王 力，李喜安，洪 勃，杜少少，张航泊，赵 宁



黏粒含量对黄土抗剪强度影响试验

王 力1,2，李喜安2,3，洪 勃1,2，杜少少1，张航泊1，赵 宁2

(1. 矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室，陕西 西安 710054；2. 长安大学地质与测绘工程学院，陕西 西安 710054；3. 国土资源部岩土工程开放研究实验室，陕西 西安 710054)

开展不同黏粒含量对黄土抗剪强度影响的试验研究，揭示黏粒含量对抗剪强度的影响及其微观机理，为黄土地区的工程实践提供科学依据。通过自制负压湿筛装置筛取不同黏粒含量的黄土试样，采用静压法将不同黏粒含量的黄土试样制成同一干密度不同含水率试样进行直剪试验。研究表明：随着含水率的增长，不同黏粒含量试样黏聚力均表现为先增加后减小的变化规律，并在含水率14%附近达到最大值；内摩擦角则均呈单调下降的变化趋势。随黏粒含量的增长，不同含水率试样黏聚力呈增大趋势；内摩擦角呈先减小后增加的变化趋势。通过其微观结构可解释黏粒含量对黄土抗剪强度的影响机制。

黏粒含量；含水率；抗剪强度；黏聚力；内摩擦角；微观结构

黄土作为一种多孔隙、弱胶结、欠固结的第四纪沉积物，其物质组成、颗粒形态、接触及连接方式十分复杂[1-2]。在黄土沉积过程中，由于成土作用、风化过程等多方面的差异，导致不同地域的黄土粒级组成存在明显差异。不同粒级组成的黄土，其物理力学性质有着显著差异，因此，系统地研究由于粒级变化而导致的黄土各种物理力学性质差异及其微观机理十分必要[3]。

黄土高原晚更新世黄土粒度组成在区域上有一定的变化规律，从西北向东南黄土粒度由粗向细逐渐转变，砂粒组分减少，黏粒组分增多。随着黏粒含量的增加，马兰黄土由砂黄土过渡至黏黄土，从而导致其物理力学特性发生显著变化[4-5]。目前，黏粒含量对土体力学特性的影响已经引起了国内外学者的重视，许多学者对该问题作了不同程度的研究。M. A. DAFALLA[6]对黏土与砂土混合物进行直剪试验，发现混合物的黏聚力随着黏土含量的增加呈现出增长的趋势。张晓丽等[7]开展了黏粒含量对膨胀土抗剪强度的试验研究，发现随黏粒含量的增大，黏聚力逐渐减小，内摩擦角则先减后增；顾成全等[8]通过室内试验分析了黏聚力随试样含水率与黏粒含量比值的变化关系，得出比值越大黏聚力越小的变化趋势；帅常娥等[9]探讨了不同级配下滑带土中黏粒含量对黏聚力和内摩擦角等强度参数的影响；陈永健等[10]研究了膨润土和高岭土含量对砂土强度的影响，发现黏聚力随着黏粒含量的增加而增加，摩擦角与黏粒含量并非呈单调关系；刘雪珠等[11]对不同黏粒含量的粉细砂进行液化试验，发现在不同固结比时，黏粒含量不同，抗液化强度不同。衡朝阳等[12]对不同黏粒含量的重塑样进行动三轴试验，发现不同黏粒含量的试样砂土动力特性不同。吴建平等[13]对含黏粒重塑砂土的自振柱和动三轴试验时，发现其动剪切模量和抗液化性随黏粒含量的增大而减小，并研究了其变化机理。唐小微等[14]对不同黏粒含量砂土进行试验，发现黏粒含量对砂土抗液化性能的影响并非单调的，而存在一个极值使得其抗液化性能最差。

目前，国内外大多数研究多集中在黏粒含量对砂土强度特性的影响，而对黄土方面的研究较少且不够系统。鉴于此，笔者通过自制负压湿筛装置筛取了其他粒组基本不变条件下不同黏粒含量的黄土试样，分析在其他粒组不变情况下黏粒含量对黄土抗剪强度的影响规律，同时借助于扫描电子显微镜(SEM)等手段对其微观机理进行了分析，相关认识为黄土的工程实践提供了重要的基础依据[15]。采用这种方法可以控制其他粒组基本不变，有效排除其他粒组对试验结果的影响，克服了原状试验不可控制因素较多，试验随机误差较大等缺点，可以较好地得出黏粒含量对黄土抗剪强度影响的量化结果。

1 试验方案

1.1 土样的基本性质与试样制备

试验所用土样为延安新区地表以下4 m深度的晚更新世Q3黄土。试样的主要物理指标见表1。本次试验土样先后经过2 mm标准筛，再使用自制负压湿筛装置(图1)筛取黏粒质量分数为12%、16%、20%、24%的黄土土样，以实现对黄土试样中黏粒含量的人为可控，并利用激光粒度仪对土样的黏粒质量分数进行测定[15]，颗粒分布曲线如图2所示。

