結(jié)構(gòu)性對黃土壓縮回彈性能影響的試驗研究

張振龍，徐亞利，劉增榮

（1.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055；2.皖西學院建筑與土木工程學院，安徽 六安 237012）

自然界中的土體受地質(zhì)和環(huán)境的影響，顆粒不僅隨機排列，顆粒與顆粒之間也存在著或強或弱的聯(lián)結(jié)力，使其形成了一定的結(jié)構(gòu)性． 對于黃土而言，由于經(jīng)歷了地質(zhì)年代的第四紀，特定的形成條件和環(huán)境，造就了黃土特殊的顆粒聯(lián)結(jié)和排列特征，形成了明顯的柱狀節(jié)理和大孔隙結(jié)構(gòu)，這種特征往往表現(xiàn)出欠壓密性，在強度上則表現(xiàn)出超固結(jié)土的特性，獨特的結(jié)構(gòu)使得黃土的力學性狀和工程性質(zhì)極為復雜．

從廣義上說，天然土絕大多數(shù)都有結(jié)構(gòu)性． 結(jié)構(gòu)性的研究已經(jīng)成為21世紀的核心問題[1]，很多學者結(jié)合細觀形態(tài)學理論、固體力學理論及土力學理論先后對粘土、軟土以及黃土做了大量的研究，并取得了豐碩的研究成果． 如田堪良等(2011)針對不同的受力條件，提出基于變形條件的黃土結(jié)構(gòu)性參數(shù)、基于強度條件的黃土靜力結(jié)構(gòu)性參數(shù)和基于強度條件的黃土動力結(jié)構(gòu)性參數(shù)型[2]． M.D.Liu和J.P.Carter(1999)根據(jù)土的壓縮試驗，提出了土的結(jié)構(gòu)性壓縮模型[3-4]． 隨后，他們基于臨界狀態(tài)土力學理論提出了悉尼土模型[5-6]． 邵生俊等(2004)提出了一個既能反映土粒微觀排列的結(jié)構(gòu)性,又能反映土粒間由于特殊的膠結(jié)結(jié)構(gòu)而綜合表現(xiàn)出的宏觀力學特征,從而可以開展對土的結(jié)構(gòu)性進行研究的結(jié)構(gòu)性參數(shù)[7]． 沈珠江基于損傷理論并針對結(jié)構(gòu)性粘土提出了復合體模型及堆砌體模型[8]． 陳輝等在 2010年從土力學途徑出發(fā)，在三軸試驗的基礎上，提出了反映重塑黃土和原狀飽和黃土結(jié)構(gòu)性的定量化參數(shù)，較為詳細地研究了重塑黃土和原狀飽和黃土的結(jié)構(gòu)性變化特征[9]． 謝定義和齊吉琳首次提出了用以反映聯(lián)結(jié)特征和排列特征的兩個新概念，即可穩(wěn)性和可變性，通過這兩個概念來反映土的結(jié)構(gòu)性強弱和結(jié)構(gòu)強度的大小[10]． 駱亞生等首先把該思想發(fā)展到復雜應力條件下，定義了基于強度考慮的土結(jié)構(gòu)性參數(shù)，為復雜應力條件下研究土的結(jié)構(gòu)性變化特性和建立結(jié)構(gòu)性本構(gòu)關系奠定了基礎[11]．

本文通過原狀土和重塑土在不同含水量下的側(cè)限壓縮試驗、原狀土在不同荷載下的壓縮回彈再壓縮試驗，詳細分析了黃土的結(jié)構(gòu)性對其壓縮、回彈及再壓縮性能的影響．

1 試驗用土的物理力學性質(zhì)

試驗用土取自西安市郊區(qū)某建筑工地，取土深度為4.0～5.0 m． 所取土樣呈褐黃色，可塑狀態(tài)，屬于典型的Q3黃土． 土樣的物理力學性質(zhì)指標如表1所示．

表1 黃土的物理力學指標Table 1 Physical and mechanical indexes of loess

根據(jù)試驗需要，采用風干法和滴水法制備了8%、16%、22%、28%及飽和五種不同初始含水量的原狀黃土，并放置于保濕缸中24 h以上，使水分均勻分布；制備重塑土試樣時，碾碎原狀土樣削樣的余土，過孔徑為1 mm 的篩，保證與原狀黃土試樣相同的干密度和含水率，通過分層壓樣法制備；飽和樣采用抽氣飽和法制備．

