黃土的初始結構性參數研究

秦鵬成,邵生俊,褚 峰,安中秋

(1.西安理工大學 巖土工程研究所,西安 710048;2.陜西省黃土力學與工程重點實驗室,西安 710048)

黃土的初始結構性參數研究

秦鵬成1,2,邵生俊1,2,褚 峰1,2,安中秋1,2

(1.西安理工大學 巖土工程研究所,西安 710048;2.陜西省黃土力學與工程重點實驗室,西安 710048)

以釋放綜合結構勢的思想為基礎,通過無側限抗壓強度試驗,以原狀土的無側限抗壓強度與其重塑飽和土的無側限抗壓強度的比值,定義了一個反映土初始結構性的參數。研究表明,該初始結構性參數能夠反映干密度、含水量、液塑性、塑性指數、稠度即液性指數對黃土初始結構性的影響,表現出很好的靈敏性、穩定性及合理性。

綜合結構勢;重塑飽和土;無側限抗壓強度;初始結構性

描述黃土的基本物性主要有粒度、密度、濕度、結構性4個物性指標，這4個參數一起決定黃土的力學性質及其變化規律。在謝定義[1]提出綜合結構勢之前,研究者們對黃土的力學性質研究主要基于粒度、密度、濕度3個因素,即依據其顆粒形狀、土粒級配、礦物成分、孔隙比、干密度、液塑限、含水率、飽和度等物理性質來研究黃土的力學性質。其中土的粒度包括土顆粒粗細、顆粒級配以及細顆粒土的礦物成分,其表示方法有液限、塑限及塑性指數。土的密度即土的密實程度,其表示方法有干密度、孔隙比、孔隙率。土的濕度即土的含水程度,其表示方法有含水率、飽和度及液性指數。此階段對土結構性的認識只能從定性角度分析,使得分析黃土的應力-應變特性、抗剪特性等方面存在很大的局限性。因此研究土的結構性特別是對其定量化分析就顯得尤為重要,沈珠江[2]將土結構性分析作為“21世紀土力學的核心”。

黃土結構性經歷了從定性研究發展到現階段的定量化研究。學術界基于定量化研究的三種力學方法為:綜合結構勢[1]、巖土破損力學[3]、四維空間理論[4],其中謝定義提出的綜合結構勢理論,是基于土力學方法,通過破壞土的結構性,使土充分釋放結構勢,來測定土的結構可穩性和結構可變性,此方法是研究土結構性定量化的最有效途徑之一,得到了學術界的廣泛認可。基于綜合結構勢,通過加荷、浸水、擾動充分釋放結構勢為基本出發點,學術界提出了多種結構性定量化參數,概括起來有11種結構性定量化參數,分別為:應變結構性參數，應力結構性參數，振次結構性參數，應力比結構性參數，孔隙比結構性參數，動應力結構性參數，動剪應力結構性參數，模量結構性參數，等向應力(或球應力)結構性參數，這9種屬于在加荷作用下土變形過程的結構性參數；圓錐貫入度結構性參數，構度,后2種屬于初始結構性參數。加荷變形過程結構性參數是動態變化的,在反映土的基本物性上存在一定的局限性,表現為初始結構性破壞以及次生結構性形成,且形成的強度不足以抵抗外加荷載的強度而最終破壞,此過程結構的可穩性(聯結特征)和結構的可變性(排列特征)均起主要作用,結構的可穩性相對來說小于結構的可變性,應力-應變曲線表現為硬化型曲線;土的初始結構性參數主要表現為初始結構性的破壞,是個定值,能夠反映土的基本物性,此過程結構的可穩性(顆粒聯結特征)起關鍵性作用,結構的可變性(顆粒排列特征)要遠遠小于結構的可穩性,應力-應變曲線表現為軟化型曲線。

土的結構性可以用顆粒的聯結特征和顆粒的排列特征綜合反映。使土的綜合結構勢充分釋放出來可以通過擾動、加荷、浸水三種途徑。擾動能破壞土的顆粒聯結,導致顆粒聯結強度降低;加荷有2種作用,既能改變土顆粒間的排列特征,又能改變土顆粒間的聯結特征;浸水既能導致土中化學物質弱化、溶解、吸力聯結喪失,水膜的楔入作用又可使土所固有的脹縮勢得到充分釋放。由于土的結構性是維持土自身結構狀態不變的可穩性與結構變化的可變性的綜合反映[5],所以土的顆粒聯結特征即結構的可穩性可以通過原狀土試樣和擾動重塑土試樣比值來反映;土的顆粒排列特征即結構的可變性可以通過飽和原狀土試樣和原狀土試樣比值來反映。干密度一定條件下,分別對擾動重塑土和飽和原狀土施加荷載來釋放結構勢的方法在學術界得到了廣泛的認可,研究者們通過在壓縮試驗儀、三軸剪切儀、真三軸試驗儀、無側限抗壓強度試驗儀及錐形稠度試驗儀上分別對原狀樣、重塑樣及飽和原狀樣施加荷載進行試驗建立起了多種結構性參數[1,5-7];對擾動重塑飽和土施加荷載同樣可以實現加荷、浸水、擾動使土的綜合結構勢充分釋放,使土的結構性發生破壞的目的。筆者擬在無側限抗壓強度試驗儀上基于飽和重塑土釋放結構勢的思想來研究黃土的初始結構性參數。

