王新刚，谷天峰，王家鼎

(西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069)



基质吸力控制下的非饱和黄土三轴蠕变试验研究

王新刚，谷天峰，王家鼎

(西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069)

针对研究区(黑方台地区)黄土的非饱和蠕变特性，采用改进型的FSR- 10非饱和三轴蠕变仪进行了基质吸力控制条件下的三轴蠕变试验，研究发现：(1)当施加的偏应力较小时，黄土的变形较小，并具有一定程度的可恢复性，随着偏应力的增加，土颗粒需经过较长的时间才能够移动到新的位置，达到新的平衡，当偏应力增加到一定程度时，颗粒移动难以达到平衡，土样发生破坏。(2)在其他条件相同的情况下，围压与试样产生的变形量呈负相关，且围压越小，变形达到稳定所需的时间也越长；(3)在围压和偏应力水平一定的情况下，土体的变形量随基质吸力呈负相关，且基质吸力越小，蠕变曲线达到稳定所需的时间越长。

基质吸力；非饱和；黄土；三轴蠕变试验

黄土滑坡、黄土路基开挖边坡失稳、黄土高填方等工程问题均与黄土的蠕变特性有密切关系[1～3]。黄土的强度和变形不仅涉及到土的饱和状态，也涉及到土的非饱和状态，黄土具有强烈的水敏性[4]，黄土地区95%以上的重大灾害与水和人类活动有关[5]，非饱和黄土的特殊内部结构和水敏性控制了各类黄土地质灾害的发生与发展[6]。Fredlund等[7]、黄润秋等[8]、Zou等[9]的研究也表明，非饱和带土体力学性质的变化对斜坡稳定性会产生重要影响，但未在黄土滑坡地区做验证工作。邢鲜丽等[10]、郭倩怡等[11]、Wen等[12]基于含水量变化对黄土强度和变形性质做了研究，而针对我国黄土的蠕变研究表明无论是Q3黄土[1]，还是Q2黄土[13]，含水量越高，其蠕变性越强。因此，考虑吸力作用的非饱和黄土蠕变特性研究具有非常重要的理论与工程实践意义[14]。

本文针对非饱和黄土，采用改进型的FSR- 60非饱和三轴蠕变仪进行了基质吸力控制条件下的三轴蠕变试验，研究了不同基质吸力、应力加载等级及围压对黄土应力- 应变- 时间关系的影响规律，分析了黄土的蠕变机理，为黄土地区非饱和黄土的蠕变力学特性提供试验积累和理论分析参考。

1 非饱和黄土三轴蠕变试验方案

1.1 试样制备

试验所用黄土取自甘肃省兰州市永靖县黑方台地区，取土深度为10 m，属Q3马兰黄土，为减少实验数据的离散性，野外取样过程中严格保持取样层位和深度的一致性。本次试验采用61.8 mm×125 mm (直径×高度) 的原状土样，制备过程中在尽量避免土样扰动的前提下利用削土刀将土样削成规定大小的圆柱体，原状土样的基本物理性质指标如表1所示。

表1 试验土样的物理性质指标

1.2 试验设备

本试验在大陆动力学国家重点实验室改进型的FSR- 60非饱和土蠕变仪上进行，为提高测量精度和长期稳定性，在FSR- 10蠕变仪基础上，新增了气压伺服控制系统，配合砝码加载方式，可以保证长时间工作时轴力、孔隙气压保持稳定，同时对传感器进行了升级，传感器精度提高至0.1%FS。

1.3 试验方案

取样位置黄土的天然含水率为6%～9%，根据这种土的水土特征曲线，天然含水量下基质吸力为90～110 kPa。黄土从天然含水量到逐渐饱和的过程，即基质吸力由天然状态逐渐降低到0的过程，因此，黄土非饱和蠕变试验研究是基质吸力从100～0 kPa的过程。为研究不同基质吸力及不同应力水平下黄土的蠕变特性，将控制在3种基质吸力下的土样分别在3种围压下对其蠕变特性进行试验。本次试验研究选取3种基质吸力分别为25 kPa，50 kPa及100 kPa。考虑到非饱和黄土层的厚度，围压分别取50 kPa，100 kPa及150 kPa。

试验采用单试件分级加载法进行加载，具体加载方式如表2所示。 本试验采用试样在1 d内的变形量小于0.01 mm作为蠕变稳定的标准[14]。为满足实验过程中稳定基质吸力的要求，需打开排水阀门，以助于试样基质吸力的调节。