2 試驗設計

為了研究結(jié)構(gòu)性對黃土的壓縮性能、壓縮回彈性能及壓縮回彈再壓縮性能的影響，設計了如下四個試驗：(1)原狀土和重塑土的壓縮試驗；(2)原狀土和重塑土的壓縮回彈試驗；(3)原狀土和重塑土的壓縮回彈再壓縮試驗，選用荷載為400 kPa和800 kPa時卸荷回彈再壓縮；(4)原狀土在不同荷載下回彈再壓縮，對天然含水量下原狀土分別在荷載為50 kPa、100 kPa、400 kPa和800 kPa時回彈再壓縮等四個方面的原狀土和重塑土側(cè)限壓縮試驗．

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 不同含水量下原狀土和重塑土的壓縮試驗

如圖1所示，原狀土樣的壓縮曲線可以分為兩個階段：第一階段，平緩段，即當壓力小于結(jié)構(gòu)屈服壓力時，土樣的壓縮性較小，表現(xiàn)為土體結(jié)構(gòu)在外部荷載作用下基本保持不變，只產(chǎn)生一定量的彈性變形和少許塑性變形（彈性變形為主且有輕微的結(jié)構(gòu)擾動，土的孔隙變化也相對較?。?；第二階段，陡降段，即當壓力超過其結(jié)構(gòu)屈服壓力后，由于顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)產(chǎn)生的膠結(jié)加固強度和特定的排列特征綜合形成的結(jié)構(gòu)強度已經(jīng)無法抗衡外界的荷載，于是土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)大量的破損，除土體結(jié)構(gòu)塌陷外，還伴隨著土顆粒的滑移，所以土樣的變形量顯著增大，且塑性變形在整體變形中所占比重隨著荷載的增加而增大．

圖1 不同含水量原狀土的壓縮曲線Fig.1 The compression curves of undisturbed soil at different water content

當含水量較小時，壓縮曲線在結(jié)構(gòu)屈服壓力前后變化較大，壓縮曲線的平緩段和陡降段的分界明顯，即黃土的結(jié)構(gòu)性在結(jié)構(gòu)屈服壓力前后差異明顯，對壓縮性能的影響顯著． 當含水量相對較高時，壓縮曲線整體上相對比較平緩，平緩段和陡降段的分界點也越來越不明顯，這一特征恰恰說明了水是消弱顆粒間聯(lián)結(jié)強度的主要因素． 隨著含水量的增大，顆粒間的水膜逐漸因水分的增多而變厚，粒間的基質(zhì)吸力降低，顆粒間的膠結(jié)加固強度也因水的膠溶作用而降低，從而破壞了黃土的原始結(jié)構(gòu)，所以原狀土的壓縮曲線會隨著含水量的增加而表現(xiàn)為在結(jié)構(gòu)屈服壓力前后變化不大，壓縮曲線的拐點也越加不明顯． 同時，隨著含水量的增大，壓縮曲線在后期越加平緩．

當含水量和壓力都較大時，壓縮曲線末尾段出現(xiàn)了微微的“上翹”現(xiàn)象． 隨著含水量的增加，曲線的上翹起點所對應的壓力值也有逐漸減小的趨勢，這與文獻[2-4]中的試驗結(jié)果也較為相符．

如圖2所示，含水量對重塑土樣的壓縮曲線也有影響，但是影響很小，除了在較低含水量（w=8%和w=16%）時，微弱的次生結(jié)構(gòu)使得壓縮曲線拐點較為明顯以外，其它含水量下重塑土的壓縮曲線基本呈線性分布，沒有拐點，這也說明重塑土經(jīng)碾壓、過篩后土樣的原始結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全破壞，含水量對于

這種重組排列后的重塑土壓縮性能影響較?。?/p>

圖2 不同含水量重塑土樣的壓縮曲線及分析Fig.2 The compression curves of remoulded soil at different water content

