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摘要：基于对强夯法加固地基机理以及三轴试验与黄土应力应变关系曲线的分析，文章进行了三轴试验，讨论了试验原理与方法以及步骤，最后得出了夯后黄土应力应变关系曲线的分析及结果。
关键词：湿陷性黄土，三轴试验；强夯法
1 强夯法加固地基机理
强夯的基本原理是:在巨大冲击能作用下，土体产生了应力和冲击波，致使土中孔隙压缩，土体局部液化，夯击点周围一定深度内产生的裂隙形成了良好的排水通道，使土中的孔隙水顺利溢出，土体迅速固结，从而降低了此深度范围内土的压缩性，提高地基承载力。经过强夯的粘性土，其地基承载力可增加1- 3倍，粉砂土可增加4倍，砂土可增加2~4倍。由于各类土质差别极大，强夯处理效果的影响因素很多，因此很难建立适用于各类土的加固理论，概括地讲强夯法有三种不同的机理：动力密实；动力固结机理；动力置换机理。
2 三轴试验与黄土应力应变关系曲线分析
2.1三轴试验介绍
三轴剪切试验也称三轴压缩试验。先将试件在三轴仪压力室内安装好，加周围压3(即小主应力)，再让试件排水固结(也可不固结)，然后分级加偏差应力△1:= 1一3，对试件进行剪切，直至试件破坏。根据试验成果绘制应力与应变的关系曲线(1一3) 一1，从应力与应变的关系曲线上寻找破坏时的偏差应力(1一3)f，破坏时的最大主应力为1f= 3+(1一3)f。这样用周围应力3和相应的1f就可以绘制一个极限应力状态应力圆。改变几种周围应力3就可绘制几个极限状态应力圆。按极限平衡条件，极限状态应力圆的公切线就是莫尔一库伦破坏包线。从破坏包线可定出土的内摩擦角φ和粘聚力c。
2.2黄土应力应变关系介绍
黄土的应力一应变关系是黄土变形强度特征的反映，特别是黄土在主应力差(1一3)作用下的应力一应变关系是研究黄土变形强度特征的基础。黄土的应力应变关系曲线并非完全确定，受成因时代、受力历史和试验条件因素的影响，在一定条件下可以相互转化。多数研究将其曲线划分为三种类型。
(l)脆性破坏型，又叫加工软化型，以超固结土和老黄土为代表，是一种带有峰值的应力应变关系曲线。这种破坏形式有两种类型，强软化型和弱软化型见图1。
(2)塑性破坏型，又叫加工硬化型，是以正常固结土为代表的应变硬化型，是一种双曲线形的应力应变关系曲线。这种破坏形式也有两种类型：强硬化性和弱硬化型，见图2。
(3)近似理想塑性破坏型，又叫稳定值型。在塑性阶段，土体剪切很快进入临界状态，应变逐渐增大而应力不变，土体体积不变，泊松比等于0.5。见图3。
图1脆性破坏型图2塑性破坏型 图3近似理想塑性破坏型
3.试验原理与方法
3.1试验原理
一般认为，土体的破坏条件用莫尔一库仑(Mohr-Coulomb)破坏准则:土体在各向主应力作用下，作用在某一应力面上的剪应力与法向应力之比达到某一比值，土体将沿该面发生剪切破坏。莫尔一库仑破坏准则的表达式为:
1—大主应力; 3—小主应力；c—土的粘聚力（kPa）; —土的内摩擦角（°）。
3.2试验方法
由于强夯作用下土体迅速固结，瞬间存在超静孔隙水压力，而在粘性土中孔隙水压力消散很慢，所以本次试验采用固结不排水条件下的常规三轴试验(cu)。考虑到土体浸水的最不利状态，本次试验先将土样饱和，然后在一定围压下让土体排水固结，最后在不排水条件下，施加轴向压力直至破坏，同时在试验过程中测读排水量以計算试件体积变化。
4 试验步骤
4.1试样制备