表1 试验土样的基本物理参数

图1 负压湿筛

将不同黏粒含量的黄土样按照目标含水率为10%、14%、18%、22%的顺序采用“水膜迁移法”依次改变土样的含水率。然后将其放入保湿皿中使表层的水可以渗入到内部，从而保证试样含水率均匀分布，再按同一干密度(1.5 g/cm3)称取相应质量的土样，用静压法将其压入直剪环刀(内径61.8 mm，高度20 mm)内，置于保湿皿中备用。

图2 颗粒分布曲线

1.2 试验方法

试验采用南京土壤仪器厂有限公司生产ZJ型应变控制式直剪仪。按《土工试验规程》[16]规定的方法进行剪切，采用固结快剪，剪切速率0.08 mm/min。在进行直剪试验前先将土样在竖向压力下固结至稳定，稳定的标准为变形小于0.005 mm/h，竖向压力分别为100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa；然后保持竖向压力不变进行水平剪切。

2 含水率对黏聚力和内摩擦角的影响

2.1 含水率对黏聚力的影响

图3为黏聚力与含水率的关系曲线。由图可以看出，随着含水率的增长，黏聚力均呈现先增大后减小的变化趋势，并在含水率为14%左右达到最大值。试验呈现这种变化趋势是由于在低含水率时，水在土体中主要以结合水的形式存在，有利于加强颗粒间结构连结的引力，同时也存在毛细管作用力的影响。随着含水率的增大，土颗粒之间的水离子浓度增大，颗粒之间出现渗透斥力使土粒相互排斥，因而颗粒间的黏聚力减小[17]。此外，当含水率升高，土颗粒表面的结合水膜不断增厚，自由水比例越来越高，并且土中的基质吸力随着含水率的增大逐渐减小，同时土体中的胶结物质逐渐溶解[18]。因此当含水率超过14%时，黏聚力随着含水率的增大而减小。

图3 不同黏粒含量条件下黏聚力与含水率关系曲线

2.2 含水率对内摩擦角的影响

图4为内摩擦角与含水率的关系曲线。由图可知，随含水率的增加，内摩擦角逐渐减小。产生这个现象主要是由于随着含水率的增加，土颗粒表面的吸附水膜变厚，致使颗粒间相对运动的阻力减弱，黏滞性降低，因而内摩擦角随着含水率的增加而减小。

图4 不同黏粒含量条件下内摩擦角与含水率关系曲线

3 黏粒含量对黏聚力和内摩擦角的影响

3.1 黏粒含量对黏聚力的影响及微观机理

由图5可以看出，在相同干密度、不同含水率情况下，随着黏粒含量的增加，黏聚力均表现出了整体上升的变化趋势。当黏粒质量分数小于20%时，整体变化趋势较缓，每级平均增长6.5%，这是由于在此阶段黏粒含量整体较小，其大部分存在于骨架颗粒间孔隙及接触点，黏聚力的产生主要是骨架颗粒与赋存其周围的黏粒共同作用的结果。当黏粒质量分数大于20%时，整体变化趋势变陡，平均增长15%，这表明在此阶段随着黏粒含量的增长，粗颗粒基本被黏粒包裹，在剪切破坏过程受影响较小，黏聚力主要由黏粒间的胶结作用引起，黏粒越多，胶结作用越大，黏聚力随之增强。

图5 不同含水率条件下黏聚力与黏粒含量的变化关系

黏粒对黏聚力的影响可以从黏粒含量的变化及其赋存状态角度进行分析。随着黏粒含量的增长，赋存在粗颗粒周围的黏粒逐渐聚集，直至形成粗颗粒的包衣。随着黏粒进一步增加，包衣增厚且变得更为连续，胶结作用随之增强，导致最终试样的宏观力学性状由黏粒控制，不同质量分数黏粒的黄土试样SEM图像如图6所示。