綜上所述可知，原狀土由于顆粒間膠結(jié)物質(zhì)產(chǎn)生的加固強度，當達到一定荷載時，土體的結(jié)構(gòu)性逐漸破壞，土顆粒之間產(chǎn)生相互的滑移以及重新排列，所以在相同含水量、壓力時，原狀土的壓縮變形量比重塑土要?。?因此在該壓力作用下，原狀土的壓縮曲線較重塑土的壓縮曲線要平緩． 當土體的結(jié)構(gòu)完全被破壞時，土體的力學性質(zhì)就不再受結(jié)構(gòu)性的影響，其壓縮曲線自然逐漸向重塑土的壓縮曲線靠近，并且也與重塑土的壓縮曲線形態(tài)相似[2-5]． 所以，含水量越大，原狀土和重塑土的壓縮曲線形態(tài)越接近，尤其表現(xiàn)在飽和原狀土的壓縮曲線與飽和重塑土的壓縮曲線上，兩者都表現(xiàn)為線性分布．

3.2 原狀土與重塑土的壓縮回彈曲線

由圖3可知，相同含水量的原狀土和重塑土在壓力很小時，兩曲線的壓縮變形量基本相當． 隨著壓力的增大，原狀土的結(jié)構(gòu)性逐步開始發(fā)揮作用，兩曲線的變化也發(fā)生了明顯的區(qū)別． 在荷載還沒有達到結(jié)構(gòu)屈服壓力之前，由于結(jié)構(gòu)強度的存在，原狀土的壓縮變形相對較小，所以原狀土的壓縮曲線明顯要比重塑土的壓縮曲線要平緩． 然而，當荷載超過結(jié)構(gòu)屈服壓力之后，由于其特殊的顆粒結(jié)構(gòu)形式（架空式或鑲嵌式形式），并伴隨團粒的壓碎以及內(nèi)部孔隙的不均勻，導致原狀土的壓縮變形迅速增大，明顯大于重塑土，因此原狀土在荷載超過結(jié)構(gòu)屈服壓力后的壓縮曲線明顯比重塑土的更為陡峭，即原狀土的壓縮指數(shù)大于重塑土． 隨著荷載的增加，原狀土的結(jié)構(gòu)性逐漸被破壞，直到完全喪失，原狀土壓縮曲線也逐漸向重塑土靠近． 當達到一定壓力時，兩曲線相交于一點． 此后，隨著荷載的增加，重塑土顆粒的重組和排列使得其結(jié)構(gòu)更加緊密，其抵抗壓縮的性能又略有增強的趨勢，壓縮變形量很有限，因此原狀土的壓縮曲線位于重塑土的壓縮曲線之下．

圖3 原狀土與重塑土的壓縮回彈曲線的對比Fig.3 The compression- resilience curves of undisturbed soil and remoulded soil

另外，從原狀土和重塑土的回彈性能來看，兩者在荷載加至最后一級時，由于原狀土樣的結(jié)構(gòu)性已經(jīng)完全破壞，其回彈性能也趨近于重塑土的回彈性能，即兩土樣的回彈曲線斜率基本一致,即回彈指數(shù)相同．

3.3 原狀土的壓縮曲線與壓縮回彈再壓縮曲線

由圖4可知，含水量相同時，原狀土的壓縮回彈曲線與壓縮回彈再壓縮曲線在回彈點前，兩曲線的壓縮變形量基本相當． 經(jīng)過壓縮回彈后再壓縮時，回彈再壓縮的曲線的變形量明顯小于壓縮曲線，此后的回彈再壓縮曲線也變得平緩了，回彈再壓縮曲線斜率比壓縮曲線斜率要小一些，即壓縮指數(shù)要?。硗猓瑑烧咴谧詈笠患壓奢d回彈的回彈曲線斜率基本一致，即回彈指數(shù)相同．但是回彈后最終孔隙比有所差別． 再壓縮回彈曲線的回彈起始孔隙比與最終孔隙比都比壓縮回彈的要大，即最終壓縮量?。?顯然，這正是因為原狀土具有一定的結(jié)構(gòu)性，而土的結(jié)構(gòu)性是由其排列特征和聯(lián)結(jié)特征共同作用的結(jié)果，在壓縮過程中，一部分的結(jié)構(gòu)性被破壞，使得顆粒發(fā)生排列和重組的調(diào)整并趨近于穩(wěn)定，這種調(diào)整使得其在后期的抗壓性能上發(fā)揮了積極的作用． 另外一部分在回彈后又得到了恢復，兩種作用的綜合結(jié)果使得其回彈再壓縮曲線比壓縮曲線的壓縮量少． 然而這部分恢復的結(jié)構(gòu)性在隨后的加載中又逐漸被破壞，直到結(jié)構(gòu)性完全破壞，所以兩者在最后一級荷載下回彈性能基本相當，即回彈指數(shù)基本一致．

