黄土的物理力学性质

黄土的物理力学性质
§2-1 黄土的物理性质
试验用黄土采用甘肃兰（州）海（石湾）高速公路工程现场扰动土，其物理性质主要由它的物理性质指标来体现，其物理性质指标主要有：孔隙率、天然含水量、容重和液塑限等。

由于黄土的生成与存在条件比较特殊，它的孔隙率比普通土的孔隙率要大。

一般黄土中存在肉眼易见的孔隙，这些孔隙多为铅直圆孔，这类孔隙通称为大孔隙。

大孔隙比例的多少在一定程度上决定了黄土湿陷性的大小，大孔隙多的黄土湿陷程度大；反之则小。

试验所用黄土的天然含水量很低，一般在10％以下。

含水量在剖面上的变化与黄土层的厚度和埋藏深度没有直接关系。

黄土的容重、比重取决于黄土的矿物成分、结构和含水量，而黄土的颗粒分散度、矿物成分、形状和弹性在一定程度上决定了黄土的液塑性。

黄土的物理性质随成岩时代、成岩地区的不同而表现出一定的差异。

为了得到该黄土的物理性质，我们根据《公路土工试验规程》（JTJ 051-93）的要求，分别采用联合液塑限仪、烘箱和重型击实等方法进行了有关指标的测定，测定结果如表2-1所示。

黄土的物理性质表2-1
一．主要成分分析
组成黄土的矿物约有60种，其中轻矿物（d﹤0.005mm）含量占粗矿物（d﹥0.005mm）总量的90%以上。

黄土中粘土矿物（d﹤0.005mm）以不同的方式同水和孔隙中的水溶液相互作用，显示出不同的亲水性，故粘土矿物的成分和比例，在某种程度上体现了黄土的湿陷性。

水溶盐的种类和含量与黄土的湿化、收缩和透水性关系密切，直接影响着黄土的工程性质。

水溶盐包括易溶盐、中溶盐和难溶盐三种。

易溶盐（氧化物，硫酸镁和碳酸钠）极易溶于水或与水发生作用。

它的含量直接影响到黄土的湿陷性。

中溶盐（石膏为主）的存在状态决定其与水的作用情况。

以固体结晶形态存在时，溶解性小，但当以次生结晶细粒分布于孔隙中时，易溶解，在这种情况下，会对黄土的湿陷性有一定的影响。

难溶盐（碳酸钙为主）在黄土中既起骨架作用，又起胶结作用，这取决于其赋存的状态。

当碳
酸钙遇到CO
2和H
2
CO
3
时溶解，溶解后的阴离子与颗粒表面的阳离子发生交换。

当碳酸钙呈现固体结
晶状时，是土体骨架的一部分。

当它以薄膜状分布或与粘土一起构成次生团粒时，起胶结作用。

一般来说，碳酸钙的含量大时，土的强度高。

黄土中的有机质表面能大，持水性强，它以聚集于大孔孔壁或分散于粘粒中形态存在，当其呈分散分布时，构成土的胶结成分，受水浸湿时，会吸收大量水分，而使土崩解。

二．颗粒组成
一般黄土的颗粒组成有两个特点，即小于0.25mm颗粒占绝大多数，且以粉粒（0.005~0.05）为主。

用乙种比重计法对本文试验所用的土质进行颗粒分析，其颗粒分析结果见表2-2。

黄土颗粒组成表2-2
三．压实黄土的微观结构特性
原状黄土是自然历史的产物，它是在一定历史时期内经过了各种复杂作用后形成的，而压实黄土是利用人为的方法，将原状黄土经过粉碎，过筛，加水重塑，击实而成，因此，击实后的黄土改变了土的原始结构，具有独特的结构特征。

公路工程中的路基一般为压实土，为了进一步了解路基土体的结构，下面我们就介绍压实黄土的微结构特性。

黄土的结构性是指黄土的骨架颗粒成份、形态、排列方式、空隙特征、胶结物种类以及胶结程度等对黄土的工程性质的影响，组成原状黄土颗粒的成份主要是单个的粉粒和由粘胶微细碎屑胶结成的集粒，除此之外,还有少数片状和棒状颗粒.这些单个的颗粒和集粒一般是颗粒间点接触，但也有少数的面胶结接触方式.黄土中的空隙包括根洞、虫孔、裂隙之类的大空隙，骨架颗粒相互支架构成的中空隙；以及粘粒间的空隙，和存在于土体内起骨架作用的集粒内的空隙构成黄土中的微空隙。

