第３３卷第２期 ２０１４年６月 成都大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） ＶＯ１－３３ ＮＯ．２ Ｊｕｎ．２０ｌ４ 文章编号：１００４—５４２２（２０１４）０２—０１９０—０４ 黄土反压饱和法及其在动强度 试验中的应用研究 郭斌，裴向军，张晓超，徐敏 ６１００５９） （成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都摘要：在黄土动参数研究中，黄土的饱和度是极其重要的影响因素之一．黄土具有结构性和湿陷性，不容易 达到较高饱和度，并且饱和时间不宜过久．饱和黄土动三轴试验中，黄土的饱和度及饱和时间会对实验结果产 生重要影响．以美国Ｍｒｓ ８１０土动三轴试验机为实验平台，进行黄土反压饱和法实验．探究黄土饱和过程中孔 隙水压力与孔隙水压力系数Ｂ值、Ｂ值与饱和度之间的关系．研究表明：运用反压饱和法，可以在２～３ ｈ内使原 状黄土达到极高的饱和度；试样饱和度达到８ｏ％一１００％时，饱和度与孔压系数Ｂ值呈指数函数关系，Ｂ值达到 ０．８５可以认为试样达到完全饱和；饱和度与抗剪强度之间存在线性关系，与达到破坏时的轴向应力峰值存在线 性关系． 关键词：原状黄土；饱和度；反压饱和法；孔隙水压力系数 中图分类号：ＴＵ４１１．５ 文献标志码：Ａ ０概述 在计算机上设定试验程序指令．实验数据由计算机 采集，最后的数据整理、绘图亦通过系统辅助软件由 计算机完成． １．２试样 黄土具有多孔隙、弱胶结的特点，其颗粒成分以 粉粒为主，砂粒和黏粒含量较少，且具有特殊的微结 构特征【１］．黄土饱和与砂土饱和有巨大的差异：首 试验所用土样均取自宁夏固原市西吉县党家岔 先，黄土中存在封闭的孔隙，水不易进入，使黄土很 滑坡后壁，场地地层主要为Ｑ４马兰黄土，特征典型 且具有代表性．试验样品为原状黄土，规格为直径 ５０ ｍｍ，高度１００ ｎ衄的标准试样，其基本物性指标 如表ｌ所示． 表１实验黄土基本物性指标 难达到较高的饱和度；其次，黄土存在大量架空孔 隙，长时间浸泡容易导致湿陷性变形；再次，黄土颗 粒间主要由碳酸钙和易溶盐胶结而成，浸水时间过 长会导致碳酸钙和易溶盐大量溶解，降低土体强 度 】．饱和度对于土体抗剪强度等动参数有着巨大 的影响，在自然条件下，黄土很难达到１００％的饱和 度．对此，众多学者对其进行了研究，并取得了大量 成果Ｌ３－９］．本研究在反压饱和法基础上，分析黄土饱 和度与孔隙水压力系数Ｂ值以及土体动强度的关 系，寻求一种更合理判定黄土饱和的标准，拟为进一 １．３方法 步研究黄土动参数奠定基础． 本研究经过多次反复尝试，选用反压饱和法进 行试验．在此基础上，试验中使用真空泵在保证较低 负压、不破坏黄土试样结构的条件下，对试样进行抽 气处理，尽量缩短饱和时间，避免黄土长时间浸水出 现湿陷，进而影响土体强度．饱和固结完成后，对试 样进行动三轴随机荷载试验，得到饱和试样动强度． １仪器、试样和方法 １．１仪器与数据处理 试验使用美国ＭＴＳ ８１０土动三轴试验机双向电 液伺服材料测试系统．试验时，根据试验要求和步骤 收稿日期：２０１４—０４一Ｏ１． 基金项目：中国地质调查局科研计划（１２１２０ｌ１１４０ｏ０５）资助项目． 作者简介：郭斌（１９８９一），男，硕士研究生，从事地质灾害与地质环境保护研究． 第２期 郭斌，等：黄土反压饱和法及其在动强度试验中的应用研究 ．１９１． ２水压力系数Ｂ值与含水率、饱 口度关系 ２．１孔隙水压力系数Ｂ值、反压与孔隙水压力 反压试验分９级加载，初始围压２０ ｋＰａ，从开始 施加反压到饱和完成大约需要１８０ ｍｉｎ，根据试样个 体差异，时间上下浮动在２０ ｍｉｎ左右．孔隙水压力 系数Ｂ值反映了孔隙水压力对围压变化的响应，也 能够有效地反应饱和程度．Ｂ值曲线随着时间和反 压的增大逐渐趋于平缓，随着反压的增大，孔隙水压 力逐渐上升，孔隙中空气逐渐被压缩并且溶于水中， 黄土具有疏松多孔的性质，根据ＳＥＭ电镜试验 测得原状黄土大中孔隙约占总孔隙体积的８０％左 右，单纯水头饱和可以使水充满大中孔隙，使饱和度 达到８０％左右，但却很难进入微小孔隙，需要利用 反压将孑Ｌ压提高，使残留的空气溶解在水中． 为了加快饱和速度，将试样装入试验机后，采用 饱和度升高．当孔隙水压力上升到较高水平，孔隙中 空气的压缩性逐渐降低，溶解度增大，饱和速率变 较低扬程的真空泵对试样进行３０ ｍｉｎ左右抽真空 处理，在不影响试样结构的前提下，在试样内形成负 压，以加快饱和速度．