陳 茜，駱亞生，程大偉

(西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西楊凌712100)

土的結構性是其強度、變形的內在決定因素.在土結構性研究的三大基本途徑(細觀形態(tài)學途徑、固體力學途徑和土力學途徑)中，土力學方法因具有很大的潛力和良好的發(fā)展前景，為業(yè)界學者所青睞.R.Brewer［1］研究發(fā)現了土的結構要素的完整性，特別是土的結構單元的定向排列和分布特征.N.K.Tovey［2］利用液氮凍干技術和電鏡掃描膠帶剝離技術等研究了原狀土的結構性，提出了土結構的微觀圖像定量分析的方法.Yong R.N.等［3］指出不同層次的微結構在受力時表現出不同的力學行為.M.Kavvadas等［4］以適用于重塑土的Cam-Clay模型為基礎構建了結構性土的模型.謝定義、齊吉琳［5-6］提出了反映結構性的定量化參數，并將其引入土的變形本構關系和強度本構關系，使土結構性的研究具有新的特色.陳存禮等［7］根據同壓力下原狀土、重塑土和飽和土的孔隙比定義了一個結構性定量化參數，并通過試驗研究了原狀黃土的結構性隨壓力及含水率變化的規(guī)律性.駱亞生等［8-9］提出了反映土結構性的應變綜合結構性參數，并將其推廣到動力條件下，提出土的動結構性參數，建立了對應于復雜應力條件的土結構性本構模型.邵生俊等［10］通過三軸試驗，由原狀土、重塑土和飽和土的主應力差比值提出了另一種結構性參數，并將結構性參數引入到原狀黃土應力應變研究中.三軸壓縮試驗是一種較完善的測定土體抗剪強度的方法，其試樣的應力較為明確和均勻.但是采用該方法也存在變量太多，很難厘清不同變量對結構性的影響程度，同時對結構性參數的計算造成一定的麻煩的問題，且由于起始狀態(tài)土體的主應力差、主應變均為0，造成采用主應力差表示的結構性參數在此狀態(tài)下無法求解.

本研究對三軸試驗條件下結構性參數進行分析，給出采用割線模量表示的結構性參數.然后，基于三軸試驗土體應力-應變關系建立結構性參數的單變量模型，對甘肅省劉家峽某地黃土進行試驗，以探討三軸試驗條件下結構性參數變化規(guī)律.

1 三軸試驗條件下結構性參數單變量模型

三軸試驗條件下結構性參數可由對應于相同應變條件下原狀土、重塑土和飽和土各自主應力差的比值來表示，表達式為

式中:mε1為基于主應力差考慮的土結構性參數;(σ1-σ3)y為主應變 εy1時原狀土體的主應力差;(σ1-σ3)r為主應變 εr1時重塑土體的主應力差;(σ1-σ3)s為主應變εs1時飽和原狀土體主應力差.

考慮到(σ1- σ3)y，(σ1- σ3)r和(σ1- σ3)s為對應于相同主應變ε1的應力，則式(1)可簡化為

式中:Edy為主應變ε1時原狀土體的割線模量;Edr為主應變ε1時重塑土體的割線模量;Eds為主應變ε1時原狀飽和土體的割線模量.式(2)是基于割線模量表達的結構性參數，避免了由于起始狀態(tài)土體的主應力差、主應變均為0，造成采用主應力差表示的結構性參數在此狀態(tài)下無法求解.考慮到三軸條件下土體應力-應變關系，即

式中:a，b為試驗常數.根據對式(1)的定義，(σ1-σ3)y，(σ1-σ3)r和(σ1- σ3)s對應的原狀土體主應變εy1、重塑土體主應變εr1和飽和原狀土體主應變εs1三者相等，等于主應變ε1，即

則

式中:ay，by，ar，br，as，bs分別為原狀土體、重塑土體和飽和土體的三軸試驗常數.將式(5)-(7)代入式(2)，則可獲得以ε1為單變量的結構性參數模型:

由于涉及的單變量是主動作用，所以用式(8)表示土結構性參數可以直觀地反映主動作用對土體結構性的影響.此外，采用單變量表示土結構性參數，可以簡化計算過程，利于實現數值計算.

2 三軸試驗下結構性參數

2.1 試驗方法及數據

黃土土樣來自甘肅省劉家峽某地，其天然含水率為10.8%，干密度 1.31 g·cm-3，飽和含水率為39%.試驗設備為常規(guī)三軸剪切儀，采用固結排水試驗(CD).固結圍壓分別取 100，200，400 kPa，采用滴水配水法，土樣含水率分別為11%，15%，19%，23%和飽和含水率.試驗數據見圖1.