黄土中颗粒的胶结物一般为碳酸钙，石膏为集粒内部的胶结物。

1．骨架颗粒的接触关系
在扫描电镜下观察，黄土由结构单元(单矿物、集合体和凝块)、胶结物（粘粒、有机质和碳酸钙）和空隙（大孔隙、架空孔隙、粒间孔隙和粒内孔隙）三部分组成。

从空间结构体系的力学强度和稳定性角度分析，构成黄土结构体系的支柱是骨架颗粒。

骨架颗粒形态表征传力性能和变形性能，其连接方式直接影响着黄土结构体系的胶结强度。

黄土的骨架颗粒主要是大于0.005mm的碎屑颗粒。

骨架颗粒的存在状态及相互关系决定着黄土的工程性质，如：黄土的湿陷性和压缩性。

压实黄土的骨架颗粒的接触关系主要有三种，即镶嵌接触、支架接触和分散分布。

这三种接触关系的分配比例随黄土的压实度和含水量的变化而变化。

镶嵌接触是指骨架颗粒相互交叉，紧密堆积，呈犬牙交错的镶嵌状，形成缝隙粒间的小孔隙，其接触形式为点-面、线-面和面-面，故接触面积较大。

支架接触是指骨架颗粒松散堆积，往往形
成粒间的大孔隙，其接触形式为点-点、点-线和点-面，故接触面积较小。

分散分布是指矿物颗粒间基本上互不接触，呈分散状。

2．骨架颗粒的连接方式
黄土中骨架颗粒的连结是控制土体强度和工程性质的主要因素之一，它是通过粘粒物质的胶结作用来实现的。

在扫描镜下观察，土体的骨架颗粒存在三种连结形式，即小桥连结、焊接连结和嵌埋状连结。

小桥连结是由颗粒较大的骨架间接触形成的一种特殊小桥状态，这种连结因含粘结相较少，故其间的化学键力和重力很微弱，它的强度主要来源于外部压力所产生的有效应力。

焊接连结是因粘结相含量较多，在颗粒接触处聚集着较多的胶结材料，对骨架颗粒起着焊接作用，这种连接强度一般较牢固。

骨架颗粒被粘结相包围，粒间连结完全靠粘结相，这形成了嵌埋状连结，其连结强度由粘结相的连结强度决定，故这种连结强度最大。

3．黄土的孔隙
黄土中的孔隙类型和分布情况是影响土体工程性质的又一主要因素。

原状土的孔隙率一般比较大，经过压实后，土的孔隙所占比例会有所减小。

根据孔隙的大小、形状及与骨架颗粒排列的方式，土中孔隙可分为大孔隙、架空孔隙、粒间孔隙和粒内孔隙。

架空孔隙是由一定数量的骨架颗粒松散堆积，相互支架构成的孔隙，该孔隙较大，连通性好，易透水，故该类型的孔隙直接影响着土的湿陷、压缩等性质。

粒间孔隙是指颗粒交错排列所形成的缝隙，该孔隙较稳定。

大孔隙是由碳酸钙胶结形成的空隙，结构稳定。

从有关试验中发现，不管压实度多大，孔隙总是存在，但在一定含水量条件下，压实度越大，孔隙所占体积比例有所减小。

§2-2 黄土的主要力学特性
一．原状黄土的力学性质
原状黄土的力学性质主要包括压缩性、湿陷性和抗剪强度。

1．压缩性
压缩性是在外荷作用下，地基土产生的压缩变形的大小。

现在，一般应用压缩系数α、压缩模量E
s 、压缩指数C
c
等作为压缩性
质指标。

α=(e
1﹣e
2
)/(p
2
﹣p
1
) (2-1)
E s =（1+e
1
）/α (2-2)
式中，p
2、p
1
——荷载（Kpa）；
e 1、e
2
——分别为在荷载p
1
、p
2
作用下，压缩稳定后的孔隙比。