抽气完毕后，施加２０ ｋＰａ围 压，同时打开阀门，利用１ ｍ水头使脱气纯水从试样 底部流人，５ ｍｉｎ内可以使脱气水从顶部流出，关闭 阀门，开始施加反压．围压和反压之间的压力差控制 在２ｏ ｋＰａ左右，防止试样因膨胀破坏结构［１。。．由于 孔隙水压力系数Ｂ值（ＡＵ／，￣ ）是围压上升时引起 的孔压增量与围压增量之比，保持围压和反压之间 的压力差恒定有助于得到更可靠的Ｂ值．围压和反 压逐级缓慢施加，防止出现体积变化或出现附加有 效应力．每一级增加３０ ｋＰａ，等待试样内部孔压充 分均匀，即关闭反压阀门后孔压无变化，测量Ｂ值， 然后继续施加下一级反压，直到Ｂ值达到０．８５以上 为止．孑Ｌ隙水压力系数Ｂ值和孔隙水压力的实时曲 线及反压关系如图１、２所示． 图１孔隙水压力系数Ｂ值和孔隙水压力的实时曲线 １，Ｏ ｎ８ Ｏ＿６ 趔 ∞＾‘ ０，２ ０Ｏ ０ ＂ｔＯＯ 枷 ３ＯＯ 反压／ｋＰａ 图２孔隙水压力系数Ｂ值与反压的关系曲线 慢，饱和度持续上升． ２．２孔隙水压力系数Ｂ值与饱和度关系 在饱和过程中，当孔隙水压力系数Ｂ值分别稳 定的达到０．２，０．４、０．５、０．６５、０．８５时终止饱和，取出 试样，测得含水率并计算得到饱和度（见表２），孑Ｌ隙 水压力系数Ｂ值与饱和度曲线如图３所示． 表２试样含水率饱和度 图３饱和度一孔隙水压力系数Ｂ值关系曲线 采用Ｏｒｉｇｉｎ软件对所得曲线进行多次拟合，发 现曲线与指数函数模型拟合效果良好， ．ｓ，＝ｅ４．珊枷＿ 枷・ ”～，Ｒ ＝０．９８ （１） 式中，Ｊｓ，为试样饱和度， 为孔隙水压力系数Ｂ值． ３饱和度对强度参数的影响 ３．１饱和度对抗剪强度的影响 根据孔隙水压力系数Ｂ值控制不同饱和度条 件，试验完成饱和固结后，进行土动三轴随机荷载试 验，分别在１００ ｋＰａ、１５０ ｋＰａ、２００ ｋＰａ ３种围压条件下 进行．同一围压下各个试样施加相同幅值的荷载，根 据所得数据绘出摩尔一库伦强度包络线，得到黏聚 ・ １９２・ 成都大学学报（自然科学版） 第３３卷 力Ｃ和内摩擦角 与饱和度关系如图４所示． 同幅值的随机荷载，试样对荷载的动力响应随饱和 图４饱和度与抗剪强度参数关系曲线 采用Ｏｒｉｇｉｎ软件对曲线进行多次拟合，发现Ｃ， 与饱和度线性关系良好， 【 ２０８ ： 二。２７１１ ０ ０８５２ Ｓ ，Ｒ２＝０．９一 ＝ ． 一． ・８， 式中，Ｃ为黏聚力， 为内摩擦角，．ｓ 为试样饱和 度． 黏聚力ｃ和内摩擦角 是控制土体抗剪强度 的重要状态参数．试验数据表明，黏聚力ｃ随着饱 和度的升高呈线性下降趋势，因为黄土具有大孔隙， 弱胶结的性质，黏聚力主要来自于颗粒间的胶结力， 胶结物质主要是黏土矿物，碳酸钙，水溶盐类和腐殖 质㈨． 根据离子浓度实验，随着饱和度的上升，黄土离 子浓度变化如表３所示． 表３离子浓度变化 试验数据表明，随着饱和度的升高，黄土中的钙 离子和镁离子浓度都大幅上升，说明溶解在水中的 碳酸钙和水溶性盐类也都随之增长，大量胶结物溶 解导致胶结强度大幅降低，进而导致黏聚力ｃ明显 下降．根据拟合曲线，当含水率达到１００％时，黏聚 力会降低到０． 内摩擦角 的反映了土体的摩擦特性，其主要来 自于土颗粒的表面摩擦力和土颗粒之间嵌人连锁而产 生的咬合力，饱和度的升高对于土颗粒影响较小． ３．２饱和度与轴向应力峰值关系 在相同围压条件下，对不同饱和度试样施加相 度变化如图５所示． 四 凸一 ＼ ｂ Ｒ 叵 暴 图５ ２００ ｋＰａ围压条件下轴压一应变关系曲线 试验数据表明，孔隙水压力系数Ｂ值越高，即 饱和度越高，在同一荷载作用下的轴向应力峰值就 越小，变形就越大，更容易被破坏． 图６是不同饱和度条件下轴向应力峰值变化． 曼 ＼ 趔 篁｝ 匠 察 图６轴向应力峰值一饱和度关系曲线 试验表明，随着饱和度升高，触发液化破坏时所 需的荷载峰值就越低．采用Ｏｒｉｉｇｎ软件对其进行多 次拟合发现，两者存在指数函数关系， ＝４７５．０７８４—１．４０７２。Ｓ ，Ｒ 一；Ｏ．９９ （３） 式中， 为轴压峰值，．ｓ，为试样饱和度． ４结语 根据试验数据和结论，ＭＴＳ平台原状黄土反压 饱和建议为：饱和前采用低扬程真空泵抽气处理３Ｏ ｍｉｎ，以缩短饱和时间；施加反压之前采用１ ｍ水头 对试样进行水头饱和，直到脱气水从顶部流出；应严 格控制饱和时间和孔隙水压力系数Ｂ值，二者都对 试验结果产生极大影响． 孔隙水压力系数Ｂ值与饱和度之间存在指数 函数关系，当Ｂ值达到０．