黄土压缩特性试验分析

摘要：基于非饱和土力学理论，并考虑黄土结构性的影响，本文通过三轴剪切试验取得了原状黄土的压缩性随含水量的增加而增加的结论，确定了土体割线模量与含水量之间的定量关系。

关键词： 非饱和土；湿陷性黄土；三轴剪切试验；割线模量；含水量

中图分类号：C33 文献标识码：A 文章编号：

1引言

黄土属于粘性土类，但又与一般的粘性土有所不同。黄土的变形是力与水对上共同作用的结果，其大小与应力状态和含水量密切相关。

本章对陕西西安原状黄土进行了增湿情况下的三轴压缩试验，通过对试验结果进行对比分析，总结出了黄土增湿过程中压缩性，也就是含水量与土体压缩模量之间的关系。

2试验用土的基本性质

试验用的黄土，取自陕西西安市区，属于典型的Q3黄土。取土深度为1.5m~5.0 m，土体呈褐黄色，可塑状态，天然含水量为13.6% ~30.5%，天然密度为1.38~1.76g/cm3天然孔隙比为0.91~1.28，针状孔隙及大孔隙发育，含白色钙质条纹及个别小姜石。27%＜WL＜34.7%, WP =18.2%，在天然含水量下，试验用土的孔隙比e＞1.0。

3试验内容

本章对几组不同含水量的土样进行了固结压缩试验，对试验的结果进行了分析对比。

试验仪器：应变控制式三轴仪。

试样尺寸：三轴试样为直径39.1mm，高度为80mm。

试验准备阶段：选择合适量程的测力计；保证孔隙水压力测量系统内部的气泡完全排出；检查管路，保证无漏水、漏气现象发生；保证橡皮膜弹性状态完好，且并无破损。

4 试验成果分析

4.1不同含水量下的压缩模量比较

土的压缩模量是体现土体压缩特性的量化指标，它的定义是“土体在完全侧限条件下的竖向附加应力与相应的应变增量之比”。但是，想要得到压缩试验结果的方法只有通过曲线或者曲线才行，而这两种方法均要受到土体初始孔隙比的影响。因此，本文参考刘保健和张军丽通过对大量对比试验资料的分析，提出的割线模量ES0的概念，并对其进行量化分析。

设本文在状态下，任意t时刻轴向应力对应的轴向变形为，假若土体在未加载时的原始高度为，则定义土样在轴向应力作用下的侧限压缩应变应该是：

(4)

定义本文情况中土样在侧限条件下，垂直变形的割线模量为：

(5)

割线模量ES0下标的意义是S表示土体侧限压缩状态的情况，0表示割线模量的起点时间。需要注意的是，任意t时刻轴向应力对应的轴向应变是对于时间的实时监测值，而并非稳定的变形量。

由图4可以看出，曲线的截距(即初始割线模量ES0)随试样初始含水量的变化较大，但斜率的变化较小。基本可以算作是在不同的含水量之下，斜率保持不变。

图4不同含水量下ES0i-P关系曲线集合

图5 不同压力下 ES0i-w关系曲线

从图5可见，某压力下试样的割线模量ES0i随初始含水量的增大而减小，随竖向压力的增加ES0i-w曲线表现为自下而上逐渐变化的曲线系。

图6 ES0i-P曲线初始割线模量与初始含水量关系

从图6中可见，随初始含水量的增大，试样的初始割线模量ES0急剧降低。

通过上述过程发现，在不同的含水量之下ES0i-P曲线斜率虽然存在一定的数值差别，但是两两之间的差值都很小，所以可以认为在各个初始含水量之下的ES0i-P曲线是平行的，所以任意含水量下ES0i-P曲线间的割线模量差ΔES0i都可以用它们的初始模量差ΔES0代替，表示为：

(6)

也就是说，在任意含水量下的割线模量差值ΔES0i可由图8曲线上相对应两点差值代替。图中曲线按指数形式对其进行模拟比较合理，关系如下：

(7)

式中的M,N――试验参数，通过试验取得。本次试验M=278.93,N= -0.122，单位为100kPa。

图7为按照土工试验方法标准得出来的其他土体参数与含水量之间的关系。粘聚力随含水量变化较大，而内摩擦角随含水量变化较小。

(a)粘聚力c与含水量w关系

(b)内摩擦角φ与含水量w的关系

图7 土体其他参数随含水量指标变化特性

由此试验可以得到两个结论：

(1)原状非饱和黄土的粘聚力随含水量的增加而增加，可用线性关系表示。其表达公式为：

(8)

其中，A和B均是试验参数。

(2)内摩擦角与含水量之间的关系是非线性的，可用二次多项式表示。其表达公式为：

(9)

其中，D,G,F均为试验参数。

5 本文结论

本文通过对原状黄土进行压缩试验及理论研究，得到以下主要结论：

(1)本文通过黄土浸水压缩试验了解到原状黄土的压缩性随含水量的增加而增加，并且对于同一种土来说，不论将其初始含水量改变为多少，浸水后黄土的压缩性都不会产生很大的差别。

(2)通过原状黄土三轴压缩试验，本文确定了土体割线模量与含水量之间的定量关系以及c和φ与含水量之间的定性关系。

参考文献

[1] 刘祖典.黄土力学与工程[M].西安：陕西科学技术出版社，1997

[2] 顾安全.我国黄土的研究及其工程应用[C]//岩土工程回顾与前瞻.北京：人民交通出版社，2000：296~312