非飽和黃土的結構性與強度特性的關系

張寧寧，駱亞生

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非飽和黃土的結構性與強度特性的關系

張寧寧，駱亞生

(西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西楊凌，712100)

根據原狀黃土、重塑黃土和飽和重塑黃土的應力?應變曲線對比，定義黃土結構強度勢參數。通過三軸試驗探討不同圍壓和含水率對土體結構強度勢參數的影響，研究土體結構強度勢參數與其抗剪強度指標之間的關系。研究結果表明：圍壓和含水率是影響土體結構性的2個主要因素，結構強度勢參數隨不同圍壓的變化曲線均處在一較狹窄的條帶范圍內，具有很好的歸一性，結構強度勢參數隨含水率的增大而減小；土體結構強度勢參數隨著軸向應變的增長先線性增長在達到峰值后又呈指數形式迅速衰減；結構強度勢參數與黏聚力具有指數關系，結構強度勢參數與內摩擦角具有線性關系；考慮結構強度勢參數的抗剪強度準則可以全面地反映具有結構性土體的強度特性，比莫爾?庫侖強度準則更符合實際工程。

非飽和黃土；結構強度勢參數；抗剪強度；圍壓；含水率

土體的結構是其強度、變形的內在因素。土的結構性是指構成土體的顆粒的形狀、大小、表面特征、定量的比例關系、空間上的排列以及骨架顆粒的膠結形式，孔隙的形態、大小、數量以及分布情況等[1]。原狀黃土在沉積過程中形成了大孔隙骨架結構，顆粒間接觸點處經過長期的物理化學作用而逐漸形成了膠結。同時，由于比較特殊的粒狀架空體系和顆粒間的聯結強度[2]，從而也使原狀黃土具有結構性和結構強度，在力學性質上表現為土體保持原結構狀態不被破壞的能力[3]。土的結構性對土工程性質的重要性已成為共識，被認為是“21世紀土力學的核心問題”[4]。土結構性研究分為3種途徑：細觀形態學途徑、固體力學途徑和土力學途徑。謝定義等[5]以原狀土、重塑土和飽和土的應變為基礎提出了基于釋放土體結構勢思想確定土體結構的定量化參數(基于應變考慮的結構性參數)，該方法能夠定量揭示土結構性及其變化的力學效果，而比定性顯示土結構性的形象特征或從個別側面定量描述土結構性的差異更具有優越性。駱亞生等[6?7]基于三軸試驗提出了反映黃土結構性的應變綜合結構勢參數，建立了對應于復雜應力條件的土結構性本構模型。陳存禮等[8]根據同一壓力下原狀、重塑和飽和黃土的孔隙比定義了一個定量結構性參數，研究了結構性參數隨壓力和含水率變化的規律性。邵生俊等[9?10]提出了基于應力考慮的結構性參數，并將結構性參數引入到原狀黃土的應力?應變關系分析中，建立了非飽和濕陷性黃土的本構模型。馮志焱 等[11?12]根據原狀土體、重塑土體和飽和原狀土體的試錐入土深度提出了試錐下沉結構性參數，通過試驗證明了結構性定量化參數能夠描述土由初始物理狀態到等向應力條件下再到偏壓剪切條件下的全過程中，土結構性變化的連續性。田堪良等[13?14]提出黃土的結構強度就是由聯結結構強度和摩擦結構強度組成的。因此，本文作者以陜西楊凌原狀黃土、重塑黃土和飽和重塑黃土作為研究對象，通過三軸剪切試驗，對其在不同含水率和圍壓下結構性變化特性及其與強度特性關系進行研究。

1 試驗方法

試驗所用黃土土樣均取自陜西楊凌渭河Ⅱ級階地，取土深度為4.0 m，屬于Q3黃土。試驗土樣的物理性質指標見表1。

表1 陜西楊凌土樣的物理性質指標

為保證試驗成果的可靠性和試驗數據的可比性，試驗制備過程嚴格遵守文獻[15]的要求。原狀土的取土、運輸和制備時要盡量減少人為對土體的擾動。將現場取回的原狀土樣分別制成不同含水率的原狀試樣和相應的(同含水率、同密度)重塑試樣以及相應的(同密度)飽和重塑試樣。

