黄土的物理力学性质
§2-1 黄土的物理性质
试验用黄土采用甘肃兰（州）海（石湾）高速公路工程现场扰动土，其物理性质主要由它的物理性质指标来体现，其物理性质指标主要有：孔隙率、天然含水量、容重和液塑限等。
由于黄土的生成与存在条件比较特殊，它的孔隙率比普通土的孔隙率要大。一般黄土中存在肉眼易见的孔隙，这些孔隙多为铅直圆孔，这类孔隙通称为大孔隙。大孔隙比例的多少在一定程度上决定了黄土湿陷性的大小，大孔隙多的黄土湿陷程度大；反之则小。
试验所用黄土的天然含水量很低，一般在10％以下。含水量在剖面上的变化与黄土层的厚度和埋藏深度没有直接关系。黄土的容重、比重取决于黄土的矿物成分、结构和含水量，而黄土的颗粒分散度、矿物成分、形状和弹性在一定程度上决定了黄土的液塑性。
黄土的物理性质随成岩时代、成岩地区的不同而表现出一定的差异。为了得到该黄土的物理性质，我们根据《公路土工试验规程》（JTJ 051-93）的要求，分别采用联合液塑限仪、烘箱和重型击实等方法进行了有关指标的测定，测定结果如表2-1所示。
黄土的物理性质 表2-1
界限含水量 | 压实度 | 比重 （g/cm3） | ||||
液限 | 塑限 | 塑性指数 | 液性指数 | 最佳含水量 （%） | 最大干容重（g/cm3） | |
26.70 | 17.65 | 9.05 | 0.287 | 12 | 1.82 | 2.70 |
一．主要成分分析
组成黄土的矿物约有60种，其中轻矿物（d﹤0.005mm）含量占粗矿物（d﹥0.005mm）总量的90%以上。黄土中粘土矿物（d﹤0.005mm）以不同的方式同水和孔隙中的水溶液相互作用，显示出不同的亲水性，故粘土矿物的成分和比例，在某种程度上体现了黄土的湿陷性。
水溶盐的种类和含量与黄土的湿化、收缩和透水性关系密切，直接影响着黄土的工程性质。
水溶盐包括易溶盐、中溶盐和难溶盐三种。易溶盐（氧化物，硫酸镁和碳酸钠）极易溶于水或与水发生作用。它的含量直接影响到黄土的湿陷性。
中溶盐（石膏为主）的存在状态决定其与水的作用情况。以固体结晶形态存在时，溶解性小，但当以次生结晶细粒分布于孔隙中时，易溶解，在这种情况下，会对黄土的湿陷性有一定的影响。
难溶盐（碳酸钙为主）在黄土中既起骨架作用，又起胶结作用，这取决于其赋存的状态。当碳酸钙遇到CO2和H2CO3时溶解，溶解后的阴离子与颗粒表面的阳离子发生交换。当碳酸钙呈现固体结晶状时，是土体骨架的一部分。当它以薄膜状分布或与粘土一起构成次生团粒时，起胶结作用。一般来说，碳酸钙的含量大时，土的强度高。
黄土中的有机质表面能大，持水性强，它以聚集于大孔孔壁或分散于粘粒中形态存在，当其呈分散分布时，构成土的胶结成分，受水浸湿时，会吸收大量水分，而使土崩解。
二．颗粒组成
一般黄土的颗粒组成有两个特点，即小于0.25mm颗粒占绝大多数，且以粉粒（0.005~0.05）
为主。用乙种比重计法对本文试验所用的土质进行颗粒分析，其颗粒分析结果见表2-2。
黄土颗粒组成 表2-2
粒组 （mm） | 各级颗粒（mm）含量百分数（％） | |||||
1—0.25 | 0.25—0.05 | 0.05—0.01 | 0.01—0.005 | 0.005—0.001 | <0.001 | |
含量 （％） | 0.001 | 3.47 | 29.65 | 16.22 | 10.71 | 39.94 |
三．压实黄土的微观结构特性