2．湿陷性
黄土的湿陷变形具有突变性、非连续性和不可逆性。

为了反映黄土湿陷程度的大小，我国采用湿陷系数δ
s
来体现湿陷变形的特性。

湿陷系数δs 是单位厚度土体在土自重压力或自重压力与附加压力共同作用下受水浸湿后所产
生的湿陷量。

0'0'1e e e h h h p p p
p s +-=-=δ (2-3)
式中，h p —土样在压力p 作用时下沉稳定后的高度（cm ）。

h p ´—土样在压力p 作用稳定后的土样，在浸水作用下，下沉稳定后的高度(cm)。

h p —土样原始高度（cm ）。

e p —土样在压力p 作用时下沉稳定后的孔隙比。

e p ´—土样在压力p 作用稳定后的土样，在浸水作用下，下沉稳定后的孔隙比。

e 0—土样原始空隙比。

湿陷系数的大小反映了黄土对水的敏感程度。

湿陷系数越大，表示土受水浸湿后的湿陷量越大，因而对工程的危害性也越大。

目前，常采用的试验方法有单线法和双线法。

3．抗剪强度
土的抗剪强度是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力。

在工程中，一般应用饱和土的强度理论公式，即库仑理论。

τf =c+σtg ψ (2-4)
式中，τf —剪应力（kpa ）；
σ—法向应力（kpa ）；
c —土的粘聚力（kpa ）；
ψ—土的内摩擦角。

土的抗剪强度是一个受诸多因素控制的指标，迄今为止，库仑理论仍然是描述其特性的最为合理的实用理论。

压实黄土路基填土，其饱和度多数在65％～80％之间，实际上仍处于非饱和状态，严格意义上应采用非饱和土的强度理论。

非饱和土的抗剪强度可用独立的应力状态变量来表示。

已经证明应力状态变量（σ－Ua ）和（σ－Uw ）是实际应用最有利的组合，也可用（σ－Ua ）和（Ua －Uw ）两个应力变量来表示。

其表达式分别如下：
b f w a f a f ff u u u
c φφστtan )(tan )(-+'-+'= （2-5）
φφστ''-+'-+'=tan )(tan )(f w a f w f ff u u u c （2-6）
式中，τff —破坏时土的抗剪强度；
c ˊ—有效粘聚力，莫尔－库仑破坏包线的延伸与剪应力轴的截距；
φˊ—与净法向应力状态变量（σ－Ua ）f 有关的有效的内摩擦角；
φb —抗剪强度随基质吸力（Ua －Uw ）f 而增加的速率；
φ´´—与基质吸力和应力状态变量有关的摩擦角；
（σ－Ua ）f —破坏时在破坏面上的净法向应力；
（Ua－Uw）
f
—破坏时在破坏面上的基质吸力；
（σ
f －Uw）
f
—破坏时在破坏面上与孔隙水压力有关的净法向应力；
σ
f
—破坏时在破坏面上的总应力；
Ua—破坏时在破坏面上的孔隙气压力；
Uw—破坏时在破坏面上的孔隙水压力。

二．压实度对黄土力学性质的影响
为了改善天然土的工程性质，在工程中常采用压实的方法使土颗粒重新排列压实变密，以获得新的结构强度。

在实际施工时，路基的压实度有时达不到95%的规范要求。

而对于压实土，压实度的大小对其力学性质有很大的影响。

按照《公路土工试验规程》要求，将土样风干、碾压、过筛后，按最佳含水量（12%）将土击实成压实度75%，80%，85%，90%，95%的土样，进行土的固结、湿陷试验。

1．压缩性
由图2-1可看出压缩模量随压实度变化的规律，即压实度增大，压缩模量也增大，这是因为压实度越大，对土体施加的机械功就大，从而使土粒间的孔隙变小，可压缩性减小。

