文章编号:167325196(2006)0420109203兰州原状黄土剪切强度特性的试验研究米海珍,李如梦,牛军贤(兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州　730050)摘要:对兰州原状黄土不同剪切方位、不同含水量试样进行了一系列常规三轴不固结不排水剪切试验研究.根据三轴剪切试验结果,分析了含水量和剪切方位对兰州黄土剪切强度参数的影响,得出原状黄土的粘聚力和内摩擦角并不是一个常数,而是随着含水量和剪切方位的变化而变化的结论,解释了其影响原因,提出了粘聚力、内摩擦角与含水量的关系表达式.关键词:黄土;含水量;剪切强度;剪切方位中图分类号:TU411.7 文献标识码:AExperimental investigation of shear strength characteristicsof intact loess in LanzhouM I Hai2zhen,L I Ru2meng,N IU J un2xian(College of Civil Engineering,Lanzhou Univ.of Tech.,Lanzhou　730050,China)Abstract:The shear st rengt h characteristics of Lanzhou’s loess wit h different shearing inclinations and different water content s were investigated experimentally and in different manner.Based on t he t ri2axial test result s,t he influence of water content and shearing bearings on Lanzhou’s loess shear st rengt h param2 eters.The result s showed t hat t he cohesion and f riction angle of intact loess was not a constant but a varia2 ble wit h t he cohesion and friction angle,so t hat t he influence origin was interpreted.The dependence of cohesion and f riction angle on t he water content was presented,also.K ey w ords:loess;water content;shear st rengt h;shearing bearings 土的抗剪强度是其重要的力学性质指标,有关这方面的研究已取得了许多成果[1～4].工程地质勘察中的粘聚力、内摩擦角是有局限性的,一般情况下,粘聚力、内摩擦角不是一个定值,是受许多因素影响的,如土方的开挖、降水,土样的扰动等.以粘聚力和内摩擦角的最不利值进行工程设计能更好地保证工程的安全,因此研究土的抗剪强度指标与其影响因素的关系是有必要的.本文以黄土为例,从含水量和剪切方位(剪切方位以在常规三轴剪切试验中,试样圆柱体在原位时与水平面的夹角θ表示)两个方面研究黄土的剪切强度特性.1　试样制备及试验方法1.1　试样制备土样采自兰州市兰工坪某处,采样深度为3～6 收稿日期:2005205210 作者简介:米海珍(19562),男,甘肃庆阳人,博士,副教授.m.试样采用原状黄土,其基本物理力学性质见表1.试样直径为6.18cm,高度为12.5cm,制备成实测含水量分别为8.99%、11.75%、12.56%、17.25%,θ分别为0°、45°和90°共四组试样进行三轴试验.表1　试验黄土物理力学指标T ab.1　Physical and mechanical property indexes of loess 含水量w/%容重γ/(kN・m-3)孔隙比e比重G4.1515.220.78 2.69塑限w p/%液限w l/%压缩系数/MPa-1湿陷性19.126.30.250.041.2　试验条件试验仪器为常规三轴仪,采用不固结不排水剪切试验,等应变速率控制,轴向应变速率为0.3 mm/min.2　试验结果2.1　试验现象图1所示为含水量w为11.75%、剪切方位为第32卷第4期2006年8月兰　州　理　工　大　学　学　报Journal of Lanzhou University of TechnologyVol.32No.4Aug.2006图1　主应力差与轴向应变的关系(w =11.75%,θ=90°)Fig.1　Dependence of principal stress difference on axialstrain (w =11.75%,θ=90°)90°的兰州黄土常规三轴不固结不排水剪切试验中得到周围压力σ3分别为50、100、150、200kPa 的应力2应变关系.试验结果表明,同一剪切方位、同一含水量下的黄土试样在剪切过程中,主应力差(σ1-σ3)均随着σ3的增加而增加.应力应变曲线均呈加工硬化型,其硬化程度随着周围压力的增加而增加.所有试样剪切后都没有明显破裂面而仅为中部膨大,试样两端断面尺寸均没有明显变化.轴向应变到达25%时,试样没有出现明显的强度峰值,其他试样试验现象类似.