青海地区重塑黄土力学性能影响因素分析

８２　铁道建筑　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　

文章编号：１００３—１９９５（２０１４）Ｏ１—００８２—０３　

青海地区重塑黄土力学性能影响因素分析　

陈　伟　，张吾渝　，马艳霞　，常立君　，王　萌　

（１．青海大学地质工程系，青海西宁８１００１６；２．青海大学土木工程学院，青海西宁８１００１６）　

摘要：为了研究黄土的抗剪强度指标与含水率和压实系数的关系，对不同含水率和不同压实系数下的重　

塑黄土进行了室内三轴剪切试验。试验结果表明：各种压实程度不同的重塑黄土黏聚力均随含水率呈　抛物线形变化，可用二次多项式表示；内摩擦角随含水率增大呈线性减小；不论含水率的大小，重塑黄土　

黏聚力均随着压实系数的增大而增大，可用二次多项式表示。分析了重塑黄土力学特性影响因素，可为　青海地区黄土工程的设计、施工提供指导。　

关键词：重塑黄土　三轴试验强度参数　中图分类号：ＴＵ４４４文献标识码：Ａ　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３－１９９５．２０１４．Ｏ１．２３　

目前国内通过三轴试验进行土的研究较多　，　

而对于青海地区黄土的研究甚少。青海黄土的分布面　积为２．４８万ｋｍ　，占全国黄土分布总面积的３．９％Ｌ　ｓ］，　

随着该地区大规模的工程建设，很有必要对该地区黄　

土做进一步研究。本文通过三轴试验研究其力学性能　及影响因素，以期为工程设计、施工提供指导。　１　试验方法　

青海地区黄土多为黄色或淡黄色，结构疏松，架空　

现象明显，天然含水率较低，平均为１３．４％，以粉粒为　主，垂直节理发育　。试验土样取自青海西宁生物园　

区，黄土的基本物理力学性质指标见表１。　

表１　黄土基本物理力学性质指标　

试验仪器采用南京土壤仪器厂生产的应变控制式　

三轴仪。由于青海地区黄土多处于非饱和状态，故采　用不固结不排水试验。试样的压实系数控制在　０．９４～０．９７，含水率控制在１３％～１７％。按照一定压　

实系数和含水率配制试样土，等分５份，分５次击实，　

每次击实厚度控制为１．６　ｃｍ。形成的试样尺寸为　

３．９１　ｃｍ（直径）Ｘ　８　ｃｍ（高度），试验时先在围压分别　

为１００，２００，３００　ｋＰａ条件下固结，然后在剪切速率为　０．８　ｍｍ／ｍｉｎ的条件下剪切直至土样破坏。试验结果　

以主应力差为纵坐标，轴向应变为横坐标，绘制成主应　力差与轴向应变关系曲线，取曲线上主应力差的峰值　

作为破坏点；无峰值时，取１５％轴向应变时的主应力　

差值处作为破坏点　。　

收稿日期：２０１３—０６—１０；修回日期：２０１３－０８—２０　基金项目：青海省科学技术厅应用基础研究计划（２０１２．Ｚ．７０８）；国家留　学基金委资助（留金法［２０１１］５０２４）　作者简介：陈伟（１９８８一），男，湖北公安人，硕士研究生。　２结果与分析　