为探讨剪切破坏过程中随黏粒含量的增长结构单元变化对黏聚力的影响，同时更直观的展现骨架颗粒的更替过程，根据不同黏粒含量试样的扫描电镜照片，建立由黏粒与粗颗粒组成的概念模型，并模拟其剪切结果，如图6所示。从图6a—图6d可以很清晰的看出以黏粒为主的黏土矿物散粒逐渐在粗粒间孔隙形成集粒，并随着黏粒含量的增长向粗颗粒间接触点转移，直至将粗颗粒隔开并且完全包裹的变化过程，在此过程中粗颗粒的连接形式也从直接点接触、面接触过渡至间接点接触、面接触。从概念模型及模拟剪切结果可以看出图6a即黏粒质量分数为12%时，粉砂颗粒自身剪切情况分布最多，破坏后剪切面附近粉砂颗粒发生大量旋转和少数破裂现象；随着黏粒质量分数逐渐增长至24%，如图6b—图6d所示，在此过程中黏粒逐渐聚集形成集粒，最终成为新的骨架颗粒，由相应剪切结果即图6f—图6h可以看出，剪切面附近破坏单元由于黏粒的增加，出现黏粒与粗颗粒分离破坏向集粒自身分离破坏演变的趋势。又根据图5可知，黏聚力随黏粒含量的增长呈上升趋势，由此可以推断粗颗粒自身断裂破坏情况产生的黏聚力较小，集粒自身分离破坏情况产生的黏聚力较大，产生这种结果的原因主要与黏粒的胶结断裂数量和破坏面积有关。

图6 不同黏粒质量分数黄土试样电镜照片及其概念模型

3.2 黏粒含量对内摩擦角的影响及微观机理

根据试验数据，绘制内摩擦角与黏粒含量的变化曲线(图7)。由图可以明显看出，在不同含水率条件下，内摩擦角在黏粒质量分数小于20%时均出现了随着黏粒含量的增长整体递减的变化趋势。该现象是由于在此阶段摩擦作用主要由骨架颗粒间相互作用引起，随着黏粒含量的增加，部分黏粒开始向骨架颗粒间接触点聚集，致使相对稳定的骨架结构产生“润滑”效果，镶嵌作用逐渐减小，摩擦力随之下降。随着黏粒含量的持续增加，黏粒将粗颗粒颗粒完全隔开，摩擦作用开始由黏粒间相互作用引起，故黏粒质量分数在大于20%后，内摩擦角随着黏粒含量的增长开始呈现增大趋势[15]。

图7 不同含水率条件下内摩擦角与黏粒含量变化关系

黏粒对黄土试样内摩擦角的影响可以从黏粒与粗颗粒赋存状态的微观结构特征来解释。由于本次试验所制备的黄土试样是以粉砂颗粒和黏粒通过一定比例混合组成，而黏粒主要由黏土矿物与胶结物等大小不一的粒团通过多种连接方式聚集而成，其不同形式的连接方式导致了不同的宏观力学形态[15]。如不同黏粒含量黄土试样微观图像建立的概念模型所示(图6)，根据试样中黏粒赋存状态的不同，可以分为2个阶段[19-21]。

第一阶段，以相互接触的粗颗粒为试样主骨架阶段，颗粒间摩擦作用在此过程中主要由粒径较大的粉砂颗粒引起，黏粒间的摩擦作用较小，如图6a至图6c稳定状态前所示。在图6a (黏粒质量分数Q=12%) 所示的结构中，大部分游离的黏粒存在于粗颗粒骨架所形成的孔隙内，极少吸附于粗颗粒表面，又因黏粒整体含量较少，此时粗颗粒的连接形式主要为直接点接触与面接触，该连接形式在承受剪切作用时对摩擦作用贡献较大，因此试样内摩擦作用主要由粗颗粒骨架引起；在图6b (Q=16%) 所示结构中，黏粒开始聚集并向粗颗粒周围靠近，此时黏粒部分存在于粗颗粒孔隙中，部分存在于粗颗粒间接触点，并逐渐隔开粗颗粒，参与骨架形成，此时土体架构并不稳定，粗颗粒连接关系多为间接点接触，黏粒对粉粒润滑效果明显，粉粒颗粒间摩擦作用进一步下降；在图6c (Q=20%) 所示结构中，黏粒已完全隔开粗颗粒，粗颗粒间摩擦作用将至最低点，颗粒间相互作用逐渐由黏粒主导，但由于以聚集状态的黏粒较少，集粒的胶结作用尚未达到形成试样主骨架的强度。随着黏粒含量的继续增长，黏粒间胶结作用加强，形成“链状”结构的黏粒集粒开始承担试样骨架作用，由此进入微观结构第二阶段[15]。

第二阶段，试样宏观力学性状由相互接触、胶结作用较强的黏粒集粒控制阶段，如图6d (Q=24%) 所示。此时粗颗粒被完全隔开，接触形式转为间接面接触，试样内几乎无粉粒颗粒间摩擦作用，随着黏粒含量的持续增长，黏粒逐渐填充试样孔隙，颗粒间相对摩擦呈上升趋势，但由于黏粒颗粒间摩擦作用相比粗颗粒较小，故上升趋势较缓[15]。