2．湿陷性
由试验数据整理得图2-2。

由图可知，湿陷系数随压实度的递增而递减。

当压实度约82%时，湿陷系数为0.0015，压实度大于90%时，其湿陷系数变化很小，其值基本接近于0，即可认为无湿陷性。

黄土中存在四种孔隙，即架空孔隙、粒间孔隙、粒内孔隙和大孔隙，研究表明，黄土的湿陷性主要由架空孔隙造成的。

压实度增大，使得孔隙所占土体的体积比减小，虽密度指标不能直接反映架空孔隙的值，但在总孔隙率减小的同时，架空孔隙也会减小。

由于路基压实度的分区，要求路基压实度大于91%，因此我们可粗略地认为该段路基无湿陷性。

3．抗剪强度
按《公路土工试验规程》要求，将土样配制成最佳含水量，分别做成压实度85%、90%、95%和100%四种，让试样分别在压力为0.1M pa、0.3Mpa、0.5Mpa下固结，然后以0.6mm/min的速率进行直接剪切试验。

将试验结果进行整理，其结果如图2-3～图2-5所示。

由图2-3可知：随着压实度的增大，内摩擦角呈线性增加，其关系比较明显。

这是因为压实度越大，土粒间越密实，颗粒相互运动时的摩擦就越大。

在同一压实度条件下，最佳含水量除外，含水量小时，内摩擦角大，其原因是含水量小时，土粒周围的水膜相对较薄，润滑作用小，从而使得内摩擦角大。

以最佳含水量为界，当含水量大于最佳含水量时，压实度对内摩擦角的影响比小于最佳含水量时大，在最佳含水量下，外力能使土达到它的最大干密度，而其它的含水量条件下，密度较小，故同一压实度下，最佳含水量的土样孔隙率最小，压实度的变化对内摩擦角的影响最大，含水量大于最佳含水量时，土粒间的结合水膜较厚，润滑作用大，故内摩擦角较小，随压实度的增大，土粒间距减小，结合水膜的厚度变化不大，只是自由水增多，所以随着压实度的逐渐增加对内摩擦角的影响逐渐减小。

由图2-4可见：粘聚力随压实度的增大而增加，压实度增大，土粒间的距离减小，粒间引力增大，故粘聚力增加。

抗剪强度是内摩擦角与粘聚力的综合反映，根据前面的试验结果，得出抗剪强度与压实度之间的关系，结果见图2-5。

抗剪强度与压实度之间的关系比较明显，其总的变化趋势是抗剪强度随着压实度的增大而增大。

图2-3 压实度与内摩擦角间的关系
图2-4 粘聚力与压实度的关系
图2-5 抗剪强度与压实度的关系
从以上试验结果分析得出：提高压实度有利于降低黄土的湿陷性、减小土的可压缩性和提高土的强度，因此，在实际工程中，可通过提高压实度来达到改善土的工程性质的目的。

§2-3 压实黄土中水的存在形态
水是黄土的物质组成之一，土中水的存在形态有结合水、自由水、固态水和气态水。

不同形态的水，在一定条件下会相互转化，并对土的性质起着重要的作用。

因固态水和气态水存在条件有限，故在此，主要介绍结合水和自由水。

1．结合水
吸附在土颗粒表面的水为结合水。

这部分水所占水量一般不变，可视为土颗粒的一部分，结合水受土粒表面引力的控制，故不服从静水力学的规律。

水分子愈靠近土粒表面，所受其引力愈大；反之，愈小，根据引力的强弱，结合水又分为强结合水和弱结合水。

据有关研究表明，压力和温度对结合水形态的转化有着很大的影响。

当压力增大时，能使部分吸附结合水向渗透结合水转化，渗透结合水向自由水转化。

对饱和粘土加压，当压力低于1Mpa时，自由水排出，压力增加至3Mpa时，渗透结合水渗出，当压力增至10Mpa时，部分吸附结合水压出。

当温度为55~70℃时，部分吸附结合水转化为自由水；当温度达到80~90℃时，部分弱结合水排出；温度升高到200℃时，绝大部分强结合水排出土体。

2．自由水
不受土颗粒引力作用的水为自由水。

自由水受重力控制，能流动和传递静水压力。

根据是否受表面张力的作用，自由水又分为毛细水和重力水。

重力水连续存在于土的孔隙中。

毛细水在土骨架孔隙内分布不连续，由于表面张力的作用，毛细水会沿着土的孔隙上升，故毛细水对公路路基的干湿状态及冻害有重要的影响。

§2-4 黄土的渗透性
一．黄土的渗透性特征
黄土的渗透性，是黄土的重要工程性质之一，许多工程如湿陷性黄土地基的湿陷变形大小和湿陷变形速度，灌溉水渠和水库的渗漏量、挡水坝和水坠坝等的渗流稳定性、给排水设计以及人工降低地下水位，黄土地区的公路路基的湿化水毁等都同黄土的渗透性密切相关。