原状黄土是自然历史的产物，它是在一定历史时期内经过了各种复杂作用后形成的，而压实黄土是利用人为的方法，将原状黄土经过粉碎，过筛，加水重塑，击实而成，因此，击实后的黄土改变了土的原始结构，具有独特的结构特征。
公路工程中的路基一般为压实土，为了进一步了解路基土体的结构，下面我们就介绍压实黄土的微结构特性。
黄土的结构性是指黄土的骨架颗粒成份、形态、排列方式、空隙特征、胶结物种类以及胶结程度等对黄土的工程性质的影响，组成原状黄土颗粒的成份主要是单个的粉粒和由粘胶微细碎屑胶结成的集粒，除此之外,还有少数片状和棒状颗粒.这些单个的颗粒和集粒一般是颗粒间点接触，但也有少数的面胶结接触方式.黄土中的空隙包括根洞、虫孔、裂隙之类的大空隙，骨架颗粒相互支架构成的中空隙；以及粘粒间的空隙，和存在于土体内起骨架作用的集粒内的空隙构成黄土中的微空隙。黄土中颗粒的胶结物一般为碳酸钙，石膏为集粒内部的胶结物。
1．骨架颗粒的接触关系
在扫描电镜下观察，黄土由结构单元(单矿物、集合体和凝块)、胶结物（粘粒、有机质和碳酸钙）和空隙（大孔隙、架空孔隙、粒间孔隙和粒内孔隙）三部分组成。从空间结构体系的力学强度和稳定性角度分析，构成黄土结构体系的支柱是骨架颗粒。骨架颗粒形态表征传力性能和变形性能，其连接方式直接影响着黄土结构体系的胶结强度。黄土的骨架颗粒主要是大于0.005mm的碎屑颗粒。骨架颗粒的存在状态及相互关系决定着黄土的工程性质，如：黄土的湿陷性和压缩性。
压实黄土的骨架颗粒的接触关系主要有三种，即镶嵌接触、支架接触和分散分布。这三种接触关系的分配比例随黄土的压实度和含水量的变化而变化。
镶嵌接触是指骨架颗粒相互交叉，紧密堆积，呈犬牙交错的镶嵌状，形成缝隙粒间的小孔隙，其接触形式为点-面、线-面和面-面，故接触面积较大。支架接触是指骨架颗粒松散堆积，往往形成粒间的大孔隙，其接触形式为点-点、点-线和点-面，故接触面积较小。分散分布是指矿物颗粒间基本上互不接触，呈分散状。
2．骨架颗粒的连接方式
黄土中骨架颗粒的连结是控制土体强度和工程性质的主要因素之一，它是通过粘粒物质的胶结作用来实现的。在扫描镜下观察，土体的骨架颗粒存在三种连结形式，即小桥连结、焊接连结和嵌埋状连结。小桥连结是由颗粒较大的骨架间接触形成的一种特殊小桥状态，这种连结因含粘结相较少，故其间的化学键力和重力很微弱，它的强度主要来源于外部压力所产生的有效应力。焊接连结是因粘结相含量较多，在颗粒接触处聚集着较多的胶结材料，对骨架颗粒起着焊接作用，这种连接强度一般较牢固。骨架颗粒被粘结相包围，粒间连结完全靠粘结相，这形成了嵌埋状连结，其连结强度由粘结相的连结强度决定，故这种连结强度最大。
3．黄土的孔隙
黄土中的孔隙类型和分布情况是影响土体工程性质的又一主要因素。原状土的孔隙率一般比较大，经过压实后，土的孔隙所占比例会有所减小。根据孔隙的大小、形状及与骨架颗粒排列的方式，土中孔隙可分为大孔隙、架空孔隙、粒间孔隙和粒内孔隙。架空孔隙是由一定数量的骨架颗粒松散堆积，相互支架构成的孔隙，该孔隙较大，连通性好，易透水，故该类型的孔隙直接影响着土的湿陷、压缩等性质。粒间孔隙是指颗粒交错排列所形成的缝隙，该孔隙较稳定。大孔隙是由碳酸钙胶结形成的空隙，结构稳定。
从有关试验中发现，不管压实度多大，孔隙总是存在，但在一定含水量条件下，压实度越大，孔隙所占体积比例有所减小。
§2-2 黄土的主要力学特性
一．原状黄土的力学性质
