中铁工程设计咨询集团有限公司 北京 100055
摘要：为研究非饱和湿陷性黄土的工程力学性质，评估黄土隧道基底稳定性，通过相关试验，分析了黄土作为隧道基底的基本物理力学性质，研究了不同压实度、含水率条件下黄土的强度与变形特性。研究表明：湿陷性黄土易于压实，压实后空气容积率接近黏性土的空气体积率，残余变形能得到有效控制。最优含水率条件下，压实度k≥0.95的黄土变形呈软化特征；k≤0.93的黄土，围压较低时，变形为软化型；围压较高时，变形为硬化型。围压越高，含水率越大，压实系数越小，则试样塑性越明显。黄土的内摩擦角、粘聚力与压实度正相关，与含水率负相关，可用y=A ln（x）+B较精确的拟合。
关键词：湿陷性黄土；强度；变形；密实度；含水率；隧道桩土复合基底；极限强度
Effects of water content and compaction coefficient on mechanical behaviors of collapsed loess
KANG Ye
RAILWAY ENGINEERING CONSULTING GROUP CO.,LTD.，Beijing 100055
Abstract：In order to study the engineering mechanics behavior of unsaturated collapsible loess and to evaluate stability of loess tunnel base, the basic physic-mechanical properties of loess were analyzed in the experiments, the strength and deformation behaviors of disturbed loess with different water content and compaction coefficient were studied. Conclusions indicate the loess is easy to compacted, compacted loess has the same volume ratio of air with cohesive soil, and residual deformation can be contained. For specimens at optimum water compactness higher than 95%, the deformation character is softening. For specimens at optimum water compactness lower than 93%, the deformation character is softening in the case of low confining pressure, however it is hardening in the case of high confining pressure. For specimen with higher water content, higher confining pressure and lower compactness, the plastic deformation is more significant. There is positive correlation between internal friction angle, cohesionand degree of compaction, but negative correlation between internal friction angle, cohesion and water content. And the relationship can be fitted with y=A ln（x）+B.
Key words：collapsed loess; deformation; strength; water content; compactness; tunnel composite substrate
1 引言
黄土是指粒径介于粘土与细砂之间，范围为>0.005毫米～<0.05毫米的陆相黄色粉砂质土状堆积物，其颗粒之间结合不紧，孔隙度一般在40%～50%。其颗粒组成以粉粒为主，其含量可以达50%以上。在我国，湿陷性黄土主要分布在北纬30°～48°间自西而东的条形地带上，面积约64万平方公里，其中山西、陕西、甘肃等省，是典型的湿陷性黄土分布区。
我国黄土覆盖地区广，占全国土地面积的6%，工程建设不可避免的要在湿陷性黄土地基上进行。工程实践表明，湿陷性黄土具有特殊的工程性质及遇水湿陷性，从而导致湿陷性黄土地基出现各种各样的工程问题。
本文鉴于郑西客专及其他黄土区隧道基底所出现的地基不均匀沉降、坍塌和陷穴等工程病害，以新建大准至朔黄铁路联络线项目工程柳条山隧道基底湿陷性黄土为研究对象，通过室内击实与三轴试验，分析研究了湿陷性黄土的隧道基底工程力学性质，为新建大准至朔黄重载铁路联络线柳条山隧道基底加固处理提供理论依据与参考。
2 黄土的基础试验
2.1 基本化学物理性质
