渭路附近和西郊三桥附近，土样物理力学性质见表1。

表1 原状黄土土样物理力学指标纺渭路1.47 0.74 28.7% 17.4% 11.41三桥1.35 0.96 31.2% 18.3% 12.93
试验研究了黄土节理抗剪强度的主要影响因素:密度、含水量、土样节理表面形态。

首先由于采用了两种不同的原状土样，所以其密度有一定差别，纺渭路为
1.47g·cm-3，而三桥则为1.35 g·cm-3，因此可以得到密度对节理抗剪强度的影响;然后采用一种原状土样，制备不同含水量的试样，从而得出含水量对节理抗剪
强度的影响;最后采用一种原状土样，并采用相同含水量，又可以将其分为节理表
面平整和节理表面粗糙两种，从而得出节理表面形态对节理抗剪强度的影响。

试验时将原状黄土按试验要求制备标准的试样若干，对于试样含水量的控制分别采用了风干法以及配水法，然后将不同含水量的试样放入密闭养护缸内养护，待试样内部水分均匀后待用。

由于目前对于黄土节理表面形态类型还没有相关的判定标准或判别依据，所以本文仅按照现场实践经验，将节理的表面形态划分为表面平整节理和表面粗糙节理两类。

试验所用试样如图1所示。

本试验采用了应变式直剪仪的常法向应力剪切模式。

根据现场测试发现，对于节理发育的黄土其含水量比较低，因此在进行室内试验时，对应变式直剪仪进行了局部改动，去掉了仪器上部以下部的透水石。

目的是为了增大土样厚度，从而减少可能由于土样过薄所引起的试验误差。

2 试验结果
本文采用库伦-莫尔(Mohr)准则作为黄土节理剪切破坏准则。

通过对试验数据进行分析整理，绘制了两组相同含水量、不同密度、不同表面形态黄土节理的峰值剪切应力(τ)-法向应力(σ)关系曲线(图1)，抗剪强度参数见表2。

表2给出试验测试的结果，可看出黄土土体含水量影响黄土节理内聚力c值和内
摩擦角φ值，表中cs和φs分别表示表面平整节理的内聚力和内摩擦角，cr和φr 分别表示表面粗糙节理的内聚力和内摩擦角，由表2的试验结果还可以得出黄土
节理内聚力c随干密度ρd的增大而增大。

通过图1的试验数据曲线可以得出，含水量ω变化对黄土节理内摩擦角φ的影响要大于干密度ρd对黄土节理内摩擦角φ的影响。

黄土表面粗糙节理的内聚力cr
随着含水量ω不同而呈指数函数形态变化，内聚力cr随含水量ω的减小而增大，黄土表面平整节理的内聚力cs随含水量ω不同而呈二次曲线规律变化;相同干密
度ρd的节理试样，表面平整节理的内聚力cs比表面粗糙节理的内聚力cr要小。

表2 原状土样黄土节理内摩擦角和粘聚力3.20 30.64 27.0 3.75 29.3 4.59 38.54 29.10 5.6131.60 4.10 26.72 29.1 4.67 30.7 6.01 34.29 31.29 8.14 33.40 6.40 22.66 31.1 5.56 32.3 6.92 30.61 33.91 8.93 35.10 8.20 19.45 32.2 6.26 33.7 8.71 26.44 35.68 10.80 36.29 10.00 17.71 33.0 6.62 34.7 10.00 21.54 36.31 12.72 37.10 11.80 13.22 33.8 6.73 35.2 12.01 17.53 37.50 13.30 38.00 13.60 11.46 33.4 6.66 35.1 14.20 15.64 36.82 12.86 37.41 15.40 10.83 32.7 6.11 34.2 15.92 14.35 35.49 11.31 36.31 18.30 10.04 30.4 4.66 32.7 17.21 14.03 34.41 9.94 35.62
通过图2、图3的试验数据曲线可以得到，两种干密度ρd分别为1.35、
1.47g·cm-3的试样，其抗剪强度参数c、φ随着含水量ω变化的规律，黄土节理的内摩擦角φ随着含水量ω的变化呈二次曲线规律变化，取曲线峰值所对应的含水量ωm为界限含水量，当大于界限含水量ωm时，节理的内摩擦角φ随着含水量ω减小而增大，当小于界限含水量ωm时，节理的内摩擦角φ随着含水量减小而减小。

