1 绪论
1.1 研究背景及意义
黄土，土在世界上分布相当广泛，占全球陆地面积的十分之一，而我国的黄土分布十分广泛，我国著名的黄土高原分布也及其广泛，占全国土地面积约为 6.6%，主要涉及华北、东北松花江、西北等地区，人类在此地方日益活动频繁，导致大自然原本生态环境破坏，而生态环境特别敏感的黄土高原更加脆弱，这儿已经成为了世界上水土流失最严重的、灾害发生最频率的地区之一。要在这些地区生活就需要修路、盖楼等各种工程。这些工程与黄土的性质是密不可分的[1]。
黄土由于其生成的原因，造就了它特殊的工程特性。包括其较多的细粒、较大的孔隙、粘聚力较低、初始密度与初始含水量都较低。因此有了如下特性：散体性：黄土颗粒之间存在大量孔隙，透气，透水，并且颗粒之间粘结力低或者无粘结力；多相性：黄体时复杂了多项体系，是由固态、液态、气态三相组成，其每项的含量与其工程性质有着密切关联；自然变异性：黄土由于其想成历史，他成为了一种复杂的多矿物混合物，并且不均匀，随着时间动态变化。
黄土中非饱和黄土分布也极其广泛，黄土由固、液、气三相组成，地下水位以上的黄土中存在气态，处在非饱和状态中，并且它随着水量的变化，对它影响很大，黄土其特殊结构，土体强度主要靠土骨架来承担，土骨架之间的支架孔隙是影响土强度变形的主要因素，在土体浸水过程中，土骨架之间结构在水作用下破坏，强度降低，导致在工程建设过程中，由于土体变形而建筑破坏，造成巨大损失。[2]例如天津郊区一农场，在雨季发生了滑坡灾害，对周围村庄造成了严重了损失，进过调查分析出由于降雨渗水，导致坡体土体含水量降低，土体强度降低，产生坡体破坏；陕西礼泉县兴隆村黄土崩塌，也是由于汛期降水量偏多，再加初冬以来的大雪融化，雨雪入渗致使土壤的含水量接近饱和，且黄土垂直节理发育，致使黄土抗剪强度降低，塬边裂缝上下贯通，在重力的作用下，坡体失稳而产生崩塌；山西省吉县吉昌镇桥南村曾经在黄土塬发生了一起大型黄土崩塌地质灾害。由于黄土在将水时被冲蚀冲刷，长期的溶蚀作用很多地方发育了多处落水洞，直径达到了数米，这些水洞使得黄土山体的整体稳定性降低，在大降雨条件下失稳发生灾难。我们从这些案例深刻地认识到地质灾害是动态变化的，因此只要层层落实了地质灾害防治责任，及时作出相对应的防止措施，就能避免灾难发生。预防地质灾害的发生，就需要对其发生机理进行深彻的研究认识，分析规律及时预防。研究非饱和黄土在水、力作用下的强度变形已经是刻不容缓的。
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1.2 研究现状
1.2.1 黄土结构性
天然沉积的土往往具有显著的结构性，它与土的矿物成分、沉积环境与年代、荷载作用历史等因素有关。早在上世纪土力学学科形成初期，土力学的奠基人Terzaghi（1944）就强调指出[3]，结构对评价粘性土的变形强度与变形特性的重要性。Mitchell（1964）从土宏观组构层次认为土结构是土颗粒、团粒及孔隙的几何排列，Soga（1994）[4]认为土结构的稳定性是由各构成部分的相互作用系统构成的，并且认为土细观组构的联结效应及其稳定性构成了土体结构性，黄土具有竖向微裂隙和大孔隙分布的柱状结构。
在天旱地区，黄原始物经过风力作用的搬运堆积，形成了一种特殊的结构性黄土。从细观结构出发，黄土的结构属于亚稳定结构，颗粒排列不在稳定状态，而是处于有条件稳定的过渡期；当黄土存在环境超过了某个界限，亚稳定结构就将快速向土体颗粒紧密压缩的方向转变。黄土由于其成因的特殊性，大颗粒相互作用，小颗粒附着在大颗粒上，形成了大孔隙结构为主的黄土结构。随着地质环境演变，原生黄土在自然搬迁运动又沉积为新生结构黄土，改变了原生黄土结构；在加载作用下，原先结构发生破坏，产生更加稳定结构。
黄土结构性是指土体颗粒形状、大小、表面特征、定量比例关系、空间分布排列、以及土骨架之间粘结力，孔隙分布大小、形状等情况，这些结构形成在力学性质上变现为抵抗外来压力的能力，结构性与力学性质密切相关，结构性强度是衡量结构性强弱的重要表现。土结构要素及其与宏观力学性质之间的关系仍然处于未知状态，研究困难的原因在于宏观和细观这两种界限上，很少能有一种理论或数学工具能将其统一起来。
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2 试验基本条件与试验方案
2.1 真三轴原理
2.1.1 仪器原理
本次实验使用仪器为西安理工大学邵生俊教授研制的一种新型真三轴仪[63]，它是一种复合式加载方式的试验仪器。西安理工大学研制的新型真三轴仪，它是一种轴向刚性加载侧向柔性加载的真三轴仪器，它是轴向施加大主应力，侧向两对柔性液压囊来施加中主应力和小主应力。试样尺寸为 7*7*14cm 的长方体试样，装样时将土样装在特制的乳胶囊内，下方由陶土板座留置孔固定在底座上，上方由透水板及试样帽来固定，试样的中主应力与小主应力均由液压囊提供。
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2.2非饱和土固结仪
