黄土斜坡土体强度特性的三轴试验研究

* 收稿日期： 2013 － 5 － 27； 修回日期： 2013 － 6 － 29。 基金项目： 陕西省教育厅专项科研计划项目（ 09JK780） ； 国家自然科学基金项目（ 40502028） 资助。 作者简介： 何小亮（ 1985 － ） ，男，博士研究生，工程师，主要从事地质灾害研究工作。Email： 27851048@ qq． com。
Fig． 3c Curves of primary stress with axial strain，σ3 = 200KPa Fig． 3d Curves of primary stress with axial strain，σ3 = 300KPa
由图 3a ～ 图 3d 可以看出，w = 5． 3% 的试样的主应力差明显高于其他含水率的试样的主应力差。随
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干旱区资源与环境
第 28 卷
图 1 泾阳南塬黄土斜坡剖面图 Fig． 1 Profile of the loess slope at southern Jingyang county
主要为伊利石，其次为伊 / 蒙 （ 伊利石 / 蒙脱石） 混层矿物、高岭石、绿泥石等。L9 黄土主要化学成分为 SiO2 、Al2 O3 、Fe2 O3 、FeO 、K2 O、MgO、CaO 等。由测试结果可知，L9 黄土粘土矿物的含量较高，这与地下水 在该层黄土中长期的物理、化学作用，导致碎屑颗粒的水解、泥化有密切关系［5］。
样在低围压下（ 50KPa，100KPa） ，往往发生脆性破坏； 在较高围压下（ 200KPa，300KPa） ，呈塑性破坏，但试
样也呈现破裂面。随着含水率的增加，试样均呈塑性破坏，没有明显的剪切破裂面，仅中部膨大； 且围压越
低，含水率越高，剪胀现象越明显（ 图 4b、图 4c） 。
图 4a w = 5． 3% 试验后的试样
水由拉张裂缝渗入到坡体内部，使坡体含水率发生改变，导致土体强度衰减，在坡体内某特殊土层中形成
软弱带，随着变形的发展，在斜坡下滑力的作用下，上部坡体沿软弱滑动带剪出，最终造成斜坡失稳。可
见，水是影响黄土塬斜坡稳定性的主导因素之一［2］。
泾阳南塬位于陕西泾阳县境内的泾河右岸，是渭北黄土台塬的组成部分，塬面开阔，地势西北高，东南
Fig． 5b The curve of internal friction angle with water content
由图 5a、图 5b 可以看出，随着 w 的增加，L9 黄土的 c 值降低，尤其是 w 从 5． 3% 增加到 12． 3% ，其 c
值下降了 73% ； 随后 w 继续增加，c 值持续下降，但降幅不大。φ 值随 w 的增加也呈下降趋势，w 从 5． 3%
75% 。3） 随着含水率的增加，L9 黄土的粘聚力和内摩擦角降低；粘聚力在 w = 5． 3% ～ 12． 3% 阶段内下降最
快，降幅达 73% ；内摩擦角在 w = 19． 3% ～ 25% 阶段内下降最快，降幅为 60% 。研究成果对于今后黄土塬滑坡
（ 边坡） 工程治理、监测，尤其是黄土塬边坡安全的早期预测有重要的参考价值。
低，塬边直接以陡崖、陡坎形式与泾河河床、河漫滩相接，时常发生崩岸型滑坡灾害［3］。泾阳南塬黄土斜
坡主要由晚、中、早更新世黄土 ～ 古土壤序列构成，坡体上部为晚更新世风积黄土（ L1） 及第一层古土壤
（ S1） ，厚度 12 ～ 16m； 中更新世包括第二层黄土到第八层古土壤（ L2 ～ S8） 之间的黄土和古土壤层，厚度
40 ～ 50m，是构成该斜坡的主体； 坡脚出露早更新世晚期的黄土（ L9） 及其下的第九层古土壤（ S9） ，厚度一
般在 10m 左右（ 图 1） 。L9 黄土层是塬边主要的含水层及泄水层，区内已发生的滑坡多沿 L9 剪出［4］，该层
含水率的多寡对塬边斜坡的稳定性有直接的影响。因此，文中以泾阳南塬某黄土斜坡 L9 原状黄土为研究
对象，采用常规三轴试验探讨土体在三轴剪切过程中的应力 ～ 应变关系、含水率和围压对土体抗剪强度的
影响、粘聚力和内摩擦角随含水率的变化规律等。
1 试样来源及基本物理性质
