羅愛忠，邵生俊，方娟，陳昌祿

（1.畢節(jié)學院 土木建筑工程學院，貴州 畢節(jié)551700；2.西安理工大學 巖土工程研究所，西安710048）

黃土結構性的主要來源是黃土骨架及顆粒之間的膠結［1］?；邳S土的微結構特征，從力學強度及穩(wěn)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(wěn)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［2－4］，土的結構性主要是通過土顆粒的排列特征和聯(lián)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(lián)結強度是反映土的顆粒排列特征和聯(lián)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(fā)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(chǎn)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(wěn)定性。巖土體在天然沉積環(huán)境下所形成的結構性，正如其在外荷載作用下所表現(xiàn)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(shù)，這就是基于結構可穩(wěn)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［9－11］、駱 亞 生 等［12］、陳 存 禮等［13］、馮志炎［14］、鄧 國 華 等［15－16］和 羅 愛 忠 等［17－19］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(guī)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

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(huán)境與歷史等，因而在宏觀上表現(xiàn)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(shù)描述黃土初始結構性的可行性和合理性。

1.1 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（loess①）、黃土②（loess②）和黃土③（loess③）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6～7m、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(xiàn)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(guī)三軸試樣（39.1mm×80mm）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(guī)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。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5d，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2d后使用。

表1 3種黃土的基本物理性質指標

1.2 黃土的單軸抗壓試驗結果分析

黃土單軸壓縮試驗儀器選擇常規(guī)應變控制三軸儀。為獲得較多的、均勻的試驗數(shù)據(jù)和記錄峰值強度，試驗中百分表每間隔0.01讀數(shù)一次。試驗完成標準為：量力環(huán)出現(xiàn)峰值后繼續(xù)讀數(shù)，當應變持續(xù)3%～5%后停止試驗；當讀數(shù)無峰值時，試驗應進行到應變達15%為止。依據(jù)試驗結果給出軸向應變與單軸壓縮應力之間的關系，3種黃土的單軸壓縮試驗結果整理如圖1～圖3所示。

圖1 不同含水率條件下黃土①單軸壓縮試驗結果對比

圖2 不同含水率條件下黃土②單軸壓縮試驗結果對比

圖3 不同含水率條件下黃土③單軸壓縮試驗結果對比

圖1 ～圖3給出了不同含水率條件下原狀黃土和相同條件下的重塑黃土、以及飽和黃土之間的單軸壓縮試驗應力應變關系曲線。從圖1～圖3可以看出，在單軸壓縮應力條件下，具有不同初始結構狀態(tài)黃土的應力應變關系均表現(xiàn)出一定的應變軟化特性，從材料類型上來說屬于典型脆性破壞材料，在強度特性上具有明顯的峰值強度現(xiàn)象。分析認為，在變形發(fā)展的初期，由于軸向壓縮荷載的大小還不足以對土結構造成破壞，單軸壓縮應力應變關系曲線呈現(xiàn)出陡直的上升階段，變形較小，變形處于彈性變形階段，可以認為土單元未進入屈服狀態(tài)，塑性變形未發(fā)展。當軸向壓縮荷載產(chǎn)生的應力大小有足夠能力破壞土體的原生結構時，土體的綜合結構勢開始發(fā)生衰減變化，黃土顆粒所構成的架空骨架結構開始發(fā)生變化，最終走向破壞，在應力應變關系曲線形態(tài)上，表現(xiàn)出峰值開始出現(xiàn)，并伴隨單軸壓縮應力強度的急劇降低?；谒苄岳碚摰挠^點，隨著軸向壓縮荷載的增大，土體變形由彈性狀態(tài)轉向塑性屈服，土骨架顆粒之間滑移變形增大，部分顆粒之間聯(lián)結破壞并同時伴隨出現(xiàn)骨架顆粒之間微裂隙出現(xiàn)，隨著微裂隙發(fā)展及其在土單元內形成貫通，骨架顆粒最終破壞，土中剪切帶產(chǎn)生。依據(jù)綜合結構勢的思想，擾動重塑和浸水飽和一定程度上能破壞土的原生結構性，從而使土骨架顆粒之間的聯(lián)結和排列發(fā)生改變，黃土的綜合結構勢得到充分釋放。從圖1～圖3還可以看出，不同含水率的原狀樣、重塑樣及飽和原狀樣在抵抗軸向荷載的能力上表現(xiàn)出明顯差異，且其基本隨含水率的增大而減小，這同時也是綜合結構勢思想的在黃土的單軸壓縮試驗上的一個驗證。