本次试验是在同一工程不同能级强夯处理过的黄土场地中选取土样，严格按规范标准从有效处理深度内的不同深度处取样。强夯的能级分别为:8000kN·m、15000kN·m。土样编号为X-a-A，X表示地基处理的强夯能级，单位为1000kN·m；a表示三轴试验中的围压，单位100kPa；A表示试验所取土样的埋深，单位m。例如:8-1-3.5表示试验土样取自 8000kN·m强夯处理过的黄土场地，埋深3.5m，试验中的围压为100kPa。
试样应切成圆柱形形状，试样直径61.8mm，高度125mm左右。由于土样较硬，先用切土刀切一稍大于规定尺寸的土柱;放在切土架上，用直径61.8mm切土器切削土样，边削边压切土器，直至切削到超出试样高度约2cm为止。取出土样并用对开膜套上，然后将两端削平，称量，并取余土测定试样含水率。
4.2试样安装
（1）开孔隙水压力阀和量管阀，对孔隙水压力系统及压力室底座充水排气后，关孔隙水压力阀和量管阀。
（2）把已检查过的橡皮膜套在承膜筒上，两端翻起，用吸水球从气嘴中不断吸气，使橡皮膜紧贴于筒壁，小心将它套在试样外面，然后让气嘴放气，并用橡皮圈将橡皮膜下端与底座扎紧。
（3）打开孔隙水压力阀和量管阀，使水缓慢地从试样底部流入试样与橡皮膜之间，用刷在试样周围自下而上轻刷，以排除试样与橡皮膜之间的气泡。
（4）打开与试样帽连通的阀门，使试样帽中充水，并连同透水板、滤纸放在试样的上端，降低排水管，使管内水面位于试样中心以下20~40cm，吸除试样上端、试样与橡皮膜之间的余水和气泡，关排水阀。将橡皮膜上端翻贴在试样帽上用橡皮圈扎紧，需要测定土的应力应变关系时，应在试样与透水板之间放置中间夹有硅脂的两层圆形橡皮膜，膜中间应留有直径为1cm的圆孔排水。
（5）安装压力室罩，此时活塞应放在最高位置，以免和试样碰撞，拧紧压力罩密封螺栓，并使传压活塞与土样帽接触。
4.3试样排水固结
（1）调节排水管使管内水面与试样高度的中心齐平，测记排水管水面读数。
（2）开孔隙水压力阀，使孔隙水压力等于大气压力，关孔隙水压力阀，记下初始读数。
（3）将孔隙水压力调至接近周围压力值，施加周围压力后，再打开孔隙水压力阀，待孔隙水压力稳定测定孔隙水压力。本次试验中用到的围压分别为100kPa、200kPa、300kPa。
（4）打开排水阀。固结完成后，关排水阀，测记孔隙水压力和排水管水面读数。固结完成的判断标准为孔隙水压力消散95%以上。
（5）微调压力机升降台，使活塞与试样接触，此时轴向变形指示计的变化值为试样固结时的高度变化。
4.4试样的不排水剪切
（1）剪切应变速率粘土宜为每分钟应变0.05%-0.1%；粉土为每分钟应变0.1%~0.5%。本次试验选择剪切速率为0.4mm/min。
（2）将测力计、轴向变形指示计及孔隙水压力读数均调整至零。
（3）启动电动机，合上离合器，开始剪切。试样每产生0.5mm轴向变形值测记一次。
（4）当测力计读书出现峰值时，剪切应继续进行至轴向应变达15%-20%。
5 夯后黄土应力应变关系曲线的分析
同一深度不同围压下土样的应力应变关系曲线见图4，各条曲线的破坏强度(1一3)p、破坏时的轴向线应变1p、残余强度(1一3)r及曲线类型见表1。
图4 同一深度不同围压下土样的应力应变关系曲线
表1同一深度不同围压下强度与变形成果表
从图4和表1可以看出，夯后饱和黄土在固结不排水条件下的应力应变关系曲线跟围压有关。随着围压的增大，峰值强度和残余强度相应提高，破坏时的轴向线应变基本上也在增大。15000kN·m场地在5.5m处的土样存在反常现象，破坏强度随围压增大而降低。原因是强夯能量传递在水平方向上是从中心向四周递减的，土样不是取自同一个探井，说明夯后土层在平面内依然存在不均匀性。