但是，由于影响黄土渗透性的因素很多（土粒性质、形状和级配、土的孔隙比、结构、裂隙、层理、饱和度以及水的粘
滞性等），对于不同成岩类型的黄土，其影响程度又不相同，同一地区不同地段，黄土的渗透系数
都有很大的差异。

因而到目前为止，对黄土渗透性的研究远远不适应工程实际的需要。

黄土的渗透性与其他土质相同，均以单位水力梯度作用下的渗流速度即渗透系数来表示。

目前测定黄土渗透系数有室内和野外两类方法
1．室内常水头和变水头试验
2．为了获得地基和黄土建筑物的渗透性在野外进行试验，常用双环法、抽水法和模型试验。

由于很多因素影响渗透性，目前室内渗透试验同黄土的实际渗透情况又有很大的差距，因而常会得到不能令人满意的试验结果。

由于土样质量和测试方法等不同，实践表明，现场试验结果总是大于室内试验成果。

对同一种黄土室内外试验结果可相差达几百倍，而且室内试验总是偏小。

由于野外双环法比较简单，试验结果又接近实际，故是一种接近实际的试验方法。

二．黄土渗透性的一般规律
1．黄土中有垂直管状大孔隙，所以黄土的渗透性具有明显的各向异性的性质，垂直向渗透性远比水平向渗透性强，大孔隙俞发育，其差值俞大，二者的比值一般在2～10范围内。

作为公路路基的压实黄土和浸水湿陷后的黄土，由于天然结构已经破坏，则两个方向的渗透性逐渐接近。

故天然状态黄土渗透试验的水流方向，应同工程实际的渗流方向一致
2．天然状态黄土的渗透系数K
10
与孔隙比e之间无明显的关系，压实后的黄土，由于消除了黄
土中分布不均的大孔隙，则K
10
值随e的减小而减小，其关系是非线性的，一般成对数函数关系。

3．黄土的渗透性与其颗粒组成和结构特征有密切关系。

陕西、陇东、陕北的黄土的颗粒较粗，微观结构多呈粒状、架空接触状态，因而渗透性较大。

河南豫西地区黄土颗粒较细，微观结构多呈凝块、镶嵌胶结状态，因而渗透性较小；关中地区黄土颗粒组成及结构特征介于二者之间。

这就表明颗粒组成和结构特征对渗透性有明显的影响。

黄河中游地区自西向东和自北向南，黄土的渗透系数亦由大变小。

4．当密度相同时，天然状态黄土的渗透性较击实黄土的渗透性强，这是由于天然状态黄土中存在着大孔隙，而水在大孔隙中流动时阻力较小的缘故。

5．湿陷性黄土，在湿陷发生和发展的过程中，由于土的结构状态发生了变化，因而渗透系数也发生了变化，即逐渐减小。

根据苏联安德鲁欣的野外试验，天然状态的湿陷性黄土，其渗透系数为0.212m/d；湿陷稳定后的渗透系数为0.069m/d，较前者小3倍左右；一般来说，非湿陷性黄土的渗透性均小于湿陷性黄土的渗透性。

6．天然状态黄土的含水量少，由于土处于三相状态，所以水在黄土中开始入渗时，渗透系数
K
10
值较大，随着渗透时间的增长而逐渐降低，最后接近稳定渗流。

黄土的初始含水量对渗透性有
一定的影响，初始含水量愈大，K
10值愈小，当初始含水量达到某一定数值时K
10
值便趋于稳定。

7．关于黄土渗透系数的讨论
影响黄土渗透系数的因素很多如孔隙比、颗粒组成、粘粒含量、结构特征等，还有大量的垂直孔洞，因之黄土的渗透系数变化幅度较大，垂直与水平方向也有较大的差异，二者的比值约计在4.7～37.5倍。