２．１　重塑黄土主应力差应变特性及试样破坏形状　地基处理中，重塑黄土的压实系数要达到０．９７。　

为了反映工程实际情况，下面分析试样在围压１００　ｋＰａ　

压实系数为０．９７，含水率分别为１４％，１５％，１６％，　１７％时的主应力差应变特性，其主应力差一应变曲线　

见图１。　

、　ｊ１ｌｌｊ　氆　州　

２　４　６　８　１０　ｌ２　１４　１６　轴向应变，％　

图１

　重塑黄土不同含水率下的主应力差一应变曲线　２０１４年第１期　陈伟等：青海地区重塑黄土力学性能影响因素分析　８３　

由图１可以看出，在围压为１００　ｋＰａ下不同含水　

率试样的主应力差一应变曲线均呈现应变硬化，随着　

含水率的增加土的主应力差峰值增加，说明土样能承　受更大的外部荷载，土样强度增大。但达到最优含水　

率（】５％）时土的强度也达到最大值，继续增加含水率　土的强度反而减小。故在压实系数为０．９７的情况下，　

重塑黄土试样在最优含水率时，强度最大。　

试样剪切破坏后可以观察到土样的剪切破坏形式　

受含水率的影响较大，含水率较小时土样破坏沿试样　４５。方向有明显的裂纹与剪切带，含水率较大时土样因　

５８　

５６　重　４　Ｒ　鬈５２　

５０　

４８　

援　氅　｛赴　５７　５　５７　０　５６　５　杂５６　０　鬈５５　５　

５５　０　５４　５　剪切变形呈现鼓胀状。这是由于在含水率较小时，三　

轴试样在４５。方向剪应力最大，而在含水率较大时土　

样发生挤胀而呈鼓形破坏。　２．２重塑黄土强度的影响因素分析　

含水率和压实系数是影响黄土抗剪强度的两个重　要因素。下面分析青海地区黄土的抗剪强度随含水率　

和压实系数的变化规律。　

２．２．１　含水率对抗剪强度的影响　在０．９４，０．９６，０．９７三种压实系数下抗剪强度随　

含水率的变化曲线见图２和图３。　

ｌ４　０　１４　５　１５　０　１５　５　１６　０　１４　０　１４　５　１５　０　１　５　５　ｌ６　０　含水率，％　含水率，％　（ａ）　＝０　９４　（ｂ）　＝Ｏ　９６　

图２　三种压实系数下黏聚力ｃ随含水率　的变化曲线　

援　糍　啦　

ｆｂ）　＝Ｏ　９６　援　糍　｛赴　

图３　三种压实系数下内摩擦角　随含水率　的变化曲线　

由图２可见含水率对黏聚力的影响较大。不论压　实系数的大小，黏聚力随着含水率的增大而增大，但当　

达到临界含水率（通常在最优含水率附近）时，黏聚力　

也达到最大，含水率继续增大，黏聚力显著降低。这是　

因为黄土在临界含水率以下时，随着含水率的增加，水　

分在土颗粒周围以结合水的形式存在，增强土体的黏　

聚力；当黄土含水率超过临界含水率时，水与土的结合　

不再增强，从而转换成非结合水，降低土体的黏聚力。　

在一定压实系数下重塑黄土黏聚力与含水率的关　

系，可用二次多项式拟合，其方程为　

ｃ＝一７．５ｗ　＋２２６．５ｗ一１　６５２　（Ａ＝０．９４）　

ｃ＝一１．７５ｗ　＋５１．２５ｗ一３１７．５　（Ａ＝０　９６）　

Ｃ＝一２２．５∞　＋６７８ｗ一５　０３３．５　（Ａ＝０．９７）　ｆｃ）　＝０　９７　

综合成通式，即ｃ＝０　＋６　＋Ｃ，其中ｏ，ｂ，Ｃ为试　验参数。　

由图３可知，不论压实系数的大小，内摩擦角随着　含水率的增大呈线性减小。这是由于随着含水率的增　

加，水分起到润滑的作用，土体间的摩擦力降低。　

在一定压实系数下重塑黄土的内摩擦角与含水率　的关系可以用直线来拟合，其方程为　

∞＝一１．６７５ｗ＋５３．８７１　６７　

（Ａ＝０．９４．Ｒ　＝０．９１９　２７）　

‘Ｄ＝一０．９２４∞＋４３．１１４　

（Ａ＝０．９６，Ｒ　∞＝一１．４１５ｗ＋４８．８０３　３３　

（Ａ＝０．９７，Ｒ　＝０．９９６　６４）　

＝０．９５８　９０　如如　勰

勰　８４　铁道建筑　Ｊａｎｕａ￣，２０１４　

综合成通式，即　＝　参数。　ａ１∞＋ｂｌ，其中ａ　，ｂ　为试验　

２．２．２　压实系数对黏聚力的影响　在１４％，１５％两种含水率下黏聚力随压实系数的　

变化曲线见图４。　

生　、　Ｒ　棵　

、　・Ｒ　德　压实系数　ｆａ１∞：１４％　

０　９５０　０　９５５　０　９６０　０　９６５　０　９７０　压实系数　（ｂ１∞＝１５％　

图４不同含水率时黏聚力Ｃ随压实系数Ａ的变化曲线　由图４可知，不论含水率的大小，黏聚力均随着压　实系数的增大而增大。这是因为随着压实系数的增大，　

土颗粒问更密实，土中的孔隙减小，土的强度增大。黏　聚力Ｃ与压实系数Ａ的关系亦可用二次多项式表示。　

３　结论　

１）不同含水率重塑黄土的主应力差一应变曲线　

均呈应变硬化模式。各种压实程度不同的重塑黄土黏　

聚力均随含水率呈抛物线形变化，可用二次多项式表　

示，即Ｃ＝ａｏ）　＋％＋ｃ。内摩擦角随含水率增大呈线　性减小，可表示为　＝ａ　＋ｂ　。　２）不论含水率的大小，重塑黄土黏聚力均随着压　实系数的增大而增大，亦可用二次多项式表示。　