在同一含水率條件下，原狀黃土試樣的單軸壓縮強度要明顯高于重塑黃土試樣，重塑黃土試樣的單軸壓縮強度又明顯高于飽和黃土試樣。依據(jù)綜合結構勢思想的觀點分析，試樣重塑過程實際上是土體顆粒排列的重分布過程，重塑過程中黃土試樣單元的結構性擾動勢得到有效釋放，擾動重塑使得土體顆粒的排列更加均勻化，粒間大孔隙及豎向裂隙愈合，從而影響到了黃土結構性的改變。試樣在飽和過程中，原狀黃土試樣結構性的水敏勢得到充分釋放，水膜的楔入，改變了原生礦物的粒間結合，次生黏土礦物顆粒形成的粒間膠結發(fā)生分解，從而使土結構性發(fā)生了明顯的改變，單軸壓縮結構強度表現(xiàn)出明顯的降低；骨架顆粒間膠結的喪失及顆粒的均勻排列，形成了一種新的穩(wěn)定的次生結構。

當含水率較低時，土樣破壞主要表現(xiàn)為脆性拉裂破壞，破壞呈現(xiàn)突然性，單軸壓縮峰值強度一般在軸向應變達到2%出現(xiàn)；隨著含水率的增大，應力應變關系也表現(xiàn)為應變軟化型，但是，峰值強度到達后，強度較小的速率逐漸減慢，峰值點后曲線形態(tài)較為平緩。重塑黃土試樣峰值強度出現(xiàn)的時間大多晚于原狀試樣，也即是峰值強度出現(xiàn)時對應的軸向應變大于相同條件下的原狀樣峰值強度出現(xiàn)時軸向應變，同時由于壓密作用的影響，會在軸向變形發(fā)展到一定值時出現(xiàn)強度超過原狀樣的現(xiàn)象。

2 黃土的構度變化規(guī)律

已有結構性參數(shù)描述的是土在變形過程中的結構性損傷演化規(guī)律，它們不能反映土初始結構性狀的特點。邵生俊等［20］在考察壓縮變形過程中結構性參數(shù)變化規(guī)律（如三軸、真三軸剪切變形過程中的結構性參數(shù)）的基礎上，從能夠反映土結構性的抗剪切效應及方便試驗測試的角度出發(fā)，基于綜合結構勢的思想，提出通過原狀黃土、重塑黃土和飽和黃土的單軸壓縮試驗強度來定義黃土的初始結構性，從而建立了構度結構性參數(shù)。試驗中原狀樣與重塑樣的峰值強度比值反映重塑造成的結構損失，由飽和樣與原狀樣的峰值強度比值反映排列的變化引起的結構損失，二者的比值綜合起來反映土的初始結構性 構度指標，計算式為

式中：mu為構度；m1為結構可穩(wěn)性參數(shù)，m2為結構可變性參數(shù)；（qu）o、（qu）r、（qu）s分別為原狀黃土、重塑黃土和飽和黃土的無側限抗壓強度。土的結構性的不同，一定程度上是由于顆粒形狀、顆粒構成、孔隙性狀、礦物成分、沉積環(huán)境與應力歷史等因素的不同造成的。長期以來土體的結構性由于缺乏一個定量描述其初始結構性的參數(shù)，使其游離于土的基本物理力學性質研究的框架之外（土的物理力學性質的研究僅僅局限于粒度、密度和濕度3個方向上描述）。因此，將構度結構性參數(shù)作為初始結構性的狀態(tài)量，與土的粒度、密度和濕度一起作為土體物理力學性質研究的框架內容，將更能反映結構性土的強度、變形等基本宏觀力學性質，如果進一步將其反映到結構性宏觀力學行為中，必將為實際工程應用帶來很好的發(fā)展前景。王帥［21］、陶虎［22］等研究了構度與濕度、密度、粒度之間的相互關系，認為構度作為一個基本的物理量，可以獨立、合理地反應土的初始結構性。單軸壓縮條件下，整理構度與單軸壓縮強度的關系如圖4、圖5所示，從圖4、圖5中可以看出，構度與單軸壓縮強度之間具有較好的相關性，隨著構度的增大，3種黃土的單軸抗壓強度值近似線性增大，3種黃土所表現(xiàn)出的規(guī)律具有一定的一致性，這也體現(xiàn)了構度定義的合理性和用其描述土初始結構性具有一定的優(yōu)勢。

