非饱和压实黄土抗剪强度的研究

非饱和压实黄土抗剪强度的研究

非饱和黄土分布广泛,建筑物回填地基以及黄土路基、坝基等,这些工程用到的土都为非饱和压实黄土。土水特征曲线是研究非饱和土强度特性的重要内容。

对于压实土,压实功和压实含水率对土的物理力学特性影响很大。相对于压实功,压实含水率的影响更为显著。

不同起始含水率压实的土样尽管矿物成分相同,但常被看作不同的土。为了探究非饱和压实黄土抗剪强度特性,本文以黑方台黄土为研究对象,采用标准击

实法获得击实曲线,确定最优含水率(17.0%),选取低于最优(8.0%)、最优(17.0%)和高于最优(19.0%)三种含水率,采用压实法制备重塑样,压实样干密度与击实曲线上各含水率对应的干密度相同,分别为1.57g/cm~3(D157)、1.71g/cm~3(O171)、1.67g/cm~3(W167),另外以低于最优含水率(8%)制备一组与原状黄土干密度

(1.35 g/cm~3)相同的压实样(D135)。

通过滤纸法测定了四种压实黄土增湿过程的土水特征曲线,并用

Fredlund&Xing的方程对实测数据点进行拟合。结果表明:相同击实含水率的土样,即D135和D157,其土水特征曲线差异不大;而不同击实含水率的土样,即

D157,O171和W167,其土水特征曲线在过渡区(基质吸力10-3000kPa)差异较大。

具体表现为D157土样的土水特征曲线较陡,W167次之,O171最缓,这一现象同土样的微观孔隙分布密切相关。在残余区(基质吸力大于3000kPa),基质吸力

主要与颗粒矿物成分有关。

通过常规直剪试验讨论四种土的应力应变特性。击实含水率8%土样,即D135、D157,均为集粒结构,微观结构相似,土体的初始孔隙比显著影响其应力应变特性,较大孔隙比的土样D135剪切过程中易发生剪缩,表现为理想塑性或应变硬化特

征。

不同击实含水率的三种土样:D157、O171、W167,其微观结构差异较大,但正应力和土体含水率对土体的应力应变特征的影响相似,均表现为正应力越大,土体发生应变硬化的最小含水率越小,其中相同正应力和含水状态下,孔隙比越小的土样越易发生应变软化。利用常规直剪试验测定四种压实黄土不同含水率下快剪强度,讨论其强度特性。

结果表明:粘聚力与含水率之间存在明显的函数关系。内摩擦角与土样含水率的关系与其制样含水率有关,低于最优和最优含水率制备的压实样,内摩擦角几乎不随含水率的变化而改变;高于最优含水率制备的压实样,内摩擦角随含水率的升高呈现出线性降低的趋势,这同土样的扩散结构有关。

结合滤纸法和常规直快剪试验结果,建立基质吸力与快剪强度的关系。结果显示:不同正应力下,四种非饱和压实黄土抗剪强度随基质吸力的变化特征一致,呈现出明显的阶段性,并且各阶段转折点与土水特征曲线转折点相对应。

其中,在边界效应区,基质吸力较低,快剪强度缓慢升高;进入过渡区,随着基质吸力的升高,快剪强度显著升高。采用非饱和直剪仪测定D157试样的非饱和抗剪强度,并与常规直剪试验结果进行对比。

结果表明:两种测试方法测定的快剪强度绝对误差值在8kPa以下,相对误差在10%左右。这说明通过常规直剪快剪与滤纸法试验相结合的方法,估计非饱和压实黄土的抗剪强度是可行的。

选取Vanapalli(1996)、Oberg&Sallfors(1997)、Khalili&Khabbaz(1998)三种抗剪强度理论模型,将模型预测值与直剪试验实测值进行对比。分析可知,基质吸力小于200 kPa时,Vanapalli(1996)模型预测值与常规直剪试验实测值基

本一致;在全基质吸力范围内,Oberg&Sallfors(1997)模型预测值与实测值相差甚远,Khalili&Khabbaz(1998)模型预测值与实测值最为接近,后者可合理估计非饱和压实黄土的快剪强度。