原状黄土的力学性质主要包括压缩性、湿陷性和抗剪强度。
1．压缩性
压缩性是在外荷作用下，地基土产生的压缩变形的大小。
现在，一般应用压缩系数α、压缩模量Es、压缩指数Cc等作为压缩性
质指标。
α=(e1﹣e2)/(p2﹣p1) (2-1)
Es=（1+e1）/α (2-2)
式中，p2、p1——荷载（Kpa）；
e1、e2——分别为在荷载p1、p2作用下，压缩稳定后的孔隙比。
2．湿陷性
黄土的湿陷变形具有突变性、非连续性和不可逆性。为了反映黄土湿陷程度的大小，我国采用湿陷系数δs来体现湿陷变形的特性。
湿陷系数δs是单位厚度土体在土自重压力或自重压力与附加压力共同作用下受水浸湿后所产
生的湿陷量。
(2-3)
式中，hp—土样在压力p作用时下沉稳定后的高度（cm）。
hp′—土样在压力p作用稳定后的土样，在浸水作用下，下沉稳定后的高度(cm)。
hp—土样原始高度（cm）。
ep—土样在压力p作用时下沉稳定后的孔隙比。
ep′—土样在压力p作用稳定后的土样，在浸水作用下，下沉稳定后的孔隙比。
e0—土样原始空隙比。
湿陷系数的大小反映了黄土对水的敏感程度。湿陷系数越大，表示土受水浸湿后的湿陷量越大，因而对工程的危害性也越大。目前，常采用的试验方法有单线法和双线法。
3．抗剪强度
土的抗剪强度是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力。
在工程中，一般应用饱和土的强度理论公式，即库仑理论。
τf=c+σtgψ (2-4)
式中，τf—剪应力（kpa）；
σ—法向应力（kpa）；一个土一个于
c—土的粘聚力（kpa）；
ψ—土的内摩擦角。
土的抗剪强度是一个受诸多因素控制的指标，迄今为止，库仑理论仍然是描述其特性的最为合理的实用理论。压实黄土路基填土，其饱和度多数在65％～80％之间，实际上仍处于非饱和状态，严格意义上应采用非饱和土的强度理论。
非饱和土的抗剪强度可用独立的应力状态变量来表示。已经证明应力状态变量（σ－Ua）和（σ－Uw）是实际应用最有利的组合，也可用（σ－Ua）和（Ua－Uw）两个应力变量来表示。其表达式分别如下：
（2-5）
（2-6）
式中，τff—破坏时土的抗剪强度；
cˊ—有效粘聚力，莫尔－库仑破坏包线的延伸与剪应力轴的截距；
φˊ—与净法向应力状态变量（σ－Ua）f有关的有效的内摩擦角；
φb—抗剪强度随基质吸力（Ua－Uw）f而增加的速率；
φ′′—与基质吸力和应力状态变量有关的摩擦角；
（σ－Ua）f—破坏时在破坏面上的净法向应力；
（Ua－Uw）f—破坏时在破坏面上的基质吸力；
（σf－Uw）f—破坏时在破坏面上与孔隙水压力有关的净法向应力；
σf—破坏时在破坏面上的总应力；
Ua—破坏时在破坏面上的孔隙气压力；
Uw—破坏时在破坏面上的孔隙水压力。
二．压实度对黄土力学性质的影响
为了改善天然土的工程性质，在工程中常采用压实的方法使土颗粒重新排列压实变密，以获得新的结构强度。在实际施工时，路基的压实度有时达不到95%的规范要求。而对于压实土，压实度的大小对其力学性质有很大的影响。
按照《公路土工试验规程》要求，将土样风干、碾压、过筛后，按最佳含水量（12%）将土击实成压实度75%，80%，85%，90%，95%的土样，进行土的固结、湿陷试验。
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