圖4 黃土的單軸抗壓強度與初始含水率關系

圖5 黃土的單軸抗壓強度與構度關系

圖6 給出了3種黃土的構度隨初始含水率變化的規(guī)律。從圖6可以看出，3種黃土的構度結隨初始含水率的變化曲線規(guī)律比較相似，含水率對初始結構性的影響在圖6中可以分為2個不同的階段：當初始含水率較低時，含水率對黃土的結構亞穩(wěn)定狀態(tài)的影響較小，初始結構強度的損失也相對減小，結構的可變性相對較大，黃土的初始結構性較強，在構度隨后續(xù)含水率的變化方面，構度指標隨含水率的增大出現(xiàn)驟減，說明初始含水率對黃土的初始結構性影響明顯；當黃土的初始含水率達到一定值以后，構度指標受含水率的影響變化較小，可以理解為含水率的增大使得黃土試樣在沉積過程中初始結構性相對于低含水率下沉積的黃土試樣，土樣的初始結構性已經(jīng)較小，從而對構度指標的影響相對減小。通過圖4～圖6所顯示出的規(guī)律可以看出，除了黃土物質成分、特性狀態(tài)、相對含量的變化外，它們之間的相互作用也是構成土體的初始結構性具有典型時空變異性的根本原因，土體在外部環(huán)境變化條件下所表現(xiàn)出的宏觀力學特性的變化僅僅是土體結構在不同力系作用下綜合表現(xiàn)。它一方面受制于土體粒度、密度及濕度的變化，另一方面還取決與土體所賦存的初始結構狀態(tài)，它在土的生成過程及生成環(huán)境中形成。

圖6 構度結構性參數(shù)與初始含水率的關系

對巖土工程實踐來說，巖土體材料的宏觀理論及其微觀機理分析研究的目的是為了工程實際應用及對各種工程現(xiàn)象分析。為了便于理論分析構度及其應用與理論實際的需要，結合構度所描述的初始結構性的特點，考慮含水率及土體基本物理性質變化關系，黃土構度可以用式（3）描述。

式中：mu表征土的構度結構性參數(shù)；e0為土的初始孔隙比；ρd為土的干密度；w為土體的初始含水率；Ip為塑性指數(shù)。

土密度是土體固相特性的反映，它是衡量固相大小的指標。當土體結構中水分完全喪失時，土密度被稱為干密度；當氣相全部被液體充滿時，其為飽和土，其密度稱為飽和密度；孔隙中既有水也有空氣時，稱為非飽和土，此時土的密度介于干密度和飽和密度之間。影響密度大小的主要因素除了顆粒的物質成分之外，還與孔隙的大小有關，即初始孔隙比e0直接影響到土的密實度。黃土是在干濕交替的環(huán)境下風積而成，因此其結構性和欠壓密性是其主要特征，在荷載作用下，結構性土往往表現(xiàn)出超固結土特性。王帥［21］、陶虎［22］等研究了密度、粒度、濕度與構度之間的關系。

對于某一特定的某一區(qū)域性場地土類，初始孔隙比e0及干密度ρd一般是一定的，場地土體初始結構性的不同主要表現(xiàn)在含水率的不同，式（3）可以進一步簡化為初始含水率的函數(shù)

從式（4）可以看出，對于初始密度、粒度一定的結構性土，式（3）實際上回歸到初始含水率的單值函數(shù)，考察式（4），結合圖6所給出的構度隨含水率的變化關系曲線，構度指標可以進一步表示為式（5）所示的經(jīng)驗關系式。

式中：mu為構度；w為土體的初始含水率，a1、b1為與土類相關的材料參數(shù)。對于所研究的3種黃土，表2給出了3種黃土的材料參數(shù)變化。這2個土類相關的材料參數(shù)a1、b1一方面與黃土體的粒度、密度相關，另一方面還與黃土體的孔隙比變化及孔隙的賦存狀態(tài)密切相關。但是限于篇幅及研究目的，不再進行初始孔隙比及干密度與土體結構性之間的相關性分析，在表2中僅僅給出了所研究的3種黃土的相關材料參數(shù)。

表2 3種黃土構度結構性參數(shù)相關材料參數(shù)

3 單軸壓縮條件下黃土試樣破壞形態(tài)

土樣破壞形態(tài)與土結構性變化發(fā)展及強度特性密切相關。在試驗過程中，試樣在外部荷載作用過程中有明顯的剪切帶形成時，土體結構性破壞實際上集中于土樣的剪切帶發(fā)展部位，在試樣其它部位，結構性變化發(fā)展程度則相對減?。环粗?，如果試樣在外部荷載作用時沒有明顯剪切帶形成，那么整個土樣結構性在加載過程中都有可能遭到了破壞，顯然，破壞局部的結構性要比破壞整體結構性耗散更少的功。因此，用不同破壞方式土樣試驗結果來研究土的結構性及其力學效果存在一定誤差。