再者室内试验由于土样与仪器侧壁接触不紧，在测定过程中，开始与终了的渗透系数也有很大的差异，所以关于黄土的渗透系数以现场测定较能符合实际。

三．压实度对黄土入渗性的影响
黄土中含水量的变化取决于大气降水的入渗情况，压实黄土路基由于通过机械压实改变了黄土层的原始结构，使颗粒进行了重新排列，孔隙率降低。

因此，雨水在地表的入渗是有限的，同时降雨时雨水向黄土中的入渗通常受到雨滴拍打形成的雨壳的阻碍。

黄土表层这些特殊作用的效果是进一步降低雨水的入渗能力，从而增加表面流。

通过以下的试验结果我们也可以看到这种情况。

1．试验方法
入渗试验是在西北农林科技大学水土保持研究所的黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室内进行的。

所用黄土为扰动土，分别按照压实度为80％、83％、85％、88％、91%进行入渗试验。

按照不同的压实度要求，根据相对应的干密度分别计算装土量，然后装入试验所用的容器内，由于试验设备的限制，压实度最高只能达到91％。

装土高度为7.5cm ，水头高度为10cm 。

根据入渗量的大小每隔一定的时间读取入渗量。

根据公式HTA
LQ Ks ∆=计算土样的饱和导水率。

2．压实度与入渗量的关系
从图2-6～图2-10中可看出，不同压实度情况下，入渗量随着时间的增大，各自的增长速度有所不同。

在同一时间内，压实度为80%时，入渗量的增长最快；依次为83％、85％、88％；压实度为91%时，增长最慢。

这是因为压实度增大，土颗粒间的孔隙减小，导水率和扩散度减弱，从而致使水分运动和气体的排出更为困难。

图2-6 压实度80％的入渗时间与累计入渗量的关系
图2-7 压实度83％的入渗时间与累计入渗量的关系
图2-8 压实度85％的入渗时间与累计入渗量的关系
图2-9 压实度88％的入渗时间与累计入渗量的关系
图2-10 压实度91％的入渗时间与累计入渗量的关系
由图2-6～图2-10分析可知，尽管随着路基压实度的增加入渗量减少，但它们有一个共同的变化规律，就是随着入渗时间的增长，入渗量在以增函数形式上升，这一点也说明，只要土颗粒间存在孔隙和外界有水源的供应，入渗量就会随着时间的增长而增大。

根据实验资料分析，发现土的压实度和初始含水量对入渗率有较大的影响。

压实度大时，土的入渗率较小，并且入渗率很快趋于稳定；当压实度在95％附近时，入渗率显著降低，当压实度为100％时，入渗率很小，可认为几乎不入渗。

这是由于压实度大，粒间孔隙小，因而导水率和扩散率均小，不利于水分运动和气体的排出，故入渗率降低。

3．压实度与饱和导水率的关系
从图2-11可以看出，压实黄土的饱和导水率随着压实度的增加而减小。

当压实度达到91％的时候，其饱和导水率为0.000014cm/min 。

其数值已经很小了，也就是说，当压实度达到一定的值时，其饱和导水率对水分入渗的影响已经很弱了，因此对路基内部的水分迁移研究就要从非饱和土的导水参数结合水分势能以及水分动力学方程来进行。

图2-11 压实度与饱和导水率的关系
§2-4 本章小结
压实度的变化影响着黄土的力学性质和入渗性能。

就目前黄土地区的高速公路建设的实际情况，引起破坏的原因是多方面的。

就本章的计算分析情况，可得出如下结论：1．提高压实度有利于降低黄土的湿陷性、减小土的可压缩性和提高土的强度。

2．不同压实度情况下，入渗量随着时间的增大，各自的增长速度有所不同。

在同一时间内，入渗量随压实度的增加而减小。

3．压实黄土的饱和导水率随着压实度的增加而减小，当压实度达到一定的值时，其饱和导水率对水分入渗的影响已经很弱了。