８５时可以认为试样达到完 全饱和．通过Ｂ值可以比较准确地得出试样饱和 第２期 郭斌，等：黄土反压饱和法及其在动强度试验中的应用研究 ・１９３・ 度，且通过控制Ｂ值可以对试样的饱和度进行控 制，对于土动三轴实验控制条件相同具有意义．具体 饱和标准还有待进一步探究． 饱和度对于黄土抗剪强度有巨大的影响，在较 ［３］王华山，阎明礼．利用二氧化碳和施加反压饱和砂样的液 化试验［Ｊ］。岩土工程学报，１９８５，７（１）：５５—６０． ［４］王兰民，刘红玫，李兰，等．饱和黄土液化机理与特性的试 验研究［Ｊ］．岩土工程学报，２ＯＯＯ，２２（１）：９２—９ｒ７． 高饱和度条件下，黏聚力Ｃ和内摩擦角 都和饱和 度存在线性关系，随着饱和度的升高，Ｃ和 都随 之降低，ｃ受到饱和度影响较大，变化较快， 值受 影响较小．饱和度对于黄土液化有巨大影响，饱和度 越高，孔压上升越快，触发液化破坏所需的动荷载峰 值越小，越容易达到液化． ［５］杨振茂，赵成刚，王兰民，等．饱和黄土的液化特性与稳态 强度［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２ＯＯ４，２３（２２）：３８５３—３８６０． ［６］杨振茂，赵成刚，王兰民．饱和黄土液化的试验研究［Ｊ］． 岩石力学与工程学报，２００５，２４（５）：８６４—８７１． ［７］王峻，王兰民，王平，等．不同地区饱和黄土液化特性研究 ［Ｊ］．水文地质工程地质，２０ｌ１，５５（５）：５４—５７． ［８］孙海妹．兰州黄土液化特性的试验研究［Ｄ］．兰州：中国地 震局兰州地震研究所，２ｏ０９． ［９］孙海妹，王兰民，刘红玫，等．原状黄土的反压饱和法试验 参考文献： ［１］王兰民．黄土动力学［Ｍ］．北京：地震出版社，２００３． 研究［Ｊ］．防灾减灾工程学报，０１２０，３ｏ（１）：９８—１０２． ［１０］刘崇权，汪稔，吴新生．钙质砂物理力学性质试验中的几 个问题［Ｊ］．岩石力学与工程学报，１９９９，１８（２）：９１—９４． ［２］王平，王谦，王兰民，等．黄土室内液化试验饱和方法的研 究现状及前景展望［Ｊ］．世界地震工程，２０１１，２７（４）：８６— ９０． ［１１］刘祖典．黄土力学与工程［Ｍ］．西安：陕西科学技术出版 社．１９９７． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌｏｅｓｓ Ｂａｃｋ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｔｅｓｔ ＧＵＯ Ｂｉｎ，ＰＥＩ Ｘｉａｎ￣ｕｎ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏｃｈａｏ，ＸＵ Ｍ／ｎ （Ｔｈｅ Ｓｔａｔｅ 雠Ⅲｙ ０ｆ ｃｅ Ｐｒｅｖｍｔｉｍ ａｎｄＧｅｏｅｎ￣ ∞，（】１ｅｆｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｔ￣．ｈｎｏｌｏｇｙ，（】１哪 ６１００５９，Ｇａｉｎｓ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｉｓ ａ ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｌｏｅｓｓ ｄｙｎａｍｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｌｏｅｓｓ ｈａｓ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｃｏｌｌａｐｓｉｂｉｌｉｔｙ，ｓｏ ｌｏｅｓｓ ｃａｎｎｏｔ ｂｅ ｓｏａｋｅｄ ｉｎ ｗａｔｅｒ ｆｏｒ ａ ｌｏｎｇ ｔｉｍｅ．Ｉｎ ａｄｄｉｉｔｏｎ， ｌｏｅｓｓ ｃａｎｎｏｔ ｒｅａｃｈ ａ ｈｉｇｈ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ．Ｉｎ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｔｒｉａｘｉａｌ ｔｅｓｔ ｏｆ ｓａｔｕｒａｔｄ ｌｅｏｅｓｓ，ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｏａｋｉｇ ｎｔｉｍｅ ｈａｖｅ ａｎ ｅｎｏｒｍｏｕｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｈｅ ｅｘｐｅｒｔｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔａｋｉｇ ｔｎｈｅ ＭＴＳ ８１０ ａｙｎａｍｉｅ ｔｒｉａｘｉａｌ ｔｅｓｔｉｇ ｎｍａｃｈｉｎｅ ａｓ ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｐｌａｔｆｏｒｍ．ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｂａｃｋ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓａｔｕｌａｄｏｎ ｍｅｔｈｏｄ． ｉｓ ｐａｐｅｒ ｅｘｐｌｏｒｅｓ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ａｍｏｎｇ ｐｏｒｅ ｗａｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｐｏｒｅ ｗａｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｄｕｒｉｇ ｎｈｅ ｓｔａｔｕｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ．，Ｉｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｈａｔｔ ｕｎｄｉｓｔｕｒｂｅｄ ｌｏｅｓｓ Ｃａｎ ｅａｃｈ ｒｈｉ ｇｈ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｗｉｈ－ｔ ｉｎ ２—３ ｈｏｕｒｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｈｅ ｂｔａｃｋ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ．Ｗｈｅｎ ｈｅ ｓｔａｔｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅ ｔｓａｍｐｌｅ ｉｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ８０％一１００％，ｔｈｅ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｈａｓ ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｗｉｈ ｔｔｈｅ ｃｏｅｆｉｃｉｆｅｎｔ ｏｆｐｏｒｅ ｗａｔｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ．Ｗｈｅｎ ｈｅ ｃｏｔｅｆｉｃｉｅｎｔ ｒｅａｃｈｅｓ Ｏ．８５．ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｌｏｅｓｓ ｃａｎ ｂｅ ｆｕｌｌｙ ｓａｔｕｒａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅ ｉｓ ａ ｌｉｎｅａｒ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓａｔｕｒａｉｔｏｎ ａｎｄ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎ＃．Ｔｈｅｒｅ ｉｓ ａｌｓｏ ａ ｌｉｎｅａｒ ｒｅｌａｔｉｏｓｎｈｉｐ ｂｅｗｅｔｅｎ ａｓｕｔｒａｔｉｏｎ ｎｄ ａｐｅａｋ ｓｔｒｅｓｓ ｆｏ ｔｒｉｇ— ｇｅｒｉｇ ｌｉｑｕｅｆｎａｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕｎｄｉｓｔｕｒｂｅｄ ｌｏｅｓｓ；ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ；ｂａｃｋ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ；ｃｏｅｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｐｏｒｅ ｗａｔｅｒ ｐｒｅｓ— ＳＩ】Ｔ．ｅ