圖4 原狀土的壓縮曲線與壓縮回彈再壓縮曲線的對比Fig.4 The compression curve and compression-resilience curve of undisturbed soil

由圖5可知，在相同含水量時，重塑土的壓縮回彈曲線與壓縮回彈再壓縮曲線整體上基本重合，且其回彈再壓縮曲線斜率基本與前期一致． 對于重塑土而言，即便是回彈后再壓縮對其抗壓性能沒有改變，此時重塑土也基本沒有了結(jié)構(gòu)性． 但是，經(jīng)過回彈，回彈再壓縮曲線的壓縮量要比壓縮回彈曲線的壓縮量略小一些，說明回彈過程中，由于制樣造成的次生結(jié)構(gòu)對其抗壓性能也有所提高，不過提高的程度非常有限．

圖5 重塑土的壓縮回彈與壓縮回彈再壓縮曲線的對比Fig.5 The compression-resilience curve and compression-resilience-recompression curve of remoulded soil

3.4 壓縮回彈再壓縮曲線

由圖6可知，無論是對于最后一級荷載的回彈曲線還是期間任一荷載的回彈曲線來說，兩者在超過結(jié)構(gòu)屈服壓力后的回彈能力基本相當，原狀土的回彈曲線斜率與重塑土的回彈曲線斜率基本一致，即回彈指數(shù)相當． 但是原狀土在回彈后結(jié)構(gòu)性對其抗壓性能有所提高，導致回彈再壓縮曲線在回彈后的曲線比重塑土要平緩一些，即回彈后的壓縮指數(shù)小一些．

圖6 原狀土與重塑土的壓縮回彈再壓縮曲線的對比Fig.6 The compression- resilience-recompression curve of undisturbed soil and remoulded soil

3.5 不同荷載下原狀土回彈再壓縮曲線

由圖 7(a)～(d)可知，原狀土在不同荷載下回彈的性能有明顯差別，尤其是在結(jié)構(gòu)屈服壓力前后表現(xiàn)尤為突出．

圖7 原狀土不同回彈點的壓縮回彈再壓縮曲線對比Fig.7 The resilience-recompression curves for undisturbed soil at the load point

4 結(jié)語

依據(jù)對原狀土和重塑土設計的一系列側(cè)限壓縮試驗，分析了黃土的結(jié)構(gòu)性對其壓縮回彈性能的影響，尤其是對原狀土在結(jié)構(gòu)屈服前后的力學性能變化的影響，得到以下結(jié)論：

（1）相同含水量的原狀土和重塑土隨著壓力的增大，原狀土的結(jié)構(gòu)性逐步發(fā)揮作用，在壓力達到結(jié)構(gòu)屈服壓力之前，原狀土的壓縮變形相對較小，其壓縮曲線明顯要比重塑土的壓縮曲線要平緩；當壓力超過結(jié)構(gòu)屈服壓力之后，原狀土的結(jié)構(gòu)被破壞，導致原狀土的壓縮變形迅速增大，壓縮曲線明顯比重塑土的更為陡峭，原狀土的壓縮指數(shù)比重塑土的大．

（2）隨著荷載的增加，原狀黃土土的結(jié)構(gòu)性逐漸喪失，原狀土壓縮曲線也逐漸向重塑土靠近，其回彈性能也趨近于重塑土的回彈性能．

（3）黃土壓縮回彈再壓縮性能的研究結(jié)果表明：在進行原狀黃土的先期固結(jié)壓力推求時需要考慮其結(jié)構(gòu)性的影響．

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