非饱和黄土的结构强度与抗剪强度_党进谦

　2001年7月

水 利 学 报

SHUILI XUE BAO

第7期

收稿日期:2000-05-23

基金项目:陕西省自然科学基金资助项目、原西北农业大学青年教师专项基金.作者简介:党进谦(1964-),男,硕士、副教授,主要从事土力学方面的教学及研究.

文章编号:0559-9350(2001)07-0079-05

非饱和黄土的结构强度与抗剪强度

1

党进谦1

,李　靖

1

(1.　西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西杨凌　712100)

摘　要:本文分析了非饱和黄土强度的组成和结构强度的来源,给出了结构强度的确定方法,研究了结构强度的变化规律,结果表明:非饱和黄土的结构强度可用其天然结构破坏后所丧失的强度衡量,结构强度与初始含水量间具有幂函数关系;结构强度与不稳定凝聚力具有良好的线性关系;提出了非饱和黄土结构强度终止含水量的概念;给出了非饱和黄土抗剪强度的计算公式.关键词:非饱和黄土;结构强度;抗剪强度;含水量中图分类号:TU411.7 文献标识码:A

非饱和黄土的结构强度是在黄土结构形成过程中产生的.在干旱半干旱条件下,非饱和黄土形成了以粗粉粒为主体骨架的架空结构

[1]

,粗粉粒接触点处的胶结物质形成了较强的联结强度,使黄土在

低含水量下表现出较高的强度,但当含水量增大时,其强度迅速降低,可见非饱和黄土的结构特性对其工程性质起着决定作用.结构性的存在使非饱和黄土表现出一定的超固结特性,其抗剪强度规律不符合正常的库伦公式

[2]

;结构特性是黄土发生湿陷的主要因素,黄土的湿陷变形能否发生,完全取决

于结构强度能否丧失及丧失程度[3]

;结构强度破坏前,原状黄土的压缩性很小,结构强度破坏后,压

缩性显著增大[4]

.本文从非饱和黄土强度的组成入手,通过试验研究,寻求非饱和黄土结构强度的变化规律,探讨非饱和黄土的结构强度在抗剪强度中的应用.

1　非饱和黄土的结构强度

1.1　强度的组成　非饱和黄土的强度主要由摩擦强度和凝聚强度两部分组成,摩擦强度是土体抗剪强度的重要组成部分,由土颗粒接触面或颗粒与胶结物质接触面上的摩擦产生,大小为土所受的外加有效正应力与内摩擦系数的乘积,反映指标为土的内摩擦角.文献[5]指出一般粘性土的内摩擦角取决于土的矿物成分,与塑性指数有良好的统计关系,当土生成后,在密度不变时,内摩擦角主要随含水量发生变化,变化范围较小,一般不超过±2°.可见黄土生成后,只要密度不发生变化,用同一试验方法测定的内摩擦角比较稳定,一般可用试验测得的平均内摩擦角表示.

凝聚强度是非饱和黄土抗剪强度、结构强度、抗拉强度的主要组成部分,包括:①由水膜的物理化学作用、粘土矿物颗粒的粘结和颗粒间的分子引力形成的原始凝聚力;②黄土在生成过程中,聚集在粗颗粒接触点处的胶体颗粒、腐殖质胶体和可溶盐等胶结物质形成的加固凝聚力;③非饱和土的基质吸力和毛细压力形成的强度,该强度与外力无关,在常规剪切试验中,表现出与一般凝聚力相似的性状,应属凝聚强度的一部分,称为吸附凝聚力.非饱和黄土的加固凝聚力与吸附凝聚力均随土体含水量的增大而减小,直至土体接近饱和时完全消失,是不稳定不可靠的.

DOI :10.13243/j .cn ki .slxb .2001.07.014

1.2　结构强度的形成　结构强度是土结构在生成过程中形成的一种胶结性的联结强度,是结构性粘土特有的,伴随土体结构的生成而生成,随土体结构的破坏而消失.黄土是在干旱半干旱条件下形成的,季节性的短期雨水把松散的干燥粉砂颗粒粘结起来,而长期的干旱使土中水分逐渐蒸发,土孔隙中的毛细作用使少量的水分连同溶于其中的盐类都集中在粗粉砂的接触点处,可溶盐逐渐浓缩沉淀成为胶结物,与附于粗粉粒表面的胶体颗粒、腐殖质胶体共同增强了土颗粒间抵抗滑移的能力,防止了土体的自重压密,形成了以粗粉粒为主体骨架的架空结构.集合于粗粉粒接触点处的各种胶结物质和水分子形成了胶结性的联结,该联结强度(加固凝聚力)与原始凝聚力、吸附凝聚力和摩擦强度共同保持着黄土的天然结构,当黄土的天然结构在外力作用下发生破坏时,土粒间的接触点破坏,粗粉粒接触点处的各种胶结物质和水分子形成的胶结强度逐渐丧失,吸附凝聚力亦有部分丧失.因此,非饱和黄土的结构强度来源于加固凝聚力,以及吸附凝聚力的增量,其大小为非饱和黄土的天然结构破坏后所丧失的强度,可用原状黄土与相应的重塑黄土的应力差表示.

1.3　结构强度的测定　试验用土为Q2、Q3非饱和黄土,取自陕西杨凌渭河北台塬坡地.Q2黄土颜色较深,土质均匀,坚硬状态,大孔隙较少,无湿陷性;Q3黄土为淡黄色,土质均匀,坚硬状态,针状大孔隙发育,具有中等湿陷性.两种土样的基本物理性质指标见表1.

表1　土样的物理性质指标

W (%)

ρ

(g cm3)

ρd

(g cm3)

G e

颗粒组成(%)

0.1～0.05mm0.05～0.005mm<0.005mm

W L

(%)

I p

Q211.21.681.512.720.80011.064.025.033.212.0 Q313.11.621.432.710.89213.666.120.331.111.0

试样的制备要求严格控制其含水量和密度,同一类土各试样的干密度应近似相等.将现场取回的原状土样分别制成不同初始含水量的原状试样和相应的(同含水量,同密度)重塑试样,重塑试样的制备,先将风干土样碾碎、过筛、拌匀,充分破坏土样的天然结构,然后按所需含水量均匀加水搅拌,保湿静置一昼夜,分层击实至要求的密度,再切取试样,要求含水量和密度的制样误差不超过1%.初始含水量分别控制为11%、13%、15%、17%、19%、21%、23%、25%、27%9种,试验前称重反算各试样的初始含水量,以反算的初始含水量为准.

试验在南京土壤仪器厂生产的应变控制式直剪仪上进行,采用快剪法,剪切速率为2.4mm min,剪切历时3～5min,垂直压力分别为100kPa、200kPa、300kPa、400kPa.试样在各级压力下的抗剪强度取峰值强度或应力-应变曲线上变形量为4mm所对应的强度.分别测定每一初始含水量的原状试样与相应的重塑试样的应力-应变曲线,用摩尔-库伦定律整理试验资料(见表2、表3).

表2　Q

2

黄土的直剪试验结果

W (%)

ρd

(g cm3)

原状试样重塑试样

C s kPa°tan c kPa°tan

q s

kPa

11.21.51149.023.00.42410821.50.394218 13.11.50103.122.80.4207821.30.390144 15.21.5382.423.00.4246321.00.384106 17.31.5263.822.50.4145121.20.38877 19.31.5053.322.80.4204020.80.38058 21.51.5347.022.50.4143320.50.37448 23.61.5139.622.00.4042820.00.36436 25.41.5133.721.80.4002520.30.37026 27.31.5030.721.50.3942220.00.36421