制備重塑試樣時，先將土樣碾碎、過篩、拌勻，充分破壞土樣的天然結構，然后按所需含水率均勻加水攪拌，保濕靜置24 h，分層壓實至要求的密度(天然干密度)，要求試樣的含水率和密度的制樣相對誤差不超過1%。所制備的土樣初始含水率分別為9.89%，13.05%，15.61%，18.77%，21.49%以及飽和狀態共6種；飽和試樣采用抽氣飽和的方法進行飽和。

為保證試樣中的水分均勻，將制好的試樣放入養護缸中靜置48 h。試驗時初始固結圍壓3分別為100，200和400 kPa，試驗采用固結不排水(CU)，剪切速率為0.02 mm/min。

2 結構強度勢參數及其變化規律

2.1 結構強度勢參數定義

謝定義等[5]認為擾動、加荷和浸水是改變原狀土結構的主要作用，通過重塑、擾動和浸水飽和可使原狀土的結構勢充分釋放出來，因此，在三軸儀上分別對原狀土、重塑土以及飽和重塑土進行剪切試驗所得到的應力?應變曲線的形狀如圖1所示。圖中0，r以及s分別為某一軸向應變1下原狀土、重塑土和飽和重塑土的強度(1?3)。當軸向應變1相同時，原狀黃土的強度0最大，飽和重塑土的強度s最小，重塑土的強度r在二者之間。

圖1 三軸試驗時原狀土、重塑土和飽和重塑土的應力?應變曲線

(0?r)反映了原狀黃土的聯結結構的強度，以聯結結構強度勢參數1來反映原狀黃土聯接結構性的強弱(1=(0?r)/s)。1越大，表明原狀黃土的聯結結構性愈強，聯結結構被完全擾動后的強度損失越大。

(r?s)反映了重塑黃土遇水后結構的弱化和結構強度的損失，以摩擦結構強度勢參數2來反映重塑黃土摩擦結構性的強弱(2=(r–s)/s)。2越大，表明重塑黃土的摩擦結構性愈強，摩擦結構愈水弱化后強度損失越大。

黃土的結構強度是由黃土顆粒之間的聯結結構強度和摩擦結構強度組成。因此，可以用黃土的聯結強度勢1與摩擦結構強度勢2之商即結構強度勢參數=1/2來反映黃土總的結構強度勢。既包含了黃土的聯結結構強度勢，又包含了黃土的摩擦結構強度勢，綜合反映了黃土的結構性強弱，可以作為一個定量描述黃土結構性的參數。

由式(1)可知：為0，r以及s的函數，即=(0，r，s)。其中，0，r以及s又隨應變1的不同而不同，即0=(1)，r=(1)，s=(1)。

2.2 結構強度勢參數變化規律

試驗結果表明，原狀黃土的應力?應變曲線有軟化型也有硬化型，試樣在低含水率和低圍壓下呈現應變軟化型，隨著試樣含水率和圍壓的增大，其應力?應變曲線呈現硬化型，其主要原因是較高的含水率和較大的圍壓破壞了原狀土的結構性，當含水率較高和圍壓較大時，土體的結構性遭受嚴重破壞，其應力?應變曲線呈現硬化型。重塑黃土的應力?應變曲線均呈硬化型。因此，在研究黃土的結構強度勢參數時，將初始含水率和初始固結圍壓作為影響因素考慮在內很有必要。