新建大准至朔黄铁路联络线项目工程柳条山隧道位于山西省朔州市平鲁区，为典型黄土浅埋隧道，全长2315米。隧道进口段洞身全部位于II级湿陷性砂质黄土内，为典型的非饱和超固结土，具有湿陷性和结构性，湿陷系数为0.015～0.043，湿陷层厚度为3～9m，影响至隧道基底以下10m，泥质具弱膨胀性，开挖后易发生坍塌和滑坡等现象，基底易发生不均匀沉陷，其他地段洞身位于灰岩夹泥岩中，岩石上覆砂质黄土。最小埋深为12m，最大埋深为72m。
试验用试样取自于柳条山隧道进口段基底。所采集土样呈浅黄色，质地坚硬，土质较均匀，具有明显孔隙。通过基本物理力学实验分析得出本采样点原状黄土具有如下物理力学参数，见表1。
3 重塑黄土压实度、含水率对变形及强度的影响规律
剪切破坏是湿陷性黄土最常见的破坏形式，为了模拟其剪切破坏，同时考虑具体工程特点，以研究不同含水率、不同密实状态下黄土地基的力学性质变化规律，进行了室内三轴压缩试验，所采用的实验仪器为TSZ-1全自动三轴仪，设定的试样含水率分别为12.5%、14.5%、16.5%最优含水率附近三组，压实系数分别设置为0.92、0.93、0.95、0.97等四组，分别进行不固结不排水（UU）试验。试样含水率通过制备最优含水率条件下的试样，对试样反压饱和与补水增湿等方式实现，试样压实度则通过试样干密度进行控制。除了上述因素之外，还必须考虑围压对黄土力学性质的影响，因此每一组试验分别设置了4组不同的围压，分别为50kPa、100kPa、200kPa及500kPa，试验总共制备试样约50个。
3.1 湿陷性黄土的变形性质
图2为不同压实度条件下，最优含水率 附近、不同围压状态下，试样的变形特性对比曲线。图2中四幅图分别对应于围压为50kPa、100kPa、200kPa、500kPa条件下，黄土试样应力-应变关系曲线，其中每条曲线对应于某一压实系数。
分析曲线可知，压实度对非饱和湿陷性黄土的应力-应变关系及破坏形式具有明显影响，任一围压水平下，压实度大的土样在应力-应变曲线上具有明显的峰值强度，并且高于压实度较小的情况。压实度k=0.97、0.95的土样，在围压介于50kPa-500kPa之间的情况下，均具有明显的峰值强度，应力-应变曲线具有软化性特点，土样的破坏形式为脆性破坏；该规律在围压水平越低时，表现得越明显，即土样的残余强度相比峰值强度降低更明显，而围压水平较高时，峰值强度与残余强度相差较小。所以，可总结得出：低围压水平情况下，具有较高压实度的非饱和重塑湿陷性黄土塑性较差，此时土体的破坏形式更倾向于脆性破坏，此外，密实度较高的非饱和重塑湿陷性黄土具有一定程度的剪胀性。图2还可知，在最优含水率条件下，土体压实度k≤0.93时，当围压处于较低水平50kPa-100kPa时，土样应力-应变曲线同样存在峰值强度，为软化变形曲线；当围压处于较高水平200kPa-500kPa时，则土样应力-应变曲线不存在峰值强度，为硬化变形曲线。围压越高，压实系数越小，则试样的强化特性越明显。
低围压50kPa时，压实度k=0.97的土样应变软化，发生脆性破坏；压实度k=0.92的土样应变软化，发生脆性破坏；但压实度k=0.93、0.95的土样则属于应变硬化型。上述规律不同于一般粘性土体。由黄土本身的结构性所致，即黄土存在大孔隙结构，当压实度较大时，其大孔隙结构被破坏，孔隙被填充，容易发生脆性破坏，这种破坏同于一般粘性土。但是当压实度较低时，不足以破坏其大孔隙结构，故此时的黄土具有原始的结构强度，在加载过程中，当轴向应力达到某一值时，其大孔隙结构发生破坏，从而同样发生脆性破坏，表现为应变软化，此种脆性破坏与普通粘性土相比，本质不同。
随着围压的增加，黄土的破坏由应变软化逐渐过渡为应变强化型。高围压时，黄土的应力应变曲线呈现为应变硬化性，主要由于围压的束缚，与一般粘性土一致。
图3所示曲线分别为压实度为k=0.92、0.93、0.95和0.97，不同围压条件下，不同含水率土样的变形特性。数据表明，土样的峰值强度随着含水率的增加而明显降低，初始刚度也有减小的趋势，说明土体强度和压缩变形模量均随着土体含水率的增加而降低。
3.2 重塑非饱和湿陷性黄土的强度特性
计算各土样的抗剪强度指标内摩擦角 与粘聚力c，并绘制该指标随土样含水率w与压实度k的变化曲线，如图4。表4所示各方程为 、c与w、k之间的曲线拟合函数。对比分析图4与表4可以得到：①含水率相同的前提下，重塑非饱和湿陷性黄土的内摩擦角 、粘聚力c与压实度k之间具有的正相关性，随着土样压实度的增加，内摩擦角小幅增加，增幅小于6°，但是粘聚力则大幅增加，增幅可以达到35kPa；②压实度相同的前提下，黄土的粘聚力c、内摩擦角 与含水率w之间存在负相关性，随着含水率增加，土样的内摩擦角减小的幅度不大，降幅小于6°，但是粘聚力随着含水率的增加则大幅下降，降幅可达到60kPa；③土体增湿导致其抗剪强度降低是 与c两方面因素共同作用的结果，而不是单一的 或者c值得减小所致；④最优含水率条件下，土体虽然可以压实到最大干密度，但是土体强度不是最大，各项强度指标也不是最大；⑤ 、c随着w、k的变化趋势相反，而且当最优含水率时，土体才可能达到最大干密度，当含水率稍微降低时， 与c相应的增加，当含水率降低时，土体的干密度也会相应小于最大干密度，于是 与c值会相应有所降低，此外鉴于施工过程中土体压实到最大干密度难度较大，因此在夯实功为定值且小于最大夯实功的前提下，可以采取适当降低含水率的方式处理黄土隧道基底以确保其抗剪强度；⑥土样的内摩擦角、粘聚力与含水率、压实度之间的变化关系可以用对数函数y=A ln（x）+B较精确的拟合，相关性良好。
