压实黄土直剪强度试验研究

张志权，井彦林，孔德泉

(长安大学建筑工程学院，陕西西安710061)

压实黄土直剪强度试验研究

张志权，井彦林，孔德泉

(长安大学建筑工程学院，陕西西安710061)

为了对比研究不同地区压实黄土的强度特性，对采自西安、兰州和洛川的3种代表性黄土进行了颗粒分析试验、击实试验和直剪试验。试验结果显示:随着黏粒含量的依次减小，3种土样的最优含水率和最大干密度逐渐减小;在最优含水率下随着黏粒含量的减少，应力-应变曲线逐渐由应变强化型向应变软化型过渡，内摩擦角呈微弱的增大趋势，黏聚力没有明显的变化规律;在相同干密度下随着含水率的增加，3种土样的黏聚力和内摩擦角均逐渐减小。

路基工程;压实黄土;含水率;直剪强度;试验研究

在工程建设中使用黄土时大多要通过压实处理，以此来获得足够的强度。压实黄土的结构、物理力学状态不同于原状黄土，正确评价压实黄土的工程性质非常重要［1-4］。针对压实黄土强度的研究近些年开展得不少。王娟娟、张秀丽等［5-6］采用西安地区压实黄土进行了抗剪强度试验，指出压实黄土的黏聚力和内摩擦角随着含水率增大而减小，随着干密度的增大而增大。杨玉生等［7］采用杨凌地区压实黄土进行了增湿变形性质及其影响因素试验，指出压实黄土的压缩性随增湿含水率的增大而提高，随增湿含水率的减小而降低。陈伟等［8］针对青海地区重塑黄土力学性能影响因素进行了研究，指出不同含水率重塑黄土的主应力差-应变曲线均呈应变硬化模式，黏聚力均随着压实系数的增大而增大。贾亮等［9］针对兰州马兰、离石压实黄土进行了抗剪强度影响因素分析，指出黏聚力、内摩擦角均随压实度的增大而增大。黄雪峰等［10］采用延安地区压实黄土进行了变形特性研究，指出压实度越高，总变形量越小，遇水增湿变形量占总变形量的比例越大，压缩固结变形量占总变形量的比例越小。

前述研究是针对某一地区的土样开展研究。在中国境内黄土颗粒组成有地区差异，总体呈现2个特点:①自北向南、自西向东呈砂粒和粉粒逐渐减少，黏粒逐渐增加的趋势;②粒径＞0.05 mm和＜0.005 mm的颗粒含量较低，而粒径0.05～0.005 mm的颗粒含量较高，大多超过50%。本文采用西安、兰州和洛川的3种代表性黄土，首先对3种黄土进行颗粒分析试验和标准轻型击实试验，找出3种黄土各自的最优含水率和最大干密度，然后在此基础上再分别进行最优含水率下、不同含水率下的直剪试验，探讨地区差异对压实黄土强度的影响。

1 试验材料

西安、兰州和洛川3种黄土的土样编号分别是S1，S2，S3。参照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)［11］对土样进行颗粒分析试验，其颗粒组成见表1。由表1可知:土样中的黏粒含量依次减小，分别为36%，22%和11%。

表1 3种土样的颗粒组成

2 击实试验

分别将3种黄土风干碾碎过5 mm筛，按预估的含水率加水、拌匀，静置24 h后参照GB/T 50123—1999对土样进行标准轻型击实试验，击实筒内径为102 mm，筒高116 mm，容积947.4 cm3，击实锤质量2.5 kg，击实过程分3层加料，每次加料之前把上层的黄土刨毛，每层25击，试验结果见表2。

由表1和表2可知，随着土样中黏粒(＜0.005 mm)含量的依次减小，最优含水率和最大干密度也依次减小。

表2 击实试验结果

3 直剪试验

3.1 最优含水率下直剪试验

先将3种黄土风干碾碎过5 mm筛，按土样各自的最优含水率(分别为16.3%，16.0%和15.8%)加水、拌匀、静置24 h，再用压样器按各自的最大干密度(分别为1.72，1.71和1.695 g/cm3)制样，相当于土样的压实度为1。

直剪试验采用南京土壤仪器厂生产的ZJ型应变控制式直剪仪，直剪试验方法为快剪。参照GB/T 50123—1999试样尺寸取φ61.8 mm×20 mm，采用的垂直压力分别为50，100，200，300 kPa，剪切速率控制在0.8 mm/s，使土样在3～5 min内发生剪切破坏。试样在各级垂直压力下的抗剪强度取峰值强度，无明显峰值者取应力应变曲线上应变量为4 mm所对应的强度［5］。不同垂直压力下应力-位移曲线见图1。

图1 不同垂直压力下应力-位移曲线

由图1可见:S1只有在垂直压力为50 kPa时出现了明显的峰值强度;S2在垂直压力为50 kPa和100 kPa时出现了峰值强度;S3在每级压力作用下均出现了明显的峰值强度，表明随着土样中黏粒含量的减少，应力-位移曲线逐渐出现明显的峰值，即应变软化。