表 1 L9 黄土物理特性指标 Tab． 1 Statistic of physical mechanical properties of L9 loess
增加到 19． 3% ，φ 值降幅较小，仅为 25% ； 在试样接近饱和时（ w = 19． 3% ～ 25% ） ，φ 值快速降低，降幅达
60% 。
3 试验结果分析
图 5a、图 5b 所示 c、φ 值与 w 之间的变化关系说明，含水率的增加对 L9 黄土的粘聚力和内摩擦角均 有显著的影响，只是二者对含水率的敏感性不同，但可以肯定的是，L9 黄土剪切强度的降低是粘聚力和内 摩擦角共同作用的结果。这也很好地解释了图 3a ～ 图 3d 黄土强度曲线随含水率变化规律的原因： 含水 率从 5． 3% 增加到 12． 3% ，试样粘聚力快速降低，试样的抗剪强度随之大幅降低，降幅达到 40% ～ 60% ，说 明在低含水率时，粘聚力的下降是 L9 黄土抗剪强度降低的主要原因； 含水率从 12． 3% 增加到 19． 3% ，试 样的粘聚力和内摩擦角均小幅降低，因此试样的抗剪强度降幅较小，仅下降 12% ～ 15% ； 而含水率从 19． 3% 增加到 25% ，尽管试样的粘聚力下降较少，但内摩擦角快速降低，试样的抗剪强度随之急剧下降，降幅 达 75% ，说明在接近饱和时，内摩擦角的下降是 L9 黄土抗剪强度降低的主要原因。
图 2 w = 5． 3% 时主应力差与轴向应变的关系
试样的变形曲线呈不明显的应变软化，曲线没有明显的 Fig． 2 Curves of primary stress with axial strain，w = 5． 3% 峰值强度，残余强度随着剪切的进行缓慢的减小。
第8 期
何小亮等 黄土斜坡土体强度特性的三轴试验研究
2 L9 黄土强度特性的三轴试验
2． 1 试验仪器及方法 试验仪器采用英国欧美大地公司生产的 GDS 高级三轴测试系统。三轴试验采用原状 L9 黄土土样，
制样尺寸为 Φ100mm × 50mm，采用" 水膜转移法" 和" 自然风干法" 制备成实测含水率为 5． 3% ，12． 3% ， 19． 3% 及 25 % （ 饱和含水率） 的 4 组（ 每组 4 个） 试样。每组 4 个试样分别在 50KPa，100KPa，200KPa 和 300KPa 的围压下进行三轴不固结不排水（ UU） 试验，轴向剪切速率为 0． 5mm / min，轴向应变达到 15% 时 停止试验。 2． 2 试验结果 2． 2． 1 试样三轴剪切应力 ～ 应变关系
图 2 为 w = 5． 3% 的 L9 黄土试样在不同围压下的应 力 ～ 应变关系。从图 2 可以看出： 在低围压下（ 50KPa， 100KPa） ，试样的变形曲线呈应变软化，其特点为峰值尖 前后曲线陡升陡降。在轴向应变不大（ 2% ～ 3% ） 的情 况下，试样就 出 现 了 强 度 峰 值，发 生 剪 切 破 坏。 残 余 强 度随着剪切的进行逐渐减小，且降幅较大。当轴向应变 达到 15% 时，与 峰 值 强 度 相 比，残 余 强 度 分 别 下 降 了 53% 和 30% 。在较高围压下（ 200KPa，300KPa） ，L9 黄土
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图 3a ～ 图 3d 所示为，相同围压下（ 围压为 50KPa，100KPa，200KPa，300KPa） ，含水率分别为 5． 3% ， 12． 3% ，19． 3% ，25% 时对应的 L9 黄土的应力 ～ 应变关系。
图 3a σ3 = 50KPa 时主应力差与轴向应变的关系 Fig． 3a Curves of primary stress with axial strain，σ3 = 50KPa
根据三轴测试结果，应用莫尔圆做出试样抗剪强度包线，得到不同含水率的 L9 黄土的 c、φ 值，c、φ 与
w 之间的变化关系如图 5a、图 5b 所示。
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干旱区资源与环境
第 28 卷
图 5a 粘聚力随含水率的变化关系
图 5b 内摩擦角随含水率的变化关系
