不同結構性黃土的單軸抗壓試驗及破壞模式

摘要：

結合室內單軸壓縮實驗，對不同初始結構性黃土在單軸應力條件下的結構性變化特性進行研究。研究發現，在同一含水率條件下，原狀黃土試樣的單軸抗壓強度要明顯高于重塑黃土試樣的單軸抗壓強度；當含水率較低時，土樣的破壞主要表現為脆性拉裂破壞，破壞呈現突然性；當初始含水率較低時，含水率對黃土結構亞穩定狀態的影響減小，初始結構強度的損失也相對減小，結構的可變性相對較大，黃土在該狀態條件下所具有的初始結構性較強。構度結構性參數指標隨初始含水率的增大出現驟減，說明在這一階段試樣的初始含水率對黃土的初始結構性的影響較明顯；當黃土的初始含水率達到一定值以后，含水率的增大使得黃土試樣在沉積過程中初始結構性相比低含水率下沉積的黃土試樣，土樣的初始結構性已經部分減小，從而對構度結構性參數指標的影響相對較小。

關鍵詞：

黃土；結構性；單軸抗壓試驗；構度；破壞模式

中圖分類號：

TU444

文獻標志碼：A

文章編號：16744764（2014）04007407

黃土結構性的主要來源是黃土骨架及顆粒之間的膠結[1]。基于黃土的微結構特征，從力學強度及穩定性兩個方面分析，黃土骨架顆粒是整個黃土骨架架空結構的主體，其穩定性很大程度上由黃土顆粒的排列方式所確定，力學強度由黃土顆粒間連接形式所確定[24]，土的結構性主要是通過土顆粒的排列特征和聯結特征來表征，以往的研究表明，這兩個方面對結構性土的力學特性有著顯著的影響，決定著土結構性的強弱，而孔隙比和聯結強度是反映土的顆粒排列特征和聯結特征的兩個重要指標，通過一定的指標來定量化土的結構性及其變化對土的宏觀力學特性顯示影響的性質是結構性研究的根本出發點。結構性可以隨著土中初始含水率及所承受荷載的變化不斷產生變化，這種結構性變化的結果一方面是原生結構的損傷，另一方面是結構的重新定向排列造成的次生結構生成及土體結構的強化。土體最終走向軟化破壞或者是壓密強化實際取決于以上兩種趨勢的相互影響。中國著名的土力學家沈珠江將這種轉變稱之為土力學特性研究的第二次飛躍[5]。土力學的奠基人Terzaghi[6]指出了土的結構在評價土的強度和變形時的重要性。Soga[7]結合Michell等對土體微觀結構的認識，第一次給出了土結構性的定義，即土的結構性是指土的微觀結構的連接效應及其穩定性。巖土體在天然沉積環境下所形成的結構性，正如其在外荷載作用下所表現出的壓硬性和剪脹性一樣，它是天然巖土材料的一種基本特性。謝定義等[8]于1999年在考察土結構性研究歷史的基礎上，提出了一個通過原狀黃土、重塑黃土及飽和黃土的宏觀應力或應變來描述土體結構性變化的定量化參數，這就是基于結構可穩性和結構可變性的綜合結構勢思想。這一研究的核心思想是研究土粒骨架結構的主動作用力和被動阻抗力之間的核心關系。邵生俊等[911]、駱亞生等[12]、陳存禮等[13]、馮志炎[14]、鄧國華等[1516]和羅愛忠等[1719]等開展了相應的研究，并提出可以考慮結構性的相應的黃土應力應變關系。筆者主要基于綜合結構勢思想，以黃土為研究對象，以黃土結構性為切入點，重點研究3種不同黃土在單軸壓縮條件下的結構性損傷演化規律，并尋求黃土初始結構性的準確描述及其對單軸壓縮條件下黃土宏觀力學特性的反映。

1黃土的單軸壓縮試驗及結構性變化分析羅愛忠，等：不同結構性黃土的單軸抗壓試驗及破壞模式

黃土結構性的存在受諸多因素影響，如顆粒形狀、骨架結構粒組構成、組成骨架結構的大孔隙性狀、體中含水率的分布、顆粒中原生礦物成分及形成過程中的沉積環境與歷史等，因而在宏觀上表現出不同的力學性質及反應。長期以來，對土的基本物理性質的描述僅僅局限于粒度、密度和濕度等幾個方面，這種描述中忽視了結構性的存在對黃土宏觀力學特性的影響。筆者從黃土的單軸壓縮試驗著手，尋找土體初始結構性定量化的合理描述，研究構度結構性參數描述黃土初始結構性的可行性和合理性。

11黃土的單軸壓縮試驗研究方案

為了研究不同初始結構性黃土的結構性對其力學特性的影響，比較不同密度和濕度條件下黃土的構度變化與其基本力學特性之間的關系，進行了3種黃土的單軸壓縮試驗。試驗所用的黃土①（loess ①）、黃土②（loess ②）和黃土③（loess ③）分別取自西安南郊曲江民風園地下一探槽內和東郊白鹿塬的兩直立邊坡，取土深度距地表分別為6～7 m、9～10 m，黃土①中砂質成分較多、比較松散，黃土②和黃土③土中鈣質結核較多，通過初始孔隙比及現場觀測可以看出，黃土③較黃土②密實，在原狀試樣制備過程中盡量做到對土樣的擾動最小。3種黃土的基本物性指標如表1所示。按照標準常規三軸試樣（391 mm×80 mm）尺寸制備試樣后，按照試驗計劃，分別對2種黃土進行滴水、風干等措施配置不同的含水量，在室內放置一定時間后在常規應變控制式三軸儀上進行單軸壓縮試驗。對3種黃土分別配置試驗初始含水率為10%、15%、18%、22%、25%，平行進行原狀黃土和干密度相同的重塑黃土試驗，并對3種黃土分別進行飽和黃土試驗。不同含水率的原狀黃土試樣直接用天然含水率的試樣制備，對于小于天然含水率的試樣采用風干法減少其含水率，大于天然含水率的試樣采用水膜轉移法增加其含水率，減少或增加的水的質量通過式（1）計算。

Δmw=w-w0w+w0m0（1）

式中：Δmw為增加或減少的試樣含水率；w為試樣含水率；w0為天然含水率；m0為天然含水率所對應的試樣質量。

對于重塑黃土試樣的制備，首先將取回的天然含水率試樣碾碎過篩，按需要的設計含水率配置不同水分的散狀土樣，將散狀土樣在恒溫保濕缸中靜置5 d，待水分均勻后使用分層制樣器均勻分5層制樣。

為了保證原狀黃土試樣及重塑黃土試樣的水分均勻，制完后的試樣在恒溫保濕缸中靜置2 d后使用。