注：文章内的图表、公式请到PDF格式下查看
关键词：湿陷性黄土，三轴试验；强夯法
1 强夯法加固地基机理
强夯的基本原理是:在巨大冲击能作用下，土体产生了应力和冲击波，致使土中孔隙压缩，土体局部液化，夯击点周围一定深度内产生的裂隙形成了良好的排水通道，使土中的孔隙水顺利溢出，土体迅速固结，从而降低了此深度范围内土的压缩性，提高地基承载力。经过强夯的粘性土，其地基承载力可增加1- 3倍，粉砂土可增加4倍，砂土可增加2~4倍。由于各类土质差别极大，强夯处理效果的影响因素很多，因此很难建立适用于各类土的加固理论，概括地讲强夯法有三种不同的机理：动力密实；动力固结机理；动力置换机理。
2 三轴试验与黄土应力应变关系曲线分析
2.1三轴试验介绍
三轴剪切试验也称三轴压缩试验。先将试件在三轴仪压力室内安装好，加周围压3(即小主应力)，再让试件排水固结(也可不固结)，然后分级加偏差应力△1:= 1一3，对试件进行剪切，直至试件破坏。根据试验成果绘制应力与应变的关系曲线(1一3) 一1，从应力与应变的关系曲线上寻找破坏时的偏差应力(1一3)f，破坏时的最大主应力为1f= 3+(1一3)f。这样用周围应力3和相应的1f就可以绘制一个极限应力状态应力圆。改变几种周围应力3就可绘制几个极限状态应力圆。按极限平衡条件，极限状态应力圆的公切线就是莫尔一库伦破坏包线。从破坏包线可定出土的内摩擦角φ和粘聚力c。
2.2黄土应力应变关系介绍
黄土的应力一应变关系是黄土变形强度特征的反映，特别是黄土在主应力差(1一3)作用下的应力一应变关系是研究黄土变形强度特征的基础。黄土的应力应变关系曲线并非完全确定，受成因时代、受力历史和试验条件因素的影响，在一定条件下可以相互转化。多数研究将其曲线划分为三种类型。
(l)脆性破坏型，又叫加工软化型，以超固结土和老黄土为代表，是一种带有峰值的应力应变关系曲线。这种破坏形式有两种类型，强软化型和弱软化型见图1。
(2)塑性破坏型，又叫加工硬化型，是以正常固结土为代表的应变硬化型，是一种双曲线形的应力应变关系曲线。这种破坏形式也有两种类型：强硬化性和弱硬化型，见图2。
(3)近似理想塑性破坏型，又叫稳定值型。在塑性阶段，土体剪切很快进入临界状态，应变逐渐增大而应力不变，土体体积不变，泊松比等于0.5。见图3。
图1脆性破坏型图2塑性破坏型 图3近似理想塑性破坏型
3.试验原理与方法
3.1试验原理
一般认为，土体的破坏条件用莫尔一库仑(Mohr-Coulomb)破坏准则:土体在各向主应力作用下，作用在某一应力面上的剪应力与法向应力之比达到某一比值，土体将沿该面发生剪切破坏。莫尔一库仑破坏准则的表达式为:
1—大主应力; 3—小主应力；c—土的粘聚力（kPa）; —土的内摩擦角（°）。
3.2试验方法
由于强夯作用下土体迅速固结，瞬间存在超静孔隙水压力，而在粘性土中孔隙水压力消散很慢，所以本次试验采用固结不排水条件下的常规三轴试验(cu)。考虑到土体浸水的最不利状态，本次试验先将土样饱和，然后在一定围压下让土体排水固结，最后在不排水条件下，施加轴向压力直至破坏，同时在试验过程中测读排水量以計算试件体积变化。
4 试验步骤
4.1试样制备