1 初始結構性參數的表達式

初始狀態土結構性定量化研究,比較認同和普遍接受的有兩個初始結構性參數:一是馮志焱[8]提出的圓錐貫入度結構性參數;另一個是邵生俊[5]提出的構度指標。基于謝定義提出的釋放綜合結構勢為理論基礎,本文以干密度相同條件下,對擾動重塑飽和土施加荷載來實現釋放結構勢的目的,進而達到通過擾動、浸水、加荷來破壞土的結構性。本文通過對相同干密度的原狀土和重塑飽和土進行無側限抗壓強度試驗,以原狀土的無側限抗壓強度與重塑飽和土的無側限抗壓強度之比來綜合反映土的結構可穩性和結構可變性。反映土初始狀態的結構性參數定義如下:

(1)

式中:mis為土初始結構性參數,i，s分別為初始initial和結構性Structural的首字母;(pu)y、(pu)rs分別為原狀土和重塑飽和土的無側限抗壓強度。

從式(1)看出:土的初始顆粒聯結越強、初始顆粒排列越不穩定,重塑飽和后土的結構強度損失越大,得到重塑飽和土的無側限抗壓強度越小,土的初始結構性參數mis越大。初始結構性參數可以反映土在剪切過程中的初始結構性的損失,即初始結構性參數mis的大小與土結構性強弱有直接而靈敏的聯系。

2 試驗方案

試樣取自西安月登閣場地和西安南郊場地。月登閣場地取土深度分別為12，15，22，25 m;南郊取土深度為20 m。將12，15，22，25,20 m黃土分別用黃土1、黃土2、黃土3、黃土4及黃土5表示。其中:12,15 m黃土屬于Q3黃土;22,25,20 m黃土屬于Q2黃土。5種黃土物性指標見表1所示。

試驗設備為應變控制式三軸剪切儀改進成的應變式無側限壓縮儀。進行不同含水率條件下原狀土和相同干密度重塑飽和土的無側限抗壓強度試驗,試驗剪切速率為0.828,軸向位移計每10格即0.1 mm測記軸向測力計讀數。12，15，22，25，20 m深的原狀土含水率(質量分數)設定為7個:0%，5%，10%，15%，20%，25%，飽和,用于反映含水率對初始結構性參數的影響。原狀土和重塑飽和土采用直徑39.1 mm,高80 mm的尺寸。低于天然含水率的原狀土采用風干方法;高于天然含水率的原狀土采用滴管滴定注水方法;重塑飽和土采用真空抽氣飽和方法。達到所要求含水率后都需在保濕缸中保濕48 h以上。

表1 土的物性指標

3 黃土的無側限抗壓強度試驗

分別對5種黃土(12，15，22，25，20 m)不同含水率(0%，5%，10%，15%，20%，25%，飽和)的原狀土和對應的重塑飽和土進行無側限抗壓強度試驗,得到如圖1-3所示15 m(黃土2)、25 m(黃土4)、20 m(黃土5)黃土的應力-應關系曲線。由圖可見，擾動飽和黃土的應力-應變關系曲線均呈弱軟化型,干密度小的黃土2在應變為2.88%時出現不太明顯的峰值強度即pu=5.36 kPa;而干密度大的黃土4、黃土5在應變分別為0.88%、1%時出現比黃土2大的峰值強度,表現為干密度小的重塑飽和黃土,其出現峰值強度所需要的軸向應變大(即時間長),峰值強度值小;干密度大的重塑飽和土,小軸向應變時即出現峰值,且峰值強度較大。黃土2為Q3黃土,黃土4,5為Q2黃土,說明對于重塑飽和土來說,Q2黃土的無側限抗壓強度比Q3黃土的無側限抗壓強度值大,且Q2黃土在小軸向應變時即出現峰值。從圖中可以看出不同深度的原狀黃土在不同含水率下,應力-應變曲線均呈強軟化型,均在軸向應變不大于2%條件下,達到峰值強度即無側限抗壓強度pu,原狀黃土在不同含水率下均表現為脆性破壞。圖4為含水量與無側限抗壓強度的關系。從圖4可以看出,不同深度的原狀黃土均隨含水量增大其無側限抗壓強度呈減小的變化規律,含水量從0%到15%過程中峰值強度即結構強度急劇減小,對濕度的敏感性很高;含水量從20%到25%時,峰值強度變化相對較小,對濕度敏感性不高。不同深度的黃土隨含水量的增加,達到峰值強度所需的軸向應變總體上也是從大應變過渡到小應變,說明黃土的原生結構損失程度隨含水量增大由小變大,增濕可以使黃土的綜合結構勢釋放出來。可以看出原狀飽和土的應力-應變曲線明顯高于重塑飽和土,說明黃土顆粒排列特征徹底破壞即結構可變性喪失后,原狀飽和土的結構強度依然明顯高于重塑飽和土,說明原狀黃土的顆粒聯結特征即結構的可穩性起作用。進一步說明了濕度(增濕、減濕)是影響黃土結構強度的重要因素之一。

