屈振荣
中铁十七局集团第五工程有限公司 山西太原 030032
摘要：国内学者的研究多是对土强度的研究大多是关于黏质土，关于砂质黄土的研究还较少。采用不固结不排水试验，研究了砂质黄土在不同含水率条件下的应力应变特征，分析了含水率及围压对砂质黄土抗剪强度的影响。
关键词：隧道工程；强度特性；试验研究；砂质黄土
蒙华铁路是国内最大的运煤专线，在陕西境内遇到大面积黄土隧道建设，项目部地处毛乌素沙漠和黄土高原过渡区，地层岩性以砂质新黄土、黏质新黄土、砂质老黄土、白垩系下统洛河组砂岩为主。地形地貌以边缘沙漠和侵蚀性梁峁沟谷地貌为主，受地台抬升和黄土高原流水侵蚀影响，下切作用明显，“V”字型冲沟发育，呈树枝状分布，形成沟壑纵横、支离破碎的特点，地形非常复杂。
陕西榆林靖边县龙州乡附近的阳城隧道1#斜井（DK244+550～DK244+750）为富水黄土段，湿陷性系数为0.021～0.059。围岩含水段开挖困难，极易引起洞内塌陷（如图1）和地表沉陷，对隧道安全施工造成不利的的影响。针对工程遇到的问题，对取自该隧道的黄土进行了一系列的三轴剪切试验，研究地下水对黄土抗剪强度的影响。抗剪强度是土重要的力学指标之一，是最重要的计算参数。国内学者的研究多是对土强度的研究大多是关于黏质土[1～4]，关于砂质黄土的研究还较少。因此，对砂质黄土的强度特性进行试验研究，为实际工程提供参考和指导有重要的意义。
1材料和方法
1.1 材料
试验用土取自工程现场，现场测得其天然含水率为6.3%，干密度为1.4～1.6g/cm3，土样呈褐黄色，质地均匀。该土的最优含水率为12%，最大干密度为1.81g/cm3，其物理性质指标见表1。
由表1可看出，黄土的颗粒成分中砂粒及粉粒占据很大比例，使得该黄土具有较大的干密度和较小的孔隙比，以及较好的透气性和透水性，所以该黄土具有较低的天然含水量。
表 1 土的基本物理性质
1.2制样及试验方法
首先在105℃下烘干土样，待冷却后，将烘干的土样，碾碎过0.5mm筛，在筛后土样采用喷壶喷雾法配成某一含水率的散土，装入塑料密封袋静止48h。制样器前，将配置的散土搅拌均匀后过2mm土工筛，以免形成较大的颗粒聚集体。
根据土的基本性质，制备了相同干密度1.5g/cm3的3种不同含水率（6%，10%，15%）的重塑试样，共9个试样进行了不固结不排水剪切试验。试样制备采用特制的静压制样器，该制样器的特点是可以均匀的控制每个试样的干密度，每个试样分五层压实，每层刨毛，减小了同一组试样间密实度的差异。
不固结不排水（UU）试验[5]，采用南京智龙科技生产的全自动应变控制式三轴仪，测试不同含水率和干密度条件下非饱和黄土的抗剪强度指标。通过三轴不固结不排水试验，得到了试样在不同围压下的偏应力应变曲线，取其强度峰值（无峰值时取应变15%对应峰值为破坏标准）。仪器可自动绘制了摩尔应力圆，得出试样在不同干密度或不同含水率抗剪强度指标。
2试验结果及分析
2.1 UU剪切试验应力应变曲线特征
对相同围压下，不同含水率的应力应变曲线绘制在图1～3：
从图2～4中可以看出，在相同含水率下，围压的增大使应力应变曲线上升。在较低围压下（σ3=100kPa），应力应变曲线下降趋势较明显，6%含水率条件下，应力应变表现出弱软化型，10%至15%含水率条件下，试样的应力应变为弱硬化型，当围压大于300kPa时，试样均表现出了强硬化型。相同含水率，试样的的应力应变曲线在高围压下上升较快；在相同围压下，含水率较低的试样，应力应变曲线上升较快。在相同围压条件下，含水率越小抗剪强度峰值越大，含水率越大抗剪强度峰值越小。
2.2不同含水率重塑黄土强度包线
基于应力应变曲线，绘制不同含水率下应力莫尔圆，如图5～7所示：
图 6 15%含水率时的抗剪强度包线
将图5～图7得到的c、φ值汇总，重塑砂质黄土的粘聚力随含水率升高而降低，降低幅度很大；含水率对内摩擦角的影响不大，降低幅度较小。黄土的抗剪强度随含水率的变化明显，因此在隧道施工过程中，应主要防水治水。在施工注意预防因围岩含水率较大，开挖扰动后围压遇水软化、泥化，呈流塑状，隧道开挖后出现拱部及掌子面溜塌现象。
3 结语
通过一系列的三轴试验，可以得出以下的规律：
（1）当含水率一定时，重塑砂质黄土的抗剪强度随着围压的升高而增强，且应力应变曲线从弱硬化型向强硬化型转变；当围压一定时，抗剪强度随含水率的升高而降低。
（2）当干密度一定时，重塑砂质黄土的粘聚力随含水率升高而降低，降低幅度很大；含水率对内摩擦角的影响不大，降低幅度较小。
参考文献：
[1]张茂花，谢永利，刘保健.增湿时黄土的抗剪强度特性分析[J].岩土力学，2006（07）：1195-1200.社，2011
[2]高帅，骆亚生，胡海军，王鹏程，张帅，刘建龙.非饱和原状黄土增湿条件下力学特性试验研究[J].岩土工程学报，2015，37（07）：1313-1318.
[3]梅国雄，陈浩，卢廷浩，等.坑侧土体卸荷的侧向应力-应变关系研究[J].岩石力学与工程学报，2010，29（A01）：3108-3112..
[4]高登辉，陈正汉，郭楠，等.干密度和基质吸力对重塑非饱和黄土变形与强度特性的影响[J].岩石力学与工程学报，2017，36（03）：736-744.
[5]国家质量技术监督局.中华人民共和国建设部.GB/T50123-1999.土工试验标准[S].北京：中国计划出版社，1999.
论文作者:屈振荣
论文发表刊物:《建筑科技》2017年第21期
论文发表时间:2018/2/26
标签：黄土论文; 含水率论文; 应力论文; 强度论文; 试样论文; 应变论文; 密度论文; 《建筑科技》2017年第21期论文;