4 结论
通过以上试验及数学分析，可得如下结论：
（1）黄土颗粒之间结合不紧，其颗粒组成以粉粒为主，含量可达50%以上，其中粗粉粒（0.05～0.01mm）含量大于细粉粒（0.01～0.005mm）含量，根据击实试验可知故湿陷性黄土易于击实。达到最大干密度时，土体的饱和度较高、孔隙比较小。击实曲线呈现出对称特点，在最优含水率两侧，曲线均比较陡，表现出了较强的水敏性。压实后，其空气容积率接近黏性土的空气体积率，说明黄土地基压实度达到100%，其孔隙基本被填充，在上部结构物重力及列车荷载作用下，残余塑性变形能够得到有效的控制。
（2）最优含水率条件下，压实度k≥0.95的黄土，其变形呈现出软化特点，发生脆性破坏，并且压实度越高，峰值强度越大，软化特征越明显；围压越低，黄土脆性破坏特征越明显。k≤0.93的黄土，当围压处于较低水平50kPa-100kPa时，土样应力-应变曲线同样存在峰值强度，为软化变形曲线；当围压处于较高水平200kPa-500kPa时，则土样应力-应变曲线不存在峰值强度，为硬化变形曲线。说明围压越高，试样的硬化强化特性越明显。此外压实系数越小，试样的塑性越明显。
（3）非饱和重塑湿陷性黄土的内摩擦角、粘聚力与压实度正相关，粘聚力、内摩擦角与含水率负相关，其中粘聚力变化幅度较大，内摩擦角变化幅度较小。土样的内摩擦角、粘聚力与含水率、压实度之间的变化关系可以用对数函数y=A ln（x）+B较精确的拟合，相关性良好。
（4）重塑非饱和湿陷性黄土的峰值强度随着含水率增加而降低，初始刚度随之降低，说明土体强度和变形模量随含水量增加而减小，体现在两方面：屈服强度随着含水率增加而减小，对应于屈服强度的塑性变形随着含水率的增加而增加。围压越高、含水率越大，土体塑性变形越明显。随着压实度的增加，土体的软化变形特点越来越明显，即脆性变形越来越明显。
参考文献
[1]李滨,刘瑞琦,冯振,王文沛.Q3砂黄土真三轴强度变形特性研究[J].岩土力学,2013,34(11):3127-3133.
[2]马秀婷,邵生俊,杨春鸣,李小林.非饱和结构性黄土的强度特性试验研究[J].岩土工程学报,2013,35(S1):68-75.
[3]中华人民共和国铁道部．铁路隧道设计规范TB10003－2001[S]．北京：中国铁道出版社.2001.
[4]石建刚,邵生俊,陶虎,许萍.非饱和土的真三轴试验及强度变形特性分析[J].岩土工程学报,2011,33(S1):92-97.
[5]廖红建,李涛,彭建兵.高陡边坡滑坡体黄土的强度特性研究[J].岩土力学,2011,32(07):1939-1944.
[6]冯志焱,邱本胜,谢定义.黄土的三轴试验研究[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2010,42(06):803-808.
[7]黄志全,陈宇,宋日英,宋丽娟.三门峡地区黄土状粉质黏土非饱和性质试验研究[J].岩土力学,2010,31(06):1759-1762.
[8]方祥位,陈正汉,申春妮,王和文,刘厚健.原状Q_2黄土三轴剪切特性[J].岩石力学与工程学报,2008(02):383-389.
[9]李永乐,张红芬,佘小光,侯进凯,杨利乐.原状非饱和黄土的三轴试验研究[J].岩土力学,2008(10):2859-2863.
[10]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.
[11]陈正汉.重塑非饱和黄土的变形、强度、屈服和水量变化特性[J].岩土工程学报,1999(01):85-93.
[12]杨有海,王丽琴,苏在朝,柴占聪.重塑黄土的强度特性及其影响因素的研究[J].兰州铁道学院学报,2003(03):38-41.
[13]刘祖典,李靖,郭增玉,饶文英.陕西关中黄土变形特性和变形参数的探讨[J].岩土工程学报,1984(03):24-34.
[14]张苏民,郑建国.湿陷性黄土(Q_3)的增湿变形特征[J].岩土工程学报,1990(04):21-31.
[15]苗天德,刘忠玉,任九生.湿陷性黄土的变形机理与本构关系[J].岩土工程学报,1999(04):383-387.
[16]万玉珍,林德明.重塑黄土的应力－应变关系[J].岩土工程学报,1996(06):110-114.
[17]陈存礼,张登飞,董玉柱,陈惠,于佃博,薛军秀.常含水率三轴条件下非饱和原状黄土的吸力和力学特性[J].岩土工程学报,2014,36(07):1195-1202.
[18]邵生俊,许萍,王强,代亚锋.黄土各向异性强度特性的真三轴试验研究[J].岩土工程学报,2014,36(09):1614-1623.
[19]于清高,邵生俊,佘芳涛,张建辉.真三轴条件下Q_2黄土的破坏模式与强度特性研究[J].岩土力学,2010,31(01):66-70.
［20］中华人民共和国铁道部．铁路路基设计规范TB10001－2017[S]．北京：中国铁道出版社，2017.
论文作者:康烨
论文发表刊物:《基层建设》2019年第3期
论文发表时间:2019/4/19
标签：黄土论文; 强度论文; 压实论文; 含水率论文; 试样论文; 应变论文; 曲线论文; 《基层建设》2019年第3期论文;