Strength and structure of Q3paleosol
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摘要: 古土壤是黄土地层的重要组成部分,但目前对古土壤力学性质的研究相对较少。为研究古土壤的强度及其结构性,以西安某地Q3古土壤为研究对象,通过土力学途径,对原状、重塑、饱和原状古土壤进行无侧限抗压强度试验,得到了相应状态古土壤的无侧限抗压强度,计算得出其初始结构性指标；通过复合幂指数模型,得到了原状、重塑古土壤无侧限抗压强度随含水率变化的表达式,分析了原状、重塑古土壤无侧限抗压强度、扰动灵敏度、浸水灵敏度及构度指标的变化规律。结果表明：古土壤的结构性强,在饱和状态时,其破坏形态仍然为脆性破坏。在密度、湿度、粒度相同条件下,原状古土壤的强度小于重塑古土壤的强度,其扰动灵敏度小于1,与一般黄土的规律截然相反；古土壤的浸水灵敏度、构度指标随着含水率的增加而减小,但在含水率较小或较大时,构度随含水率的变化均不大,且构度指标也可小于1,说明古土壤具有与黄土不同的结构特征。Abstract: Paleosol is an important part of loess stratum, but there are few researches on its mechanical properties.In order to study the strength and structure of paleosol, Q3paleosol in Xi'an is taken as the research object.Through the way of soil mechanics, the unconfined compressive strength test is carried out for undisturbed, remolded and saturated paleosol.The unconfined compressive strength values of the paleosol in the corresponding states are obtained, and the initial structure index is calculated.Based on the composite power exponent model, the expressions for unconfined compressive strength of the undisturbed and remolded paleosol with the water content are obtained, and the rules of the unconfined compressive strength, the disturbance sensitivity, the immersion sensitivity and the structure index of the undisturbed and remolded paleosol are analyzed.The results show that the structure of paleosol is strong, and its failure mode is still brittle when it is saturated.Under the same density, humidity and particle size, the strength of undisturbed paleosol is less than that of remolded paleosol, and its disturbance sensitivity is less than 1, which is contrary to the law of general loess.The immersion sensitivity and structure index of the paleosol decrease with the increase of water content, but when the water content is small or large, the change of structure with water content is not large, and the structure index can be less than 1, which shows that the paleosol has different structure characteristics from loess.
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0. 引言