Fig． 5a The curve of cohesion with water content
关键词： 黄土； 三轴剪切试验； 强度特性
中图分类号： P694
文献标识码： A
黄土是一种多孔隙、弱胶结的第四纪沉积物，在中国的覆盖面积达 64 万 km2 ，约占国土总面积的 6．
6%［1］。黄土台塬是黄土地区一种典型的地貌特征，塬边斜坡高陡，滑坡、崩塌等地质灾害时常发生，给当
地人民的生命财产安全造成了很大危害。黄土塬边斜坡失稳往往伴随着强烈或持续的降雨，其原因是雨
小，仅下降 12% ～ 15% ； 而含水率从 19． 3% 增加到 25% ，抗剪强度急剧下降，降幅达 75% 。
2． 2． 2 试样破坏形态
图 4a、图 4b 和图 4c 分别是 w = 5． 3% 、w = 12． 3% 和 w = 25% 的 L9 黄土试样在各围压下（ 图中 － 1、－
2、－ 3、－ 4 分别代表围压 50KPa、100KPa、200KPa、300KPa） 试验后的形态。由图 4a 可见，w = 5． 3% 的试
何小亮1，2 ，刘潇敏2
（ 1． 西北大学 地质学系 / 大陆动力学国家重点试验室，西安 710069； 2． 中国水电顾问集团西北勘测设计研究院，西安 710065）
提 要： 以陕西泾阳南塬某黄土斜坡第九层（ L9） 黄土为研究对象，采用常规三轴试验探讨土体在三轴剪
切过程中的应力 ～ 应变关系、含水率和围压对抗剪强度的影响、粘聚力和内摩擦角随含水率的变化规律等问
试验样品取自泾阳南塬某黄土斜坡第九层 （ L9） 黄土，其基本物理特性指标（ 表 1） 。
天然含水率 w/% 5． 3
天然密度 ρ / g·cm － 3
1． 69
比重 Gs 2． 71
孔隙比 e
0． 69
液限 wL /% 24． 7
塑限 wp /% 19． 1
利用西北大学大陆动力学国家重点实验室 X 射线衍射仪（ XＲD） 、X 射线能谱仪（ EDX） 对 L9 黄土的 矿物成分和化学元素进行测试。测试结果显示，L9 黄土主要矿物成分为碎屑矿物和粘土矿物，碎屑矿物 平均占矿物总量的 75% ，主要为石英，其次为长石、白云石、方解石等； 粘土矿物平均占矿物总量的 25% ，
图 4b w = 12． 3% 试验后的试样
图 4c w = 25% 试验后的试样
Fig． 4a Tested samples，w = 5． 3%
Fig． 4b Tested samples，w = 12． 3%
Fig． 4c Tested samples，w = 25%
Leabharlann Baidu
2． 2． 3 粘聚力和内摩擦角随含水率的变化规律
图 3b σ3 = 100KPa 时主应力差与轴向应变的关系 Fig． 3b Curves of primary stress with axial strain，σ3 = 100KPa
图 3c σ3 = 200KPa 时主应力差与轴向应变的关系
图 3d σ3 = 300KPa 时主应力差与轴向应变的关系
题。试验成果表明：1） w = 5． 3% 时，L9 黄土应力 ～ 应变曲线呈应变软化，试样在 50KPa、100KPa 围压下发生脆
性破坏；w = 12． 3% 、19． 3% 、25% 时，应力 ～ 应变曲线均表现为应变硬化，试样呈塑性破坏。2） 在相同围压下，
L9 黄土抗剪强度随含水率的增加而减小；含水率从 19． 3% 增加到 25% （ 饱和） 时，抗剪强度下降最快，降幅达
着含水率的增加（ w = 12． 3% 、19． 3% 、25% ） ，各围压下 L9 黄土的变形曲线均表现为应变硬化，只是硬化
的程度有所差异。在同一围压下，试样抗剪强度随含水率的增加而减小。含水率从 5． 3% 增加到 12． 3% ，
试样的抗剪强度快速降低，降幅达到 40% ～ 60% ； 含水率从 12． 3% 增加到 19． 3% ，试样的抗剪强度降幅较
第 28 卷 第 8 期 2014 年 8 月
干旱区资源与环境 Journal of Arid Land Ｒesources and Environment
Vol． 28 No． 8 Aug． 2014
文章编号： 1003 － 7578（ 2014） 08 － 151 － 05 *
黄土斜坡土体强度特性的三轴试验研究