根据试验数据绘制了不同含水率下原状黄土的偏应力-轴应变、体应变-轴应变关系曲线如图3所示.

图3 三轴剪切试验的(σ1-σ3)-ε1和εv-ε1关系曲线
Fig.3 (σ1-σ3 )-ε1 and εv-ε1 curves fromtriaxial shear tests

由图3可知,在三轴压缩条件(σ₁>σ₂=σ₃)下,原状黄土的(σ₁-σ₃)-ε₁、ε_v-ε₁关系曲线与含水率(水湿状态)和固结围压(应力水平)均有密切的关系.具体描述如下:

(1)当固结围压(σ₃-u_a)为50 kPa时(图3(a)),由于不同含水率原状黄土的结构强度都大于此时的固结应力,因此,其(σ₁-σ₃)-ε₁关系曲线均表现出弱硬化型,即随着轴应变ε₁的不断增大,土的偏应力(σ₁-σ₃)在达到某一数值后基本保持稳定,没有显著的提高.当固结围压(σ₃-u_a)增大到100 kPa时(图3(b)),(σ₁-σ₃)-ε₁曲线有两种趋势:含水率为9.0%、15.0%、21.9%的试样仍呈现为弱硬化型; 而含水率为27.0%、32.0%的试样已呈现出强硬化型.随着固结围压(σ₃-u_a)继续增大到200 kPa、300 kPa(图3(c)、(d)),各含水率试样的(σ₁-σ₃)-ε₁关系曲线均表现出强硬化型,即随着轴应变ε₁的不断增大,土的偏应力不断提高.进一步分析表明,黄土含水率的变化对原状黄土应力-应变曲线类型有显著的影响:当黄土的含水率较低时,黄土颗粒间较强的固化联结使其表现出较高的结构强度,若此时的固结围压相对较小,那么应力-应变曲线就可能表现出弱硬化型; 随着黄土含水率的增加,水分子的楔入引起黄土颗粒间胶结盐晶的不断溶解,从而不断地削弱黄土的结构强度,当固结围压相对较大时,黄土的结构强度会遭到进一步的破坏,随着土体的进一步压密和次生结构的生成,应力-应变曲线就表现出强硬化型;

(2)含水率为9.0%的试样,在固结围压(σ₃-u_a)为50 kPa、100 kPa时,其ε_v-ε₁关系曲线表现出弱软化型,即在剪切过程中,试样的体应变ε_v先增大后缓慢减小,土体有一定的剪胀现象.而在其他试验条件下,ε_v-ε₁关系曲线均为强硬化型,即在剪切过程中,试样的体应变ε_v不断增大,土体一直处于剪缩状态.这是由于原状黄土在较低含水率时,颗粒间的胶结咬合作用较强,较低的固结应力无法打破这种联结状况,于是,在剪切过程中因土颗粒间的相互滑移远离而引起土体膨胀; 而随着含水率的增加或固结应力的增大,颗粒间的联结状况逐渐破坏,土颗粒在剪切过程中向孔隙中移动,使土体积压缩;

(3)在同一固结围压下,不同含水率试样的(σ₁-σ₃)-ε₁、ε_v-ε₁关系曲线均无交叉现象.随着含水率的增大,黄土的初始变形模量(ε₁<2%)与抗剪强度(ε₁=15%)不断减小,而体积变形却逐渐增大.强度的降低与变形的增大是黄土的水敏性这一特殊本质反映出的不同侧面.

在常规三轴试验中,由σ₁>σ₂=σ₃,得平均正应力p=(σ₁+2σ₃)/3,广义剪应力q=σ₁-σ₃.则不同含水率下原状黄土在q-p平面上的临界状态线如图4所示.

由图4可知,同一含水率下,原状黄土的临界状态线可拟合为一条直线; 不同含水率下,原状黄土的临界状态线近似为一簇随着含水率的增加而平行下移的直线.若分别用M、h表示各临界状态线的斜率及截距,则不同含水率原状黄土的内摩擦角φ及黏聚力c的计算公式为

φ=sin^-1[(3M/(6+M))] (2)

c=h(3-sinφ)/(6cosφ) (3)

图4 q-p平面上三轴试验的临界状态线
Fig.4 q-p relationship curves from triaxial shear tests

由此进一步得到原状黄土在不同含水率时的强度参数如表所示,由表2可知,当含水率从9.0%逐渐增加到32.0%时,原状黄土的黏聚力c从64.63 kPa不断降低到9.70 kPa; 而内摩擦角φ仅从25.5°变化到27.3°,仅仅变化了1.8°.因此,可以认为原状黄土的黏聚力c随含水率的增大而减小,内摩擦角φ基本不受含水率变化的影响,这与文献[19]的研究结果一致.

表2 不同含水率下原状黄土的强度参数
Tab.2 Shear strength parameters of intact Q3 loess under different water contents

在固结和剪切试验过程中测得了试样的基质吸力,试验结果如图5、图6所示.

图5 基质吸力与固结围压的关系曲线
Fig.5 Relationship curves between confining pressure and initial matrix suction

图6 基质吸力与轴应变的关系曲线
Fig.6 Relationship curves between matrix suction and axial strain

由图5可知,在同一含水率下,随着固结围压的增大,试样固结完成后的初始基质吸力变化幅度不大; 而随着含水率的逐渐增加,初始基质吸力却越来越小.由此可见,原状黄土的初始含水率的高低对基质吸力的大小具有显著的影响; 相比之下,固结围压对基质吸力的影响却小得多.

由图6可知,在试样的剪切过程中,基质吸力呈现出两种不同的趋势:当含水率w=9.0%时,基质吸力随着轴应变的增加而不断增长,当含水率w>9.0%时,基质吸力随着轴应变的增加而减小.通过剪切过程中土体微观结构的变化进行分析^[20]:含水率低时,土颗粒之间水气界形成的弯液面收缩膜很薄,剪切作用使得颗粒之间空隙减小,导致收缩膜凹面曲率变大,从而引起了吸力的增长; 含水率较高时,剪切作用使土颗粒之间原本较厚的弯液面收缩膜因空隙减小而变得更厚,导致其凹面曲率变小,从而引起吸力的降低.