古土壤是黄土地层的重要组成部分,尤其是黄土高原区,黄土地层中常有古土壤发育。在工程中,以往研究较多的是黄土地层中的黄土的力学性质与结构性,而对古土壤的研究主要集中在其成因及古气候等方面。随着全文西部大开发战略及“一带一路”建设的持续推进,黄土地区基础工程,特别是公路、铁路及地下工程的建设,如银西高铁早胜3号隧道[1]、西安地铁盾构施工[2]遇到的古土壤问题；由于城镇化建设诱发的黄土台塬黄土-古土壤互层的边坡失稳问题,逐渐使人们认识到研究古土壤力学性质的重要性[3]。
古土壤形成于湿热的环境,而黄土形成于干冷的环境,两者相比较,古土壤的黏粒含量高,黄土中的碳酸钙以原生的居多。因遭受的氧化作用与淋滤作用较强[4],古土壤中的碳酸钙含量高,且以次生的为主[5],且竖向淋滤裂隙发育[6]。古土壤与黄土的性质差异大,因此,黄土-古土壤互层的黄土地层的工程物理性质随着深度呈波动变化[7]；黄土层试样饱和渗透系数明显大于相邻古土壤层[8]；古土壤与黄土在饱和过程中的破坏模式不尽相同[3],直剪试验表明,含水率相同时,原状古土壤的黏聚力大于扰动古土壤[9],但直剪试验固定剪切面的不足,无法反映竖向裂隙对古土壤力学性质的影响。
在土体的结构性研究方面,目前主要以黄土为研究对象,古土壤结构性方面的研究还未见报道。为此,本研究以西安航天城某边坡的Q3古土壤为研究对象,开展了不同状态古土壤的无侧限抗压强度试验,分析了古土壤无侧限抗压强度与结构性的变化规律,揭示了古土壤在强度与结构性方面与一般黄土的差异,丰富了古土壤力学性质方面的研究。
1. 试验方案
1.1 试验用土
试验用Q3古土壤(图1（a）)取自西安航天城某边坡(图1（b）),该边坡黄土层位较明显、古土壤露头清晰。
此处古土壤距离地表15 m左右,上覆典型Q3黄土。观察发现此古土壤颜色为红褐色,含有钙质结核,垂直节理发育。按照《土工试验方法标准》[10],对所取土样进行物理性质测试,所得原状土样的基本物理性质指标见表1。
表 1 土的物理性质指标Table 1. Physical properties of soils初始含水率w0/% 干密度ρd/(g·cm-3) 初始孔隙比e0 塑限wp/% 液限wL/% 17.39 1.64 0.642 22.8 36.8 1.2 试验方案
对Q3古土壤进行不同含水率(5%, 10%, 15%, 20%, 25%及饱和)、不同状态(原状、重塑及原状饱和)下的无侧限抗压强度试验。试样尺寸为直径39.1 mm,高度80 mm。本试验采用应变控制式无侧限压缩仪,试验步骤按标准[10]规定进行,试样含水率采用滴定法或者自然风干法配制,将配制好含水率的试样用保鲜膜包裹并放入密闭的保湿缸中养护3 d以上,以保证试样含水率的均匀性；饱和试样采用抽气饱和法制取。
2. 试验结果与分析
2.1 Q3古土壤强度分析
按照预定方案进行试验,得到不同含水率下原状、重塑古土壤的应力-应变曲线,如图2所示。试样的破坏形态见图3。
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图 2 不同含水率Q3古土壤的应力-应变曲线Figure 2. Stress-strain curves of Q3paleosol with different water contents从图2中可以看出,不同含水率下的原状和重塑古土壤的应力-应变曲线均为软化型,随着含水率的增加,应力-应变曲线逐渐由强软化型转化为弱软化型,说明原状、重塑Q3古土壤均具有较强的结构性；随着含水率的增大,其结构强度将降低,古土壤的应变软化程度减小。饱和时,其软化程度最小,但是仍属软化型。在全含水率范围,甚至饱和试样,均呈脆性破坏(图3)。以上结果说明：浸水只能减小部分结构势。
从图2（a）中还可看出,原状试样在应变1%左右时,应力达到峰值强度,峰值后强度软化,土体呈脆性破坏；从图2（b）可看出,重塑试样在应变达到2%左右时达到峰值强度。以上说明：Q3古土壤的结构对应变较敏感,较小的应变就将引起结构的破坏,产生应变软化；对比图2（a）与图2（b）可看出,此重塑Q3古土壤具有比原状古土壤更大的抵抗单轴压缩应变破坏的能力。
通过图2,可得不同含水率下原状及重塑古土壤的无侧限抗压强度qu,则qu随含水率w的变化曲线如图4所示。
从图4可以看出,随着含水率的增加,Q3古土壤的原状、重塑试样的无侧限抗压强度qu均呈减小趋势,说明孔隙水对古土壤的软化作用明显。当含水率较小时,无侧限抗压强度降低幅度较大,随着含水率的增大,无侧限抗压强度降低趋势减缓,当含水率超过20%时,变化趋于平缓。