由圖1可見，在剪切過程中黃土應力-應變關系易受應力狀態(tài)(圍壓)和水濕狀態(tài)的影響.當初始固結圍壓小及含水率較低時，其強度特性近似超固結土，應力-應變曲線呈弱硬化或軟化型，并有剪脹現象.當固結圍壓大或含水率高時，在固結階段，膠結咬合作用遭部分或完全破壞，其強度特性近似正常固結土，應力-應變曲線呈強硬化型，并有剪縮現象.由于重塑土的排列結構已經遭到破壞，故剪切過程中，重塑土表現出的抵抗剪切破壞能力明顯變低.

圖1 原狀土和重塑土的應力-應變曲線

用式(3)對試驗數據進行擬合，得到的擬合參 數如表1所示.

表1 試驗擬合參數一覽表

續(xù)表

2.2 三軸試驗下結構性參數變化規(guī)律

將表1數據擬合參數代入式(8)中，可以得到不同圍壓時三軸試驗條件下的結構性參數.圖2為不同圍壓下土樣結構性參數曲線.

圖2 不同圍壓下土樣結構性參數曲線

由圖2可見，在相同圍壓條件下，對應于相同的應變，結構性參數均隨含水率增大而減小.其原因在于黃土的聯結強度來自土顆粒間膠結力、機械力(如摩擦力)、雙電層力及毛細管張力等土顆粒間的結合力，土中膠結物、黏結物及水分的存在，常使黃土的結構要素間產生顯著的結構聯結，而使黃土具有一定的聯結強度.對黃土浸水增濕，土中含水率增大，會造成膠凝物質間由于水膜楔入而距離拉大，膠結力減弱;溶劑化液膜增厚而顆粒間摩擦力降低;雙電層中離子濃度降低，排斥力將占優(yōu)勢;毛管張力引發(fā)的法向應力將迅速減小甚至完全消失［6-7］.因此，浸水增濕會削弱黃土的聯結強度.從而造成結構性參數均隨含水率增大而減小.

由圖2可知:當圍壓或含水率不太大(如σ3=100 kPa或w≤15%)時，結構性參數隨應變增大而遞減，且遞減速度具有先陡后緩的特點;當圍壓或含水率較大(如σ3=300 kPa，且w≥19%)時，結構性參數隨應變增大而遞增，且遞增速度具有先陡后緩的特點.這些變化特性印證了文獻［11］的結論.即主動作用(應力或應變)的存在，將使土體部分顆粒的聯結中出現微隙和位移(滑動位移)，隨著主動作用繼續(xù)增大，微隙和位移也隨之進一步增大、增多，甚至土體顆粒的團粒遭到破碎和碎裂，直至初始結構強度遭到完全的破壞.同時，土體顆粒間的相互移動和壓密也形成新的次生結構.在這個原生結構被破壞、次生結構形成的過程中，如果前者影響遠超過后者，則土體將會衰化或軟化，直至最終被破壞;如果后者影響大于前者，則土體將進一步被壓實或硬化.顯然，當圍壓或含水率不太大時，結構性參數隨應變的變化所表現出來的特征屬于原生結構破壞的影響遠超過次生結構形成的情形，此條件下土體趨向衰化或軟化;當圍壓和含水率較大時，結構性參數隨應變的變化規(guī)律所表現出來的特征屬于次生結構形成的影響遠超過原生結構破壞的情形，此時土體趨向進一步被壓實或硬化，這與2.1節(jié)相同條件下原狀土體剪切過程的試驗現象相吻合.

三軸試驗結果的分析表明:土體的力學性質由土體自身的結構所決定，而作用在土體上的外部條件(如圍壓、含水率等)的變化會改變土體的結構特性.

3 結論

1)對三軸試驗條件下結構性參數進行化簡得到了采用割線模量表示的結構性參數，其積極意義在于避免了由于起始狀態(tài)土體的主應力差、主應變均為0，造成基于主應力差描述的三軸試驗條件下結構性參數在此狀態(tài)下均無法求解的現象.

2)構建了以主應變?yōu)閱巫兞棵枋龅耐馏w結構性參數模型，采用主動作用為單變量描述的土體結構性參數的積極意義，一方面在于它可以直觀地反映主動作用對土體結構性的影響;另一方面，采用單變量表示土結構性參數，可以簡化計算過程，利于實現數值計算.

3)甘肅省劉家峽某地黃土進行三軸試驗，探討三軸試驗條件下結構性參數的變化規(guī)律.試驗結果表明:土體的力學性質由土體自身的結構所決定，而作用在土體上的外部條件(如圍壓、含水率)的變化會改變土體的結構特性.

References)

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