2.2.1 結構強度勢參數與初始固結圍壓的變化規律

圖2所示為不同初始含水率下結構強度勢參數與不同初始固結圍壓的變化規律。從圖2可以看出：結構強度勢參數具有峰值max，其峰值所對應的軸向應變1在1%附近，記為εmax。當軸向應變1小于εmax時，結構強度勢參數隨軸向應變1的增大呈線性增大；當軸向應變1大于εmax時，結構強度勢參數隨軸向應變1的增大反而減小，并呈指數形式迅速減小，最后趨于0；這表明土體的結構性在變形的初期對土體的特性影響較大，隨著軸向應變1的增長其影響越來越小；出現max說明土體具有一定的結構調整與壓密效果，在壓力較小時，處于結構壓密階段，隨著壓力的增長，土體的初始結構因土顆粒的調整壓密而使結構性參數逐漸增大，當壓力增大到一定值時，處于結構性破壞階段。壓力的增大使土體的結構性逐漸發生破壞，結構性參數降低，孔隙比也降低，壓縮性較大。從圖2還可以看出：在相同含水率下，結構強度勢參數隨圍壓的變化呈規律性變化，結構強度勢參數隨軸向應變1的變化曲線均處在一較狹窄的條帶范圍內，即結構強度勢參數對不同圍壓有較好的歸一性。

含水率/%: (a) 9.89; (b) 13.05; (c) 15.61; (d) 18.77; (e) 21.46

2.2.2 結構強度勢參數與初始含水率的變化規律

圖3所示為不同初始固結圍壓下結構強度勢參數與不同初始含水率的變化規律。從圖3可以看出：不同初始含水率的試樣在相同固結圍壓時的土體結構強度勢參數隨著軸向應變1的變化規律相似，都是先呈線性增大，達到峰值max后又以指數形式迅速減小。但土體的結構強度勢參數峰值max隨著含水率的變化比隨圍壓的變化更加明顯，max隨著含水率的增加而減小。這是由于土體在含水率較小時，土體顆粒之間的摩擦力很大，摩擦強度也很大，在較小的力作用下，結構難以被破壞，隨著軸力的增大，結構才逐漸破壞，摩擦結構強度才逐漸發揮出來，土體的結構強度勢參數隨著含水率的增加而減小。

σ3/kPa: (a) 100; (b) 200; (c) 400

不同圍壓下的結構強度勢參數max與不同含水率的關系曲線如圖4所示。從圖4可以看出：結構強度勢參數max隨含水率的變化有明顯變化規律，max隨含水率的減小而增大，具有很好的線性關系，相關系數2在不同圍壓下均接近于1。圍壓對土體結構性的影響沒有含水率對其影響明顯。

圍壓/kPa: 1—100; 2—200; 3—400

2.3 結構強度勢參數與抗剪強度關系分析

天然沉積的原狀黃土表現出顯著的結構性；通過擾動、加荷和浸水等方式可使原狀土的結構勢充分釋放出來。原狀土的應力?應變曲線既有軟化型又有硬化性，重塑土的應力?應變曲線均為硬化型；土體在剪切過程中，伴隨著土結構的破損，黃土所表現出抵抗變形的能力將逐漸減弱，其強度也將發生明顯變化。在剪切變形初期(1＜εmax)，結構強度勢參數隨應變的增長而增大，土體抵抗剪切破壞的能力仍增強；當土體承受的剪切應力達到峰值后，隨著變形的增加，其結構強度勢參數呈衰減趨勢，與抗剪強度的衰減一致。可見：土體的抗剪強度與其結構性有密切關系，不同結構性的土的抗剪強度不同，結構性的增長與衰減過程伴隨著土體抗剪強度的充分發揮和衰減。由于軟化型應力?應變曲線在峰值處強度充分發揮；硬化型應力?應變曲線在剪切破壞時強度充分發揮。因此，依據土體不同的結構強度勢參數對應強度的試驗結果(見表2)，可以分析土體結構強度勢參數與其抗剪強度指標的關系。

表2 土體結構強度勢參數與其抗剪強度試驗結果

注：YZ表示原狀土樣；CS表示重塑土樣。

圖5 土體結構強度勢參數與黏聚力c的關系

圖6 土體結構強度勢參數與內摩擦角φ的關系

土的抗剪強度準則是由莫爾?庫侖提出，并在土力學中得到了廣泛應用，但其由于土體的結構性強度是變化的，即呈非線性。因此，線性的莫爾?庫侖準則對具有結構性的土體不再完全適用。所以，本文擬將土體結構強度勢參數引入莫爾?庫侖準則中，以此來反映結構性土的強度特征。考慮結構性影響的抗剪強度公式可表述為