表3、表4给出了黄土节理抗剪强度参数c、φ与含水量ω之间的拟合关系式。

从表中可以看到黄土节理的内摩擦角φ及内聚力c受土体含水量ω影响较大;而土体干密度ρd对节理内摩擦角φ的影响要小于其对节理内聚力c的影响。

表3 内摩擦角φ与含水量ω关系拟合结果干密度回归分析方程峰值摩擦角界限
含水量/g·cm-3 /(°)/%1.35 φr=-0.078ω2+1.8ω +22.332.7 11.4 φs=-
0.066ω2+1.6ω +25.0 34.7 12.0 1.47 φr=-0.14ω2+3.42ω +16.336.7 12.1
φs=-0.10ω2+2.53ω +22.038.0 12.5
表4 内聚力c与含水量ω关系拟合结果干密度回归分析方程峰值摩擦角界限含水量/g·cm-3 /(°)/%1.35 cr=36.23e(-ω/9.07)+4.41 cs=-0.044ω2+0.99ω
+1.17 6.74 11.4 1.47 cr=60.98e(-ω/6.71)+8.57 cs=-0.13ω2+3.23ω -
6.7013.34 12.3
黄土节理内聚力c受土体含水量ω和节理表面形态的影响较为明显，但影响规律不同。

黄土表面粗糙节理内聚力cr随土体含水量ω减小而呈指数关系增加;黄土表面平整节理内聚力cs随土体含水量ω变化呈二次曲线形态变化。

分析主要原因在于粗糙节理表面往往存在着凸起物，应变式直剪仪上、下盘之间接触面积较小，在直剪试验的剪切过程中凸起物自身土颗粒之间的粘结作用以及凸起物与凸起物之间的咬合作用对黄土节理的抗剪强度影响较大，同时黄土节理的抗剪强度存在着明显的水敏感特性［4］，在试验过程中发现表面粗糙节理的内聚力cr明显升高，是因为土体含水量ω减小，节理表面凸起物内聚力c的升高以及土颗粒之间粘结作用的增强。

表面平整节理在应变式直剪仪上、下盘之间土体接触紧密，黄土节理的抗剪强度受到节理面上土颗粒之间相互摩擦作用以及土体基质吸力的作用较大，在试验中表现出，当土体含水量ω大于界限含水量ωm时，随着土体含水量减小而土体基质吸力减小、节理内聚力减小;当土体含水量ω小于界限含水量ωm时，随着土体含水量减小，节理表面土体基质吸力明显上升、节理内聚力增大;但是当土体中含水量增大，试验所测得抗剪强度也呈增大趋势，通过观察剪切试验结束后土样变化情况，发现节理表面部分土体因为法向力作用而发生了重塑现象，破坏面与原节理面发生变化，对于高含水量原状黄土节理抗剪强度的规律还需作进一步研究和
探讨。

3 结语
本文通过室内直剪试验，研究了原状黄土人工节理的抗剪强度特征，揭示了黄土节理内聚力和内摩擦角受到干密度、含水量、节理表面形态的影响规律。

黄土节理内摩擦角随含水量变化而呈二次曲线规律变化，当大于界限含水量时，内摩擦角随含水量减小而减小;当小于界限含水量时，内摩擦角随含水量减小而增大;内摩擦角受
干密度、节理表面形态影响不明显。

对于表面粗糙节理，其内聚力随含水量减小而呈指数关系升高;对于表面平整节理，内聚力随含水量变化而呈二次曲线规律变化;
黄土节理内聚力受干密度影响较大，在同样表面形态节理中，随着干密度减小黄土节理内聚力减小。

参考文献
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