圖1 15 m黃土的應力-應變曲線

圖2 25 m黃土的應力-應變曲線

圖3 20 m黃土的應力-應變曲線

圖4 pu-w關系曲線

4 初始結構性的變化規律

4.1 初始結構性參數與含水率的關系

5種黃土根據不同含水率(質量分數)(0%，5%，10%，15%，20%，25%、飽和)下原狀土和相同干密度下重塑飽和土的無側限抗壓強度,由式(1)定義的初始結構性參數,得出初始結構性參數mis隨含水率的變化曲線如圖5所示。黃土的初始結構性參數mis隨含水量的增加而減小,說明濕度對黃土的初始結構性影響大,在較低含水率時(本文w=15%以下),初始結構性參數隨含水量的增加迅速減小,初始結構勢損失大,衰減大;在較高含水率時,初始結構性參數隨含水量的增加而緩慢減小,初始結構勢損失較小,衰減較緩慢。由于12，15，22，25 m黃土屬于同一場地的土,且12，15 m屬于Q3黃土,22，25 m屬于Q2黃土,Q3黃土的初始結構性參數在不同含水率下大于Q2黃土的初始結構性參數,特別是在較低含水率下,兩者差值幅度大,在較高含水率時兩者差值較小。20 m黃土屬于西安南郊場地土,兩個場地由于土的生成環境、歷史條件,土顆粒的礦物成分、形成年代等不同,導致土的初始結構性也不同,所以南郊的Q2黃土和月登閣的Q2黃土初始結構性參數差值較大。由于Q3黃土的架空空隙大,結構的顆粒排列特征即結構的可變性較大,較Q2黃土處于不穩定狀態,遭到浸水破壞后,結構勢損失大,初始結構性參數大,進一步說明Q3黃土比Q2黃土對水靈敏。

圖5 mis-w關系曲線

4.2 初始結構性參數與塑限-含水率的關系

由于5種黃土的塑限wp平均在20%左右,從初始結構性參數mis與含水率w關系曲線看出:土的含水率大于等于塑限時,土的初始結構性參數小且隨含水量的增大變化幅度小,對水靈敏度小；當土的含水率小于塑限時,土的初始結構性參數較大且隨含水量的減小變化幅度大,土的初始結構性參數表現出大幅度增加,對水靈敏度高。從初始結構強度損失方面得出：含水率較小時,初始結構性參數隨含水率的增加減小幅度大,初始結構強度損失也大;含水率較大時,初始結構性參數隨含水率增加減小幅度小,初始結構強度損失也較小。

4.3 初始結構性參數與密度的關系

黃土的密度可以用干密度、孔隙比、孔隙率表示,本文通過初始結構性參數與干密度關系曲線來反映干密度對初始結構性的影響,如圖6所示。初始結構性參數隨干密度的增加而減小,在含水量較低時,初始結構性參數隨干密度增加減小幅度大,對干密度敏感度高;在含水量較大時(圖6-c)初始結構性參數隨干密度增加減小緩慢,對干密度的敏感度低。在相同含水率下,干密度小的土,其初始結構性參數大,由于12，15 m黃土屬于Q3黃土,Q3黃土的干密度小,孔隙比大,密實度低,土的顆粒聯結特征對應的結構可穩性和顆粒排列特征對應的結構可變性均較強,其在加荷、浸水、擾動作用下,釋放的綜合結構勢大,初始結構強度損失大,對應的初始結構性參數大;22，25，20 m黃土屬于Q2黃土,干密度大,密實度大,顆粒間的空隙小,顆粒的聯結強度低,且顆粒排列在顆粒聯結喪失后處于較穩定狀態,黃土的初始結構性較弱,對應的初始結構性參數小。在較低濕度下,干密度對黃土的初始結構性影響大;在較高濕度下,干密度對黃土的初始結構性影響小,稱為次要影響因素,而含水量相對為主要因素。

