張向東，李慶文，李廣華，蘇　劍

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)　土木與交通學(xué)院，遼寧　阜新　123000；2.北京城建七建設(shè)工程有限公司,北京　100029；3.遼寧天信工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司,遼寧　阜新　123000)

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原狀非飽和風(fēng)積土的結(jié)構(gòu)性參數(shù)與強(qiáng)度指標(biāo)關(guān)系的試驗(yàn)研究

張向東1，李慶文1，李廣華2，蘇劍3

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院，遼寧阜新123000；2.北京城建七建設(shè)工程有限公司,北京100029；3.遼寧天信工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司,遼寧阜新123000)

利用TSW-40型土壤真三軸儀對(duì)不同干密度與不同含水率的原狀非飽和風(fēng)積土、重塑性非飽和風(fēng)積土和原狀飽和風(fēng)積土試樣進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，探討了原狀非飽和風(fēng)積土的結(jié)構(gòu)性參數(shù)與強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系。研究結(jié)果表明：非飽和風(fēng)積土結(jié)構(gòu)性參數(shù)比mε/mε0與w呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性函數(shù)關(guān)系，與ρd呈現(xiàn)線性正相關(guān)性函數(shù)關(guān)系，非飽和風(fēng)積土強(qiáng)度指標(biāo)比(tanφ/tanφ0,c/c0)與結(jié)構(gòu)性參數(shù)比mε/mε0均滿足二次拋物線函數(shù)關(guān)系；構(gòu)造出能綜合反映非飽和風(fēng)積土結(jié)構(gòu)性影響因素的定量指標(biāo)——綜合結(jié)構(gòu)狀態(tài)變量Pcs，結(jié)合原狀風(fēng)積土天然含水率下的強(qiáng)度指標(biāo)，可在較大范圍求解給定結(jié)構(gòu)狀態(tài)下非飽和風(fēng)積土的強(qiáng)度指標(biāo)。

道路工程；原狀非飽和風(fēng)積土；試驗(yàn)研究；結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度指標(biāo)；應(yīng)變綜合結(jié)構(gòu)勢(shì)；干密度；含水率

0　引言

風(fēng)積土主要是在風(fēng)力的搬運(yùn)作用下，將松散的碎屑物從風(fēng)力較大的地方搬運(yùn)到風(fēng)力相對(duì)較小的地方慢慢沉積下來(lái)的土[1]。我國(guó)風(fēng)積土主要分布在沙漠邊緣的干旱與半干旱氣候帶，其廣泛存在于東北、內(nèi)蒙古、西北等地區(qū)，尤其是遼西阜新地區(qū)[2-3]。因風(fēng)積土大多數(shù)分布在地球表面，位于地下水位以上，且房屋地基、路基填土等均屬于非飽和狀態(tài)的風(fēng)積土，非飽和風(fēng)積土與東北地區(qū)的公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)(已建成的哈大高鐵、在建的京沈高鐵、高速公路及國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)工程項(xiàng)目等)之間的聯(lián)系密不可分。遼西地區(qū)非飽和風(fēng)積土的土質(zhì)比較致密，具有明顯的結(jié)構(gòu)性，在季節(jié)性凍脹、應(yīng)力和滲流等外部影響因素作用下，會(huì)產(chǎn)生凍脹和融沉的特殊變形破壞現(xiàn)象，造成道路大量翻漿冒泥、柔性路面鼓包或開裂、剛性路面斷裂和錯(cuò)縫等，給國(guó)家現(xiàn)代化交通樞紐工程帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，故對(duì)非飽和風(fēng)積土的研究有一定的理論與工程實(shí)用價(jià)值。