式(6)將土體的抗剪強度表述成結構強度勢參數的函數，通過強度參數與結構強度勢參數之間的關系來描述具有結構性土體的強度特征。另外，結構強度勢參數已經考慮了土體初始含水率、初始固結圍壓的影響，因此，這種表達方式可以全面地反應具有結構性土體的強度特性。將式(2)和(4)以及式(3)和(5)分別代入式(6)中得到原狀土考慮土體結構性的抗剪強度公式(式(7))和重塑土考慮土體結構性的抗剪強度公式(式(8))。式(7)和式(8)中不再用，而用代替，因為是隨變化而變化的。

將計算值與試驗值進行對比分析，見圖7和圖8。由圖7和圖8可以看出：考慮土體結構性的抗剪強度公式計算值不再符合直線規律，而是呈曲線變化，這與土體的實際受力過程相符合，更有助于實際工程意義。

1—計算值，w=9.89%；2—試驗值，w=9.89%；3—計算值，w=13.05%；4—試驗值，w=13.05%；5—計算值，w=15.61%；6—試驗值，w=15.61%；7—計算值，w=18.77%；8—試驗值，w=18.77%；9—計算值，w=21.49%；10—試驗值，w=21.49%

1—計算值，w=9.89%；2—試驗值，w=9.89%；3—計算值，w=13.05%；4—試驗值，w=13.05%；5—計算值，w=15.61%；6—試驗值，w=15.61%；7—計算值，w=18.77%；8—試驗值，w=18.77%；9—計算值，w=21.49%；10—試驗值，w=21.49%

3 結論

1) 黃土的結構強度是由黃土顆粒之間的聯結結構強度和摩擦結構強度組成。通過原狀非飽和黃土、重塑黃土以及飽和重塑黃土的應力?應變關系對比，定義了結構強度勢參數，為研究非飽和黃土結構提供了新的途徑。

2) 土體結構強度勢參數隨著土體軸向應變的增長分為2個階段：第1階段，當1＜ηmax時，土體結構強度勢參數隨軸向的應變的增長呈線性迅速增長，直到達到峰值max，此時ηmax接近于1%；第2階段，當1＞ηmax時，土體結構強度勢參數隨軸向的應變的增長呈指數形式迅速減小。

3) 在相同含水率下，結構強度勢參數隨圍壓的變化呈規律性變化，結構強度勢參數隨軸向應變1的變化曲線均處在一較狹窄的條帶范圍內，即結構強度勢參數對不同圍壓有較好的歸一性；在相同圍壓下，結構強度勢參數隨土體含水率的增加而減小，由于土體在含水率較小時，黃土顆粒之間的摩擦力很大，摩擦結構強度勢較大。

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Relationship between structure and strength property of unsaturated loess

ZHANG Ningning, LUO Yasheng

(College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A & F University, Yangling 712100, China)

Based on the stress?strain curves of undisturbed loess, disturbed loess and saturated disturbed loess, structural parameterwas defined. The effect of confining pressure and moisture content on structural parameter was analyzed, and the relationship between structural strength potential parameter and shearing strength parameter was discussed. The results indicate that the structure of loess is mainly affected by confining pressure and moisture content. The relationship curves between structural strength potential parameter and confining pressure have the very good normalization in a relatively narrow band range. The water content of loess is larger, and its structure parameter’ peak is stronger. The structure parameter increases linearly, then reaches the peak, and later decreases exponentially with the increment of strain. The relationship between structural strength potential parameter and cohesion is exponential and the structural strength potential parameter is linearly related to internal friction angle. The shear strength criterion, which considers structural strength potential parameter, comprehensively specifies strength property of structural soil, and it is superior to Mohr-Coulomb strength criterion, and more in line with actual engineering.

unsaturated loess; structural strength potential parameters; shear strength; confining pressure; moisture content

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.05.036

TU444

A

1672?7207(2015)05?1838?07

2014?05?19；

2014?08?30

國家自然科學基金資助項目(51178392) (Project(51178392) supported by the National Natural Science Foundation of China)

駱亞生，教授，博士生導師，從事黃土力學與工程的研究；E-mail: 771545499@qq.com

(編輯 趙俊)