一般来说,重塑黄土的无侧限抗压强度低于原状黄土的无侧限抗压强度,这是由于重塑扰动破坏了原状土体的初始结构,在重塑过程中形成的次生结构强度不足以弥补扰动破坏的初始结构强度。然而,本次试验意外发现,重塑Q3古土壤无侧限抗压强度竟高于原状古土壤的无侧限抗压强度,尤其在含水率较低时两者相差比较大。重新取样进行试验,结果依然如此。这个结论与一般黄土研究所得的规律完全相反,说明此Q3古土壤因重塑而形成的次生结构强度大于其原生结构强度,考虑其原因在于古土壤的结构特征与一般黄土存在差异。其一,碳酸钙在黄土与古土壤中的形态有很大区别。碳酸钙在原状黄土中分布比较均匀,重塑后与之相似；而Q3古土壤由于在其形成时期遭受了强烈的淋滤作用,其中的可溶碳酸钙随水流逐渐下渗,造成下部碳酸钙富集量大[12],常表现为钙质结核的形式存在,并不规则地分布在古土壤中。其二,原状古土壤中存在较多的淋滤裂隙,形成了结构的软弱面,降低了整体强度；而在扰动重塑后,原生结构破坏,形成新的次生结构中不存在裂隙,且土质比较均匀,具有更强的抵抗破坏的能力,因此表现为重塑古土壤的无侧限抗压强度反而大于原状古土壤的无侧限抗压强度。
2.2 Q3古土壤结构性分析
针对此Q3古土壤的结构性,采用可较好反映土体初始结构性的构度指标mu[13]进行研究,其表达式为
(1) 式中,md, mw分别为扰动灵敏度和浸水灵敏度,反映了原状土结构完全扰动后强度的潜在变化及原状土完全浸水饱和后强度的潜在变化。其中md=quo/qur, mw=quo/qus;quo, qur, qus分别为原状土、重塑土、饱和原状土的无侧限抗压强度。
在试验过程中,原状、重塑试样的含水率有差异,因此,利用复合幂指数模型(CPE模型)[14],对原状、重塑古土壤无侧限抗压强度的实测值分别进行拟合,得相应曲线的表达式,如下式所示,相关系数的平方值R2均为0.999,相应的曲线见图4。
(2) 
(3) 式中,pa为标准大气压。
从图4可以看出：CPE模型的拟合曲线几乎全部穿越实测点,说明式(2)与式(3)可以正确描述此古土壤的无侧限抗压强度qu随含水率w的变化规律。因此,将式(2)与式(3)代入式(1)可得此Q3古土壤构度mu的表达式为
(4) 
(5) 
(6) 由此可得该Q3古土壤的扰动灵敏度md、浸水灵敏度mw、构度mu随含水率w的变化曲线如图5~7所示。
从图5可以看出：此Q3古土壤的扰动灵敏度md小于1,在整个含水率范围内,扰动灵敏度md大致在0.5~0.8之间变化,说明重塑可使此古土壤的结构性增强,其抗压强度不降反升,这与一般土体扰动灵敏度md≥1的结论[11]不同,表明重塑形成的次生结构强度也可大于原生结构强度,或者说原生结构也可能产生负强度,导致土体强度的降低。为区分,本研究将土体原状土强度大于重塑土强度的结构特性,称为正结构性；土体原状土强度小于重塑土强度的结构特性,称为负结构性。图5表明此古土壤具有负结构性,土体中原生的竖向裂隙将导致原状古土壤强度的降低,重塑后,土体相对均匀,无原始裂隙,试验中表现为强度的提高,因此,扰动灵敏度md小于1。此Q3古土壤具有负扰动结构性。
从图6可以看出：在整个含水率范围内,此Q3古土壤的浸水灵敏度mw随着含水率的增加而减小。在含水率w≤20%时,mw降幅很大；w>20%后,mw变化不大,说明浸水对土体结构强度具有很强的消弱作用,在接近饱和后,土体的结构强度已所剩无几。
以上分析可知：浸水是影响土体结构性的最主要因素。因此,从图7可以看出：由扰动灵敏度md与浸水灵敏度mw相乘所得的Q3古土壤的构度mu,与黄土相类似,仍然表现为随着含水率的增加而减小的规律,但其在含水率较小时,构度随含水率的变化不大,这与一般黄土构度的变化规律有所不同。
3. 结论
(1)原状、重塑Q3古土壤均具有较强的结构性,在全含水率范围内,其应力-应变曲线均为软化型,古土壤的结构对应变较敏感,应变为1%~2%时,土体发生脆性破坏。此重塑古土壤具有比原状古土壤更大的抵抗单轴压缩应变破坏的能力。
(2)此Q3古土壤重塑后的无侧限抗压强度高于原状时的无侧限抗压强度,尤其在含水率较低时两者相差较大,该结论与一般黄土的规律完全相反,说明此Q3古土壤特殊的物理特性使其因重塑而形成的次生结构强度大于其原生结构强度。
(3)此Q3古土壤的初始结构性与一般黄土的差别较大,其扰动灵敏度md<1,具有负扰动结构性,重塑可使其结构性增强,其抗压强度不降反升；浸水对古土壤结构强度具有很强的消弱作用,是影响土体结构性的最主要因素,因此,浸水灵敏度mw随着含水率的增加而减小。Q3古土壤的构度指标mu,仍然表现为随着含水率的增加而减小的规律,但其在含水率较小时,构度随含水率的变化不大,这与一般黄土的构度规律有所不同。
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图 2 不同含水率Q3古土壤的应力-应变曲线
Figure 2. Stress-strain curves of Q3paleosol with different water contents
表 1 土的物理性质指标
Table 1 Physical properties of soils
初始含水率w0/% 干密度ρd/(g·cm-3) 初始孔隙比e0 塑限wp/% 液限wL/% 17.39 1.64 0.642 22.8 36.8 
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