到目前為止，已有較多的學(xué)者就土體結(jié)構(gòu)性進(jìn)行了研究。較多的學(xué)者對(duì)黃土的結(jié)構(gòu)性參數(shù)或考慮結(jié)構(gòu)性影響的黃土本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了分析和探討[4-9]，主要研究分析黃土的大孔隙比、欠固結(jié)狀態(tài)、具有很強(qiáng)膠結(jié)的結(jié)構(gòu)、對(duì)水的特殊敏感性等影響因素。駱亞生和謝定義[10-11]等提出一種新的度量黃土結(jié)構(gòu)性的參數(shù)，即應(yīng)變綜合結(jié)構(gòu)勢(shì)mε，利用所提出的應(yīng)變綜合結(jié)構(gòu)勢(shì)的概念，進(jìn)而研究和構(gòu)建非飽和黃土在三軸應(yīng)力環(huán)境中具有結(jié)構(gòu)性的本構(gòu)關(guān)系，以此作為復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境中對(duì)土體結(jié)構(gòu)性本構(gòu)關(guān)系的一種嘗試。駱亞生與胡仲有[12]等利用前人對(duì)非飽和黃土結(jié)構(gòu)性研究成果，初步研究結(jié)構(gòu)性參數(shù)與強(qiáng)度指標(biāo)之間的聯(lián)系規(guī)律，以及如何利用結(jié)構(gòu)性參數(shù)來(lái)求解出黃土處于不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)中的強(qiáng)度指標(biāo)。褚峰[13]等利用非飽和土固結(jié)儀對(duì)原狀非飽和黃土進(jìn)行常含水率固結(jié)試驗(yàn)，重點(diǎn)研究天然干密度和豎向應(yīng)力對(duì)原狀非飽和黃土土水特征的影響。然而目前主要都是關(guān)于軟土與黃土的結(jié)構(gòu)性研究，對(duì)風(fēng)積土的結(jié)構(gòu)性研究比較少。

本研究通過(guò)對(duì)原狀非飽和風(fēng)積土、重塑性非飽和風(fēng)積土和飽和風(fēng)積土進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，獲得不同圍壓環(huán)境中不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)風(fēng)積土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，結(jié)合風(fēng)積土的工程特性與應(yīng)變綜合結(jié)構(gòu)勢(shì)概念，分析研究非飽和風(fēng)積土結(jié)構(gòu)性影響因素(干密度ρd和含水率w)、結(jié)構(gòu)性參數(shù)比mε/mε0、強(qiáng)度指標(biāo)(c，φ)之間的內(nèi)在聯(lián)系規(guī)律，從而構(gòu)造出一個(gè)能綜合反映非飽和風(fēng)積土結(jié)構(gòu)性影響因素的綜合結(jié)構(gòu)狀態(tài)量Pcs，利用原狀風(fēng)積土天然含水率下的強(qiáng)度指標(biāo)，在較大范圍內(nèi)求解出給定結(jié)構(gòu)狀態(tài)下非飽和風(fēng)積土的強(qiáng)度指標(biāo)。

1　應(yīng)變綜合結(jié)構(gòu)勢(shì)mε的確定[10,12]

在特定的圍壓環(huán)境中，分別對(duì)原狀風(fēng)積土、飽和狀態(tài)風(fēng)積土和擾動(dòng)狀態(tài)風(fēng)積土(重塑性風(fēng)積土)進(jìn)行常規(guī)三軸剪切試驗(yàn)，進(jìn)而獲得3種不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)下風(fēng)積土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1　三軸試驗(yàn)原狀、飽和及重塑性風(fēng)積土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1　Stress-strain curves of intact,saturated and remolded aeolian soil in triaxial test

結(jié)合圖1確定出應(yīng)變綜合結(jié)構(gòu)勢(shì)參數(shù)mε的概念，假設(shè)在同一給定應(yīng)變水平條件下原狀風(fēng)積土的剪切應(yīng)力為q0，飽和風(fēng)積土的剪切應(yīng)力為qs，重塑性風(fēng)積土剪切應(yīng)力為qr，原狀與飽和風(fēng)積土之間的差異就是加水使風(fēng)積土處于飽和狀態(tài)，致使原狀風(fēng)積土結(jié)構(gòu)破壞后其結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度降低，主要體現(xiàn)在風(fēng)積土的微觀顆粒排列特性，用m1來(lái)表示；原狀與重塑性風(fēng)積土之間的區(qū)別就是擾動(dòng)致使風(fēng)積土的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞所導(dǎo)致強(qiáng)度損失，主要表征風(fēng)積土的聯(lián)結(jié)特征，用m2來(lái)表示。給出針對(duì)不同應(yīng)變水平結(jié)構(gòu)性參數(shù)的應(yīng)變綜合結(jié)構(gòu)勢(shì)為：