本次试验是在同一工程不同能级强夯处理过的黄土场地中选取土样，严格按规范标准从有效处理深度内的不同深度处取样。强夯的能级分别为:8000kN·m、15000kN·m。土样编号为X-a-A，X表示地基处理的强夯能级，单位为1000kN·m；a表示三轴试验中的围压，单位100kPa；A表示试验所取土样的埋深，单位m。例如:8-1-3.5表示试验土样取自 8000kN·m强夯处理过的黄土场地，埋深3.5m，试验中的围压为100kPa。
试样应切成圆柱形形状，试样直径61.8mm，高度125mm左右。由于土样较硬，先用切土刀切一稍大于规定尺寸的土柱;放在切土架上，用直径61.8mm切土器切削土样，边削边压切土器，直至切削到超出试样高度约2cm为止。取出土样并用对开膜套上，然后将两端削平，称量，并取余土测定试样含水率。
4.2试样安装
（1）开孔隙水压力阀和量管阀，对孔隙水压力系统及压力室底座充水排气后，关孔隙水压力阀和量管阀。
（2）把已检查过的橡皮膜套在承膜筒上，两端翻起，用吸水球从气嘴中不断吸气，使橡皮膜紧贴于筒壁，小心将它套在试样外面，然后让气嘴放气，并用橡皮圈将橡皮膜下端与底座扎紧。
（3）打开孔隙水压力阀和量管阀，使水缓慢地从试样底部流入试样与橡皮膜之间，用刷在试样周围自下而上轻刷，以排除试样与橡皮膜之间的气泡。
（4）打开与试样帽连通的阀门，使试样帽中充水，并连同透水板、滤纸放在试样的上端，降低排水管，使管内水面位于试样中心以下20~40cm，吸除试样上端、试样与橡皮膜之间的余水和气泡，关排水阀。将橡皮膜上端翻贴在试样帽上用橡皮圈扎紧，需要测定土的应力应变关系时，应在试样与透水板之间放置中间夹有硅脂的两层圆形橡皮膜，膜中间应留有直径为1cm的圆孔排水。
（5）安装压力室罩，此时活塞应放在最高位置，以免和试样碰撞，拧紧压力罩密封螺栓，并使传压活塞与土样帽接触。
4.3试样排水固结
（1）调节排水管使管内水面与试样高度的中心齐平，测记排水管水面读数。
（2）开孔隙水压力阀，使孔隙水压力等于大气压力，关孔隙水压力阀，记下初始读数。
（3）将孔隙水压力调至接近周围压力值，施加周围压力后，再打开孔隙水压力阀，待孔隙水压力稳定测定孔隙水压力。本次试验中用到的围压分别为100kPa、200kPa、300kPa。
（4）打开排水阀。固结完成后，关排水阀，测记孔隙水压力和排水管水面读数。固结完成的判断标准为孔隙水压力消散95%以上。
（5）微调压力机升降台，使活塞与试样接触，此时轴向变形指示计的变化值为试样固结时的高度变化。
4.4试样的不排水剪切
（1）剪切应变速率粘土宜为每分钟应变0.05%-0.1%；粉土为每分钟应变0.1%~0.5%。本次试验选择剪切速率为0.4mm/min。
（2）将测力计、轴向变形指示计及孔隙水压力读数均调整至零。
（3）启动电动机，合上离合器，开始剪切。试样每产生0.5mm轴向变形值测记一次。
（4）当测力计读书出现峰值时，剪切应继续进行至轴向应变达15%-20%。
5 夯后黄土应力应变关系曲线的分析
同一深度不同围压下土样的应力应变关系曲线见图4，各条曲线的破坏强度(1一3)p、破坏时的轴向线应变1p、残余强度(1一3)r及曲线类型见表1。
图4 同一深度不同围压下土样的应力应变关系曲线
表1同一深度不同围压下强度与变形成果表
从图4和表1可以看出，夯后饱和黄土在固结不排水条件下的应力应变关系曲线跟围压有关。随着围压的增大，峰值强度和残余强度相应提高，破坏时的轴向线应变基本上也在增大。15000kN·m场地在5.5m处的土样存在反常现象，破坏强度随围压增大而降低。原因是强夯能量传递在水平方向上是从中心向四周递减的，土样不是取自同一个探井，说明夯后土层在平面内依然存在不均匀性。
注：文章内的图表、公式请到PDF格式下查看