参　考　文　献　

［１］陈开圣，沙爱民．禹（门口）阎（良）黄土路基填料强度规律　［Ｊ］．水文地质工程地质，２００９（５）：４４—４８．　［２］庞旭卿．路基压实黄土力学特性三轴试验研究［Ｊ］．铁道建　筑，２００９（９）：７５—７８．　［３］常颜彬，原斌斌，侯军，等．低液限黏土三轴剪切试验分析　［Ｊ］．水利水电施工，２０１２（６）：６８—７１．　［４］张向京，阮波，彭意．饱和粘性土三轴剪切性状的试验研究　［Ｊ］．铁道科学与工程学报，２００９，６（５）：６１—６３．　［５］张中兴．黄土与黄土工程［Ｍ］．西宁：青海人民出版社，１９９８．　［６］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．　

Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｆｆｅｃｔｉｎｇ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｏｆ　

ｒｅｍｏｌｄｅｄ　ｌｏｅｓｓ　ｉｎ　Ｑｉｎｇｈａｉ　ｒｅｇｉｏｎ　

ＣＨＥＮ　Ｗｅｉ　，ＺＨＡＮＧ　Ｗｕｙｕ　，ＭＡ　Ｙａｎｘｉａ　，ＣＨＡＮＧ　Ｌｉｊｕｎ　，ＷＡＮＧ　Ｍｅｎｇ　

（１．Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｑｉｎｇｈａｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉｎｉｎｇ　Ｑｉｎｇｈａｉ　８１００１６，Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｑｉｎｇｈａｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉｎｉｎｇ　Ｑｉｎｇｈａｉ　８　１　００　１　６，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎ　ａｍｏｎｇ　ｓｈｅａｒ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｍｏｉｓｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｃｔｉｎｇ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｔｈｅ　

ｐａｐｅｒ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ｉｎｄｏｏｒ　ｔｒｉａｘｉａｌ　ｓｈｅａｒ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｔｏ　ｌｏｅｓｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｍｏｉｓｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｅｎｔｓ　ｕｎｄｅｒ　ｖａｒｉｏｕｓ　

ｃｏｍｐａｃｔｉｎｇ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ａｓ　ｔｈｅ　ｍｏｉｓｔｕｒｅ　ｃｏｔｅｎｔ　ｇｏｅｓ　ｕｐ，ｔｈｅ　ｃｏｈｅｓｉｖｅ　ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　ａｌｌ　

ｔｈｅ　ｌｏｅｓｓ　ｓａｍｐｌｅｓ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｉｎ　ａ　ｐａｒａｂｏｌａ—ｃｕｒｖｅ　ｐａｔｔｅｒｎ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｂｅ　ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ　ｉｎ　ａ　ｑｕａｄｒａｔｉｃ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ；　

ｗｈｉｌｅ．ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ａｎｇｌｅｓ　ｄｅｃｒｅａｓｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ．ｔｈｅ　ｃｏｈｅｓｉｖｅ　ｆｏｒｃｅ　ｒｉｓｅｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　

ｃｏｍｐａｃｔｉｎｇ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｉｒｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｅｖｅｌ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｍｏｉｓｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｅｎｔ，ｗｈｏｓｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓ　ｃａｎ　ａｌｓｏ　ｂｅ　

ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ　ｗｉｔｈ　ａ　ｑｕａｄｒａｔｉｃ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ａｌｓｏ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｐｏｓｓｉｂｌｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｔｈａｔ　ｍａｙ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　

ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｍｏｌｄｅｄ　ｌｏｅｓｓ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｏｆ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｖａｌｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　

ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｏｅｓｓ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｉｎ　Ｑｉｎｇｈａｉ　ｐｒｏｖｉｎｃｅ．