(1)

從上述定義公式可看出，風(fēng)積土的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度越強(qiáng)，因風(fēng)積土的擾動(dòng)導(dǎo)致的強(qiáng)度損失就越高，風(fēng)積土的顆粒排列結(jié)構(gòu)就越不穩(wěn)定，同時(shí)在浸水作用下風(fēng)積土結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞所導(dǎo)致的強(qiáng)度損失也就越大。風(fēng)積土微觀顆粒的排列越不穩(wěn)定，m1就越大，mε也就越大；風(fēng)積土聯(lián)結(jié)強(qiáng)度越強(qiáng)，m2就越小，mε也就越大。故m1和m2的變化都能通過(guò)風(fēng)積土結(jié)構(gòu)性參數(shù)的變化敏感地體現(xiàn)出來(lái)。

2　非飽和風(fēng)積土三軸剪切試驗(yàn)

試驗(yàn)用土來(lái)源于阜新市遼寧工程技術(shù)大學(xué)北校區(qū)附近的原狀風(fēng)積土，為保證試驗(yàn)所采用土的代表性、完整性和均勻性，取土深度為距地面2～3 m處，即從同一地點(diǎn)、相同的埋深處進(jìn)行取土樣。經(jīng)過(guò)前期準(zhǔn)備測(cè)算出，所制備原狀風(fēng)積土試樣的干密度ρd為1.42～1.68 g/cm3，含水率w為8.4%～26.0%。為了研究干密度ρd與含水率w對(duì)原狀非飽和風(fēng)積土結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度指標(biāo)的影響，從已經(jīng)制備出的大量風(fēng)積土試件中挑選出1.42，1.54，1.68 g/cm3，3種干密度的試件進(jìn)行若干個(gè)試驗(yàn)，所取得的風(fēng)積土試樣ρd誤差范圍都在0.01 g/cm3以內(nèi)。對(duì)含水率小于天然含水率的風(fēng)積土土樣采用自然風(fēng)干法，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其含水率，達(dá)到目標(biāo)含水率后，將其放入養(yǎng)護(hù)缸中養(yǎng)護(hù)72 h，待試樣內(nèi)部水分均勻后即可進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)于含水率大于天然含水率的風(fēng)積土土樣，試樣制備采用增水飽和辦法進(jìn)行操作[14]。對(duì)于ρd=1.42 g/cm3的試樣，分別增水配制成8.4%，15.0%，20.8%，26.0%共4種不同含水率情況下的未擾動(dòng)和重塑性風(fēng)積土試樣；對(duì)于ρd=1.54 g/cm3的試樣，分別增水配制成20.8%含水率情況下的未擾動(dòng)和重塑性風(fēng)積土試樣；對(duì)于ρd=1.68 g/cm3的試樣，分別增水配制成20.8%含水率情況下的未擾動(dòng)和重塑性風(fēng)積土試樣。同時(shí)配備與3種干密度相對(duì)應(yīng)的飽和狀態(tài)含水率試樣分別為42.5%，36.4%，28.2%。對(duì)于需增水的風(fēng)積土試樣主要采用水膜轉(zhuǎn)移法，用膠頭滴管將試樣滴定至所要求的含水率狀態(tài)，再將增水完畢的試樣在保濕缸中靜置72 h，以確保增加水分能夠均勻轉(zhuǎn)移。此次試驗(yàn)中共計(jì)15個(gè)不同狀態(tài)的風(fēng)積土試樣，其天然含水率為20.8%。