表2 不同围压下法向荷载的加载方案

2 非饱和黄土蠕变试验成果分析

由于在试样过程中采用分级加载所得到的蠕变试验曲线不能直接利用，通常需要通过“坐标平移法”进行处理，即应用 Boltzmann 线性叠加原理[15]，将分级加载所得到的曲线转换成分别加载下形成的曲线，以得到蠕变曲线，进行试验成果分析。

2.1 应力加载等级对黄土蠕变曲线的影响

本文在基质吸力固定的情况下(Ua-Uw=25 kPa，50 kPa，100 kPa)，控制围压σ3为50 kPa，100 kPa和150 kPa 3种情况，施加法向荷载，不同应力加载等级下土体蠕变曲线如图1～3所示。可以看出，不同应力加载等级下黄土的蠕变曲线有以下几点特征：

(1)从曲线形状来看，当偏应力水平较低时，从变形开始到趋于稳定所需的时间很短。随着偏应力水平的升高，蠕变变形量不断增大，变形趋于稳定所需的时间也越长，应变速率的衰减也随之减缓。以基质吸力50 kPa、围压100 kPa作用下的黄土试样为例，偏应力水平在90 kPa以下时，变形在2 000 min内趋于稳定，变形量小于0.7%；偏应力水平在150 kPa以下时，变形在5 000 min内趋于稳定，变形量小于2.5%；当偏应力达到180 kPa时，变形达到稳定的时间在8 000 min以上，变形量达到约3.5%。

图1 不同应力加载等级下应变- 时间关系曲线(Ua-Uw =25 kPa)Fig.1 Strain- time curve under different stress loading levels (Ua-Uw =25 kPa)

图2 不同应力加载等级下应变- 时间关系曲线(Ua-Uw =50 kPa)Fig.2 Strain- time curve under different stress loading levels (Ua-Uw =50 kPa)

图3 不同应力加载等级下应变- 时间关系曲线(Ua-Uw =100 kPa)Fig.3 Strain- time curve under different stress loading levels (Ua-Uw =100 kPa)

(2)随着偏应力水平的逐渐增大，蠕变变形量逐级增加。在高偏应力水平作用下，部分试样几分钟内产生的变形量比低应力水平下多级累计的变形量还要多很多。以基质吸力100 kPa、围压100 kPa作用下的黄土试样为例，在偏应力水平为300 kPa时，试样5 min内变形达到0.56%，其它低偏应力水平下多级累计变形量为0.46%。

(3)当偏应力较小时，由于土体结构比较疏松，土粒间孔隙大，易发生相对滑动，在较短的时间内就能达到新的平衡，所以蠕变曲线在较短时间内就可以趋于稳定。随着偏应力的增加，土体结构不断变得密实，土粒间的摩擦力变大，土颗粒需经过较长的时间才能够移动到新的位置，达到新的平衡。当偏应力增加到一定程度时，颗粒移动难以达到平衡，土样发生破坏。

2.2 围压对黄土蠕变曲线的影响

在基质吸力固定情况下(Ua-Uw=25 kPa，50 kPa，100 kPa)，控制围压σ3为50 kPa，100 kPa和150 kPa 3种情况，逐级施加荷载，蠕变曲线如图4～6所示，可以看出黄土的蠕变曲线有以下几点特征：

(1)在相同基质吸力和相近偏应力水平下作用下，围压与试样产生的变形量呈负相关，如图4a中，围压50 kPa时最大应变为2.776%，围压100 kPa时最大应变为1.912%，围压150 kPa时最大应变为0.016%。

图4 不同围压下应变- 时间曲线(Ua-Uw =25 kPa)Fig.4 Stain- time curve under different confining pressure levels (Ua-Uw =25 kPa)

图5 不同围压下的应变- 时间曲线(Ua-Uw =50 kPa)Fig.5 Stain- time curve under different confining pressure levels (Ua-Uw =50 kPa)

图6 不同围压下应变- 时间曲线(Ua-Uw =100 kPa)Fig.6 Stain- time curve under different confining pressure levels (Ua-Uw =100 kPa)