圖6 mis-ρd的關系曲線

4.4 初始結構性參數與稠度的關系

土的稠度可以用液性指數IL來表示,表明土的軟硬狀態(堅硬狀態、塑性狀態、流塑狀態),土的稠度綜合反映了土本身的粒度和濕度,土的初始結構性參數隨液性指數的變化規律如圖7所示。土的初始結構性參數隨著液性指數的增大逐漸減小,液性指數較小即含水率w0時,土處于流塑狀態。圖7-a和圖7-b兩種黃土,在相同液性指數條件下,初始結構性參數差值較大,反映了不同土的初始結構性不同；12 m黃土屬于Q3黃土,22 m黃土屬于Q2黃土,進一步說明了液性指數相同條件下,Q3黃土的初始結構性參數比Q2黃土的初始結構性參數大。

5 結論

1) 黃土結構性參數的研究主要分為2種:一種是研究黃土在加荷作用下變形過程中結構性參數的變化規律,是動態變化的。一種是研究黃土初始結構性的定量化指標,是定值。

2) 運用謝定義教授提出的綜合結構勢思想,在干密度相同條件下,對重塑飽和土施加荷載可以使土的綜合結構勢充分釋放出來,以原狀土的無側限抗壓強度與重塑飽和土的無側限抗壓強度比值定義了一個反映黃土初始狀態的初始結構性參數,該參數綜合反映了土的顆粒聯結特征和顆粒排列特征,即綜合反映土的結構可穩性和結構可變性。

圖7 mis-IL的關系曲線

3) 本文定義的初始結構性參數能夠反映干密度、含水量、液塑性、塑性指數、稠度即液性指數對黃土初始結構性的影響,表現出很好的靈敏性、穩定性及合理性。

4) 原狀黃土和重塑飽和土的無側限抗壓強度試驗的應力-應變曲線均表現出軟化型。

5) 初始結構性參數隨含水量的增加而減小,隨塑限與含水率差值的增加而增大,隨干密度的增加逐漸減小,隨液性指數的增加而減小。

6) 在相同條件下,Q3黃土的初始結構性參數比Q2黃土的初始結構性參數大。

7) 初始結構性參數與粒度、密度、濕度一起作為土的初始基本物性指標,在工程應用上具有很大的實用價值和發展潛力。

[1] 謝定義,齊吉林.土的結構性及其定量化參數研究的新途徑[J].巖 土工程學報,1999,21(6):651-656.

[2] 沈珠江.土體結構性的數學模型-21世紀土力學的核心問題[J].巖土工程學報,1996,18(1):95-97.

[3] 沈珠江,陳鐵林.巖土破損力學:基本概念,目標和任務[C]∥中國巖石力學與工程學會第七屆學術大會論文集.北京:中國科學技術出版社,2002:9-12.

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[8] 馮志焱.非飽和黃土結構性定量化參數與結構性本構關系研究[D].西安:西安理工大學,2008.

(編輯：賈麗紅)

Loess Initial Structural Index and Its Research

QIN Pengcheng1,2,SHAO Shengjun1,2,CHU Feng1,2,AN Zhongqiu1,2

(1.InstituteofGeotechnicalEngineering,Xi'anUniversityofTechnology,Xi'an710048,China;2.ShaanxiProvinceKeyLaboratoryofLoessMechanicsandEngineering,Xi'an710048,China)

Soil structural essence includes physical property indexes,Quantitative structural research deals with the study of the structural parameters of soil deformation processes under load,and the study of soil initial structural parameters.In this paper,on the basis of the release of comprehensive structure potential,the ratio of unconfined compressive strength of the undisturbed soil to the unconfined compressive strength of remolded saturated soil was obtained by unconfined compressive strength test,and used to define soil initial an index reflecting structure.Studies have shown that,the initial structural parameter can reflect the influence of dry density,water content,liquid plastic,plastic index,consistency (liquidity index) on the initial structure of loess,showing good sensitivity,stability and rationality.

comprehensive structure potential;remodeling saturated soil;unconfined comcompressive strength;initial structure

1007-9432(2015)06-0707-06

2015-06-05

國家自然科學基金資助項目：黃土的結構性力學特性及其變形與漸進破壞分析方法研究(41272320)；陜西省黃土力學與工程重點實驗室重點科研計劃項目(2010JS084)

秦鵬成(1987-)，男，河南林州人，碩士生，主要從事黃土力學與工程方面的研究工作，(E-mail)18292838583@163.com，(Tel)18292838583

邵生俊(1964-)，男，教授，博導，主要從事黃土力學、黃土動力學等研究。(E-mail)sjshao@xaut.edu.cn

TU43

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.06.014