根据B G/T 50123—1999土工试验方法标准规定,轴向应变为15%时为试样破坏.2.2　三轴剪切强度包线图2为含水量w 分别为8.99%、11.75%、12.56%、17.25%,剪切方位角度为45°时的原状黄土试样的三轴剪切强度包线.2.3　强度参数与剪切方位的关系经过试验数据的处理,计算出不同剪切方位、不同含水量时的抗剪强度参数指标,见表2.粘聚力、内摩擦角与剪切方位之间的变化关系见图3、4.图2　兰州黄土三轴剪切强度包线(θ=45°)Fig.2　I ntrinsic curve of tri 2axial shear strength of Lanzhou ’s loess (θ=45°)表2　三轴剪切试验结果T ab.2　R esults of tri 2axial test剪切方位/(°)含水量/%8.9911.7512.5617.25c /kPa φ/(°)c /kPa φ/(°)c /kPa φ/(°)c /kPa φ/(°)035.0428.5431.5927.4630.7527.3628.3226.704534.5629.5430.3828.5229.3028.3226.6327.509031.7730.2825.3829.3423.7429.2020.6128.763　试验结果分析图2为原状黄土在剪切方位为45°时,4种不同含水量的三轴试验强度包络线,0°和90°时粘聚力和粘聚力的变化规律相似.图3　粘聚力随含水量的变化Fig.3　R elationship of cohesion to w ater content图2、3表明,在剪切方位不变时,粘聚力随着含水量的增大而减小;在含水量不变时,粘聚力随着剪切方位角度的增大而减小.图2、4表明,在剪切方位・011・ 兰州理工大学学报 第32卷图4　内摩擦角随含水量的变化Fig.4　R elationship of friction to w ater content不变时,随着含水量的增大,内摩擦角均略有减小;在含水量不变的情况下,随着剪切方位角度的增大,摩擦角略有减小.由试验数据可见,含水量对粘聚力有很大的影响,是控制其抗剪强度的重要状态参数.其原因可以这样理解,兰州黄土是一种支架大空隙微结构土,其强度主要取决于颗粒胶结物质的成分和性质,原状胶结物质主要是粘土矿物和碳酸钙,其次是黄土中的水溶盐和腐植质等.随着含水量的增大,溶解在水中的碳酸钙将增加,其粘粒将会有不同强度的结构联系,从而使原状黄土的粘聚力逐渐降低,使黄土的性质逐渐向疏松的纯细沙土靠近.有试验说明含水量太高(w =30%)时原状黄土的粘聚力为0,其性质像松散的细沙[5].将表2中的数据点绘在(1/c ,1/w )坐标图上,发现这些点可以用一条直线拟合,这就是粘聚力与含水量的非线性关系,即c =w/(aw +b )(1)式中:c 为粘聚力;w 为含水量;a 、b 均为试验确定的系数.经拟合后得出剪切方位角度为0°时,a =0.0428,b =-0.1295;45°时,a =0.0469,b =-0.1623;90°时,a =0.0673,b =-0.3219,相关系数的绝对值均在0.99以上.粘聚力与含水量的拟合曲线见图5.图5　粘聚力与含水量的回归关系Fig.5　R elationship betw een predicted cohesion and w atercontent 将表2中的数据点绘在(1/φ,1/w )坐标图上,发现这些点也可以用一条直线拟合,这就是内摩擦角与含水量的非线性关系,可以用以下关系表达:φ=d exp (-w/e )+f (2)式中:φ为内摩擦角;w 为含水量;d 、e 、f 均为试验确定的系数.经拟合后得出取土角度为0°时,d =18.5,e =4.145,f =26.4;45°时,d =12.4,e =5.9,f =26.8;90°时,d =24.3,e =3.3,f =28.6.相关系数的绝对值均在0.98以上.内摩擦角与含水量的拟合曲线见图6.图6　内摩擦角与含水量的回归关系Fig.6　R elationship betw een predicted friction angle andw ater content5　结论1)兰州原状黄土没有明显强度峰值.2)含水量是黄土的抗剪强度指标的主要影响因素,其对粘聚力有很大的影响.含水量增加粘聚力有很明显的下降;含水量对内磨擦角有微小的影响,随着含水量的增加内摩擦角减小.3)粘聚力和含水量、内摩擦角与含水量之间分别存在非线性关系,粘聚力、内摩擦角均随着含水量的增加呈双曲线形式下降.这种非线性关系反映了黄土由于环境变化而表现为强度变化的特征.参考文献:[1]　袁聚云,杨熙章,赵锡宏,等.上海软土各向异性性状的试验研究[J ].大地观测与土工测试,1996,20(2):10214.[2]　赵红花,袁聚云,叶志成.上海褐黄色粉质粘土各向异性的试验研究[J ].勘察科学技术,2002(4):21224.[3]　缪林昌,仲晓晨,殷宗泽.膨胀土的强度与含水量的关系[J ].岩土力学,1996,20(2):71274.[4]　张宝森,张喜泉,张俊霞,等.土工合成材料工程特性试验研究[J ].甘肃工业大学学报,2002,28(2):1032107.[5]　吴炳琨.兰州黄土的变形性质与抗剪强度[C]//吴炳琨.吴炳琨土力学与基础工程论文选集.北京:中国铁道出版社,1998:29288.・111・第4期 米海珍等:兰州原状黄土剪切强度特性的试验研究 。