對于土體試樣的2種破壞形態(tài)，其結構性變化發(fā)展規(guī)律存在明顯的差異。圖7、圖8給出了相應含水率條件下單軸壓縮應力條件下的黃土試樣破壞形態(tài)。通過圖7、圖8可以看出，在單軸壓縮條件下黃土試樣破壞方式多為脆性破壞，有明顯剪切帶出現(xiàn)，當含水率較高時，土樣的破壞形態(tài)轉變?yōu)樗苄怨拿洠▊荣~）直至整體的破壞。

圖7 原狀黃土單軸壓縮試樣的破壞形態(tài)

圖8 重塑黃土單軸壓縮試樣的破壞形態(tài)

對于原狀黃土試樣，當初始含水率較低時，試驗過程中呈現(xiàn)明顯剪切帶，其破壞形態(tài)為錐形，隨著試樣初始含水率的增大，剪切破壞帶現(xiàn)象逐漸減弱，并伴隨著黃土試樣剪切面數(shù)量的減少，最后只形成一個較為完整的剪切面，當初始含水率較高時，剪切帶逐漸消失，并帶有側向的鼓脹現(xiàn)象出現(xiàn)，試樣呈現(xiàn)整體破壞形態(tài)。

對于重塑黃土試樣，當含水率較低時，由于擾動成樣原因，使得土樣顆粒排列規(guī)整、均勻。整個土體結構穩(wěn)定性較好，故其結構破壞面較明顯，均為一個較為完整的剪切破壞面，當試樣初始含水率較高時，重塑土樣的結構受到水膜的移動及分子遷移的影響，其結構的穩(wěn)定性減弱，可變性能增加，強度有所降低，結構的破壞面明顯減弱，進而形成側脹等破壞方式?？傮w而言，重塑土樣的破壞方式較為簡單，含水率較低時為一剪切面，隨著含水率的增大，剪切面消失、鼓脹形成。

從圖7、圖8可以看出，在單軸壓縮條件下黃土的破壞方式有3類，即側脹破壞、多縫錐形破壞面和有一明顯剪切破壞面的剪切破壞。破壞方式與含水率有著密切聯(lián)系，含水率是研究結構性土試樣破壞方式的第一要務。含水率較大時不易產(chǎn)生剪切帶，破壞形式表現(xiàn)為側脹破壞；含水率較小時，易形成剪切帶，破壞形式表現(xiàn)為傾斜破壞面，當原狀黃土在較低含水率時，其結構由于受到各項異性的影響，結構產(chǎn)生多個虛弱面，最后在單軸限壓縮條件下，形成多條的剪切帶，破壞形式為多縫錐形破壞面。考慮到土結構性的變化規(guī)律，不難看出，結構性強的土，在外部荷載作用下，易形成明顯的破壞軌跡；結構性弱的土，在外部荷載的作用下，不易形成明顯的破壞軌跡，表現(xiàn)為側脹破壞。

4 結 論

通過3種不同黃土的單軸壓縮試驗，研究了3種原狀黃土、重塑黃土和飽和黃土的單軸壓縮應力應變關系特性，基于綜合結構勢思想，在總結前人研究成果的基礎上，分別對3種黃土總結了構度指標的變化規(guī)律，論述了構度指標作為土初始結構性定量描述的合理性。

1）在單軸壓縮應力條件下，具有不同初始結構狀態(tài)黃土應力應變關系均表現(xiàn)出一定的應變軟化特性，屬于典型脆性破壞材料，在強度特性上有明顯的峰值強度現(xiàn)象。

2）構度與單軸壓縮強度之間具有較好的相關性，隨著構度的增大，3種黃土的單軸抗壓強度值近似線性增大，3種黃土所表現(xiàn)出的規(guī)律具有一定的一致性，這也體現(xiàn)了構度定義的合理性和其描述土體初始結構性具有一定的優(yōu)勢。

3）3種黃土的構度隨含水率的變化曲線規(guī)律比較相似，含水率對初始結構性的影響有2個不同的階段，并提出了構度的具體數(shù)學描述。

4）在單軸壓縮條件下，黃土的破壞方式有側脹破壞、多縫錐形破壞面和有一明顯剪切破壞面的剪切破壞，其破壞方式與含水率有著密切聯(lián)系。

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