最优含水率下直剪试验结果见表3。由表3可知:从S1到S3随着土样中黏粒含量的减少，内摩擦角出现微弱增大趋势，但黏聚力没有明显的变化规律。

表3 最优含水率下直剪试验结果

3.2 不同含水率下直剪试验

因为3种黄土试样的最优含水率分别是16.3%，16.0%和15.8%，比较接近，所以3种土样均按含水率10%，13%，16%，19%，22%制作。考虑到3种黄土试样的最大干密度分别是1.72，1.71和1.695 g/cm3，比较接近，同时工程实践中黄土的压实度多采用0.90～0.97，所以干密度确定为1.6 g/cm3，相当于压实度为0.93～0.94。将3种黄土风干碾碎过5 mm筛，按预定含水率加水、拌匀，静置24 h后用压样器按预定密度制样进行直剪试验。具体试验方法同最优含水率下直剪试验。

3种压实黄土抗剪强度随含水率变化曲线见图2。由图2(a)可见:①随着含水率的增加，3种压实黄土的黏聚力均明显降低，当含水率从10%增加到22%，S1，S2和S3的黏聚力分别从98.5，92.0和85.6 kPa下降到14.8，18.3和25.2 kPa，下降幅度分别是85%，80%，70%;②比较3条曲线可以发现，随着黏粒含量的减少，黏聚力的下降幅度也在减小;③在低含水率下，黏粒含量高的土样比黏粒含量低的土样黏聚力大，相反，在高含水率下，黏粒含量高的土样比黏粒含量低的土样黏聚力小。

图2 3种压实黄土的抗剪强度随含水率变化曲线

由图2(b)可见:①随着含水率的增加，3种压实黄土的内摩擦角与黏聚力一样均呈降低趋势，但是降低的幅度较小。当含水率从10%增加到22%，S1，S2和S3的内摩擦角分别从38.1°，37.8°和36.3°下降到29.7°，31.0°和31.6°，下降幅度分别是22%，18%和13%。②比较3条曲线可以发现，随着黏粒含量的减少，内摩擦角的下降幅度也在减小。③与黏聚力一样，在低含水率下黏粒含量高的土样比黏粒含量低的土样内摩擦角大;相反，在高含水率下黏粒含量高的土样比黏粒含量低的土样内摩擦角小。

4 结论

1)取自西安、兰州和洛川的3种压实黄土样黏粒含量分别为36%，22%，11%。随着黏粒含量的依次减小，其最优含水率和最大干密度也逐渐减小。

2)在最优含水率下，3种土样随着黏粒含量逐渐减少，应力-位移曲线逐渐由应变强化型向应变软化型过渡，内摩擦角呈微弱增大的趋势，黏聚力没有明显的变化规律。

3)不同地区的黄土随着含水率的增大黏聚力均明显减小，内摩擦角也减小，但是减小的幅度较小。在低含水率下黏粒含量高的土样比黏粒含量低的土样抗剪强度大;相反，在高含水率下黏粒含量高的土样比黏粒含量低的土样抗剪强度小。

［1］杨晶．黄土状压实填土压缩和强度特性研究［D］．太原:太原理工大学，2014．

［2］胡长明，梅源，王雪艳．吕梁地区压实马兰黄土变形与抗剪强度特性［J］．工程力学，2013，30(10):108-114．

［3］陈开圣，沙爱民．压实黄土变形特性［J］．岩土力学，2010，31(4):1023-1029．

［4］邓军涛，张艳．黄土古土壤的抗剪强度特性［J］．水土保持通报，2015，35(5):319-322．

［5］王娟娟，张秀丽，王铁行．考虑含水量和密度影响的压实黄土抗剪强度特性研究［J］．西安建筑科技大学学报(自然科学版)，2014，46(5):687-691．

［6］张秀丽．考虑含水量和密度影响的压实黄土工程性质研究［D］．西安:西安建筑科技大学，2011．

［7］杨玉生，李靖，邢义川．压实黄土增湿变形性质及其影响因素试验研究［J］．岩土工程学报，2015，37(5):1-10．

［8］陈伟，张吾渝，马艳霞．青海地区重塑黄土力学性能影响因素分析［J］．铁道建筑，2014，33(1):82-84．

［9］贾亮，朱彦鹏．兰州马兰、离石压实黄土抗剪强度影响因素探讨［J］．岩土工程学报，2014，36(增2):120-124．

［10］黄雪峰，孔洋，李旭东，等．压实黄土变形特性研究与应用［J］．岩土力学，2014，35(增2):37-44．

［11］中华人民共和国建设部．GB/T 50123—1999土工试验方法标准［S］．北京:中国计划出版社，1999．

Experimental Study on Direct Shear Strength of Compacted Loess

ZHANG Zhiquan，JING Yanlin，KONG Dequan
(School of Civil Engineering，Chang'an University，Xi'an Shaanxi 710061，China)

In order to compare and study the strength characteristics of compacted loess in the different regions，the particle analysis test，compaction test and direct shear test were conducted with three kinds of representative loess from Xi'an，Lanzhou and Luochuan．T he test results show that the optimum moisture rate and the maximum dry density of 3 kinds of loess gradually decreases with the clay content decreasing successively，the stress-strain curves gradually transfer from the strain hardening type to strain softening type with the decrease of clay content under the condition of optimum water content，the internal friction angle shows a slight increasing trend，there is no obvious change law of cohesion and the cohesion and internal friction angle of 3 kinds of loess gradually decreases with the moisture content increasing in the condition of same dry density．

Subgrade engineering;Compacted loess;M oisture content;Direct shear strength;Experimental study

TU411．2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．19

1003-1995(2016)12-0069-03

(责任审编葛全红)

2016-07-10;

2016-09-10

国家自然科学基金(41472267)

张志权(1973—)，男，高级工程师，硕士。