2.2.1 仪器原理
本次试验是做非饱和黄土的试验，因此就需要基质吸力的测量，因此需要用到非饱和土固结仪来测量。
本次实验所用的为 FGJ-20 型非饱和土固结仪[64]，是由陈正汉老师研制的一种可以测量基质吸力的仪器，详情见《非饱和土固结仪和直剪仪的研制及应用》，此仪器可以独立进行孔隙气压和孔隙水压的量测，利用轴平移技术，因此试验在密闭容器中进行。仪器底座有螺旋槽，并且带有进排水口，一端连接上由英国欧美大地制造的 GDS（可以精确量测出孔压和体变，体积分辨率可以达到 0.001cc（1mm3），它还可以用来排除陶土板里面的空气。
陶土板原理：陶土板时一种特殊材料，饱和的陶土板在其限定的进气值内只进气不出气，从而实现水气的独立测量，陶土板具有很多均匀的小孔，在饱和状态下，因毛细现象产生收缩膜，将陶土板表面小孔连接起来，另一方面，收缩膜产生表面张力，来阻止空气进出。膜两边空气气压和水压之间的差就是基质吸力。
轴平移技术：在非饱和土中，孔隙水压为一负值，在测量基质吸力时，对试样施加一个大的气压来提高它的孔隙气压力，从而孔隙水压也随之平移提升，孔隙水压会被提升为一正值，使再进行量测，孔隙气压与孔隙水压两者之差就是基质吸力。
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3 不同路径下非饱和黄土的变形特性研究 ................................. 19
3.1 相关参数的确定 ................................. 19
3.2 土水特征曲线测量 ........................... 19
4 非饱和黄土的强度特性研究 .................................. 41
4.1 非饱和黄土等 b 等 p 剪切应力应变曲线分析 ...................... 41
4.1.1 同一 b 值同一基质吸力不同净固结围压下 εs～q 关系曲线 ................. 41
4.1.2 同一 b 值同一净固结围压不同基质吸力下 εs～q 关系曲线 ................. 43
5 结论与展望 ................................ 51
5.1 结论 .................................... 51
5.2 创新点 .......................... 52
4 非饱和黄土的强度特性研究
4.1 非饱和黄土等 b 等 p 剪切应力应变曲线分析
4.1.1 同一 b 值同一基质吸力不同净固结围压下 εs～q 关系曲线
图 4-1 为 b 为 0，基质吸力为 0kPa，50kPa，100kPa，不同净固结围压下非饱和黄土 剪应变与剪应力之间的关系曲线。
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5 结论与展望
5.1 结论
黄土地区越来越多的工程建设中存在许多工程问题。非饱和黄土的湿剪与剪湿时常见问题之一；天然非饱和黄土由于其自身所具有的大孔隙的架空结构体系，使其具有显著的结构性和水敏性。在扰动、加荷、浸水作用下，非饱和黄土强度变形有很大的改变。比如边坡问题中，应力无改变的边坡只因为增湿也会导致其发生剪切破坏；隧道结构中，隧道拱顶由于浸水，湿陷变形会引起结构破坏。因此利用真三轴仪进行试验研究对实际工程有很大的意义，本文进行了不同净固结围压，不同基质吸力差以及不同 b 值下的增湿-剪切与剪切-增湿试验，对比分析了两种加载路径下的异同点。
（1）基于西安理工大学自主研发的真三轴仪，进一步改进真三轴仪，增加了非饱和试验中三向加载条件下增湿功能，实现了复杂应力条件下黄土增湿-剪切与剪切-增湿真三轴试验。
（2）利用非饱和土固结仪进行原状黄土与重塑黄土的基质吸力测量，得到土水特征曲线；分析出基质吸力随着含水率的增大而降低，并且在不同含水率变化下其降低程度不一样，在含水率高时，变化快，随着含水率降低，变化越来越小。对比在同一基质吸力下，原状黄土由于结构性存在，其含水率比重塑黄土高。
（3）通过真三轴进行增湿-剪切试验可得出：在固结与增湿固结阶段，固结变形随着净固结围压增大而增大，增湿固结变形随着净固结围压增大而减小。在整个试验过程中净平均球应力的增大可以提高土体强度，减小土体变形；基质吸力的增大也可以提高土体强度，减小变形；b 值增大可以降低土体强度，增大变形；分析强度破坏线。发现整体上拟合的很好，验证了试验的准确性。
（4）通过真三轴进行剪切-增湿试验可得出：在小球应力下进行剪切-增湿试验，土体产生变形小，分析土体在试验过程中未发生破坏，随着球应力增大，土体结构发生破坏，产生变形大，在基质吸力差为 200-50kPa 试验中，土体产生变形最大。说明在该应力条件下土体水敏性最强。
参考文献（略）