本文采用遼寧工程技術(shù)大學(xué)巖土工程實(shí)驗(yàn)室TSW-40型土壤真三軸儀進(jìn)行風(fēng)積土固結(jié)排水方式的三軸剪切試驗(yàn)研究，軸向加載最大值為40 kN，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體。試驗(yàn)獲得不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)不同圍壓(100，200，300，400，500 kPa)環(huán)境下風(fēng)積土應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2～圖10所示。

圖2　不同狀態(tài)風(fēng)積土三軸試驗(yàn)曲線(ρd=1.42 g/cm3，w=8.4%)Fig.2　Triaxial test curves of aeolian soil with ρd=1.42 g/cm3 and w=8.4% in different states

圖3　飽和狀態(tài)風(fēng)積土三軸試驗(yàn)曲線(ρd=1.42 g/cm3)Fig.3　Triaxial test curves of aeolian soil with ρd=1.42 g/cm3 in saturated state

通過(guò)對(duì)比上述圖中各曲線分析可知，在給定同一應(yīng)變、同一結(jié)構(gòu)性影響因素(w，ρd)、同一圍壓條件的情況下，不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)風(fēng)積土所能承載主應(yīng)力差量值，原狀非飽和風(fēng)積土高于重塑性非飽和風(fēng)積土，而重塑性非飽和風(fēng)積土高于原狀飽和風(fēng)積土。當(dāng)風(fēng)積土試樣處于較低圍壓環(huán)境中時(shí)(σ3=100，200 kPa)，不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)風(fēng)積土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系呈現(xiàn)硬化型，沒(méi)有峰值應(yīng)力點(diǎn)。曲線大致走向分兩個(gè)階段，第一段是彈塑性變形非線性增加階段，沒(méi)有顯著線性與非線性變形界限的過(guò)渡狀態(tài)，表明這一階段風(fēng)積土試樣的土顆粒之間已經(jīng)產(chǎn)生相對(duì)滑移現(xiàn)象，土體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)累計(jì)損傷變形，大孔隙土體結(jié)構(gòu)開始破壞，剪切變形破裂帶正逐漸形成，呈現(xiàn)剪脹變形；第二階段主要表現(xiàn)為剪切變形破裂帶基本上已經(jīng)形成，有一定程度上的增加傾向，但總體上表現(xiàn)為趨于穩(wěn)定狀態(tài)的衰減曲線，存在一條水平漸近線上限的衰減曲線形式[15]。當(dāng)風(fēng)積土試樣處于較高圍壓環(huán)境中時(shí)(σ3=300，400，500 kPa)，原狀非飽和風(fēng)積土與重塑性非飽和風(fēng)積土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線均呈現(xiàn)塑性、弱或強(qiáng)硬化型，所承擔(dān)的剪切應(yīng)力伴隨著剪切變形增加也逐漸增大，處于均勻固結(jié)圍壓環(huán)境中非飽和風(fēng)積土的結(jié)構(gòu)性發(fā)生部分破壞或者有完全破壞的發(fā)展走向，風(fēng)積土的基本結(jié)構(gòu)屬性已喪失其功能。

圖4　不同狀態(tài)風(fēng)積土三軸試驗(yàn)曲線(ρd=1.42 g/cm3，w=15.0%)Fig.4　Triaxial test curves of aeolian soil with ρd=1.42 g/cm3 and w=15.0% in different states

圖5　不同狀態(tài)風(fēng)積土三軸試驗(yàn)曲線(ρd=1.42 g/cm3,w=20.8%)Fig.5　Triaxial test curves of aeolian soil with ρd=1.42 g/cm3 and w=20.8% in different states

圖6　不同狀態(tài)風(fēng)積土三軸試驗(yàn)曲線(ρd=1.42 g/cm3,w=26.0%)Fig.6　Triaxial test curves of aeolian soil with ρd=1.42 g/cm3 and w=26.0% in different states

圖7　不同狀態(tài)風(fēng)積土三軸試驗(yàn)曲線(ρd=1.54 g/cm3,w=20.8%)Fig.7　Triaxial test curves of aeolian soil with ρd=1.54 g