(2)低围压作用下的土体产生的变形量较大(如图5b中，围压50 kPa时最大应变为2.424%，围压100 kPa时最大应变为0.980 21%，围压150 kPa时最大应变为0.224%)，且变形达到稳定所需的时间较长。这是由于在较低的围压下，土体周围受到的力较小，在一定外力的作用下，土颗粒易向四周移动，试样破坏后未产生明显的破坏面，以轴向的压缩变形为主，试样易发生侧向鼓胀(图7，偏应力为60 kPa,基质吸力25 kPa)，因此，其变形量相对于较大围压下要大，土体达到稳定所需的时间也越长。

图7 受压后的鼓型土样Fig.7 Bulged soil sample after pressure application (σ1-σ3=60 kPa，Ua-Uw=25 kPa)

2.3 基质吸力对黄土蠕变曲线的影响

以围压50 kPa、法向荷载100 kPa时不同基质吸力黄土的蠕变曲线为例(图8)，分析不同基质吸力对黄土蠕变特性的影响规律。

图8 不同基质吸力下应变- 时间曲线(σ3=50 kPa,σ1=100 kPa)Fig.8 Stain- time curve under different matric suction (σ3=50 kPa,σ1=100 kPa)

由图8可以看出，在围压相同和法向荷载水平一定的情况下：(1)当基质吸力较高时，土体产生的变形量较小，当基质吸力较低时，土体产生的变形量较大，即土体的变形量随基质吸力呈负相关，如基质吸力为100 kPa，最大应变量为7.048%；基质吸力为50 kPa，最大应变量为0.472%；基质吸力为20 kPa，最大应变量为0.2%。(2)当基质吸力较高时，应变达到稳定所需的时间较短，当基质吸力较低时，应变达到稳定所需的时间较长。这是因为当基质吸力较高时，土体孔隙中的含水量较低，土颗粒间的摩擦力较大，土体强度较大，因此土体变形量较小；当土体的基质吸力较低时，土体孔隙中的含水量较高，土颗粒间的有效应力减少，土体的强度降低，且土孔隙中的水对土颗粒的润滑作用减少了土颗粒间的摩擦力，促进了土体的变形，其变形量相对于基质吸力较大的土体要大，土体达到稳定所需要的时间也越长。

3 结论

(1)当施加的偏应力较小时，黄土的蠕变变形较小，并具有一定程度的可恢复性，随着偏应力的增加，土颗粒需经过较长的时间才能够移动到新的位置，达到新的平衡，当偏应力增加到一定程度时，颗粒移动难以达到平衡，土样发生破坏。

(2)在其他条件相同的情况下，围压与试样产生的变形量呈负相关，且围压越小，变形达到稳定所需的时间也越长。

(3)在围压和偏应力水平一定的情况下，土体的变形量随基质吸力呈负相关，且基质吸力越小，蠕变曲线达到稳定所需的时间越长。

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责任编辑：张明霞

Research on the triaxial creep test of unsaturated loess under the matric suction control

WANG Xingang， GU Tianfeng， WANG Jiading

(StateKeyLaboratoryofContinentalDynamics/DepartmentofGeology,NorthwestUniversity,Xi’an,Shaanxi710069,China)

For the unsaturated loess, the improved FSR- 10 unsaturated triaxial creep testing apparatus is used to perform the triaxial creep test under the condition of the matric suction control. The results indicate that less applied deviatoric stress results in less deformation of the loess, and such deformation is recoverable to some extent. As the deviatoric stress increases, it takes a longer time for soil particles to move to a new position and reach a new balance. When the deviatoric stress increases to a certain degree, it is hard for the particles to move to a balanced state, and the soil sample is damaged. When other conditions are the same, the confining pressure is inversely correlated to the sample deformation, and smaller confining pressure results in a longer time needed for stabilizing the deformation. When the confining pressure and the deviatoric stress are fixed, the deformation of soil is inversely correlated to the matric suction, and smaller matric suction results in a longer time needed for stabilizing the creep curve.

matric suction; unsaturated; loess; triaxial creep test

10.16030/j.cnki.issn.1000- 3665.2017.04.09

2017- 01- 13;

2017- 03- 15

国家自然科学基金重点项目资助(41630639)；中国博士后基金资助(2016M602743)；陕西省自然科学基础研究计划项目资助(2016JQ4014)；陕西省教育厅科研计划项目资助(16JK1766)

王新刚(1984- )，男，讲师，主要从事岩土体长期稳定性分析、数值模拟等研究。E- mail：328602223@qq.com

TU 11.8

A

1000- 3665(2017)04- 0057- 05