黄土微观结构从图6a过渡至图6d，试样内部颗粒的摩擦作用逐渐由粗颗粒控制转化为黏粒控制，此过程的本质是以粗颗粒作为试样骨架颗粒的粒间孔隙逐渐增大直至完全分离，同时粗颗粒间接触关系由点过渡至面的过程。由此可以得出黏粒含量存在某个临界值使粉粒被完全隔开，即黏粒临界质量分数th[22]，根据上述分析可知本次试验的临界黏粒质量分数为20%。由此可以引入粒间孔隙比，并以临界黏粒值为依据，对不同黏粒含量黄土试样内摩擦角进行分析。

当黏粒质量分数小于临界值20%时，黏粒对于试样内颗粒间摩擦作用的影响较小，如图6a—图6c稳定状态前，此时粗颗粒作为试样主骨架，骨架孔隙比即粉粒间孔隙比s可通过公式(1)[23]得到：

式中为试样总孔隙体积；c为黏粒质量分数。

由式(1)可以得出，在黏粒含量小于20%的情况下，随着黏粒的增加，粗粒间孔隙比s逐渐增大，如图8所示，粗颗粒间接触点逐渐减少，摩擦作用随之减弱，这也验证了图7在黏粒质量分数小于20%时，内摩擦角呈下降趋势的正确性。

图8 黏粒含量与粉粒间孔隙比关系曲线

当黏粒质量分数大于临界黏粒质量分数20%后，黏粒集粒承担试样骨架颗粒作用，随着黏粒含量的增长，黏粒在隔开粗颗粒的同时将试样内孔隙填充，由于颗粒间接触面积的增加，试样摩擦作用随之增强，宏观上则表现出摩擦角出现缓慢上升趋势的现象。

4 结论

a. 黏聚力随着含水率的增加先增大后减小，在含水率为14%左右达到最大值；内摩擦角随着含水率的增加呈减小趋势。

b. 在相同含水率情况下，随着黏粒含量的增长，以黏粒作为接触介质的粗颗粒，逐渐由点接触过渡至面接触，颗粒间胶结作用逐渐增强，破坏胶结作用所需的最小外应力随之增大，从而出现黏聚力随黏粒含量的增加而增大的现象。

c. 在相同含水率情况下，由于黏粒质量分数在小于20%时，粗颗粒间孔隙随黏粒含量的增长逐渐变大，内摩擦角出现下降趋势；在黏粒质量分数大于20%后，粗颗粒被完全隔开，黏粒间接触面积增大，内摩擦角开始缓慢上升。

d. 黏粒对黄土抗剪强度参数影响显著，其影响机制可由黏粒赋存状态的微观结构得到较好的解释，并可借助颗粒间孔隙比加以量化分析。

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Effect of clay content on shear strength of loess

WANG Li1,2, LI Xi’an2,3, HONG Bo1,2, DU Shaoshao1, ZHANG Hangbo1, ZHAO Ning2

(1. Key Laboratory of Mine Geological Hazards Mechanism and Control, Xi’an 710054, China; 2. School of Geological Engineering and Geomatics, Chang’an University, Xi’an 710054, China; 3. Open Research Laboratory of Geotechnical Engineering, Ministry of Land and Resources, Xi’an 710054, China)

The experimental research about effect of different clay content on shear strength of loess was carried out to reveal the influence of clay content on shear strength and its microscopic mechanism, and then a scientific basis for engineering practice of loess was provided. Self-made wet sieve device under negative pressure was applied to screen loess samples with different clay content. Different clay content of the loess samples were made to the same dry density, but with different moisture content using static pressure method, and then were taken direct shear test. The results show that with the increase of moisture content, the cohesion of samples with different clay content firstly increased and then decreased, and reached the maximum near 14%, while the friction angle showed a monotonic downward trend. With the increase of clay content, the cohesion showed a rising trend, while the friction angle first decreased and then increased. The effect of clay content on shear strength of loess can be explained by its microstructure.

clay content; water content; shear strength; cohesion; internal friction angle; microstructure

National Natural Science Foundation of China(41572264)；Key Laboratory of Mine Geological Hazards Mechanism and Control Open Project Funded Project(2kf2017-17)

王力，1988年生，男，陕西华县人，博士研究生，研究方向为黄土工程地质及地质灾害防治. E-mail：cadxwangli@163.com

李喜安，1968年生，男，陕西丹凤人，博士，教授，博士生导师，从事黄土地质灾害方面的教学与科研工作. E-mail：dlixa@chd.edu.cn

王力，李喜安，洪勃，等. 黏粒含量对黄土抗剪强度影响试验[J]. 煤田地质与勘探，2019，47(3)：179–185.

WANG Li，LI Xi’an，HONG Bo，et al. Effect of clay content on shear strength of loess[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(3)：179–185.

1001-1986(2019)03-0179-07

TU41

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.03.028

2018-06-17

国家自然科学基金项目(41572264)；矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室开放课题(2kf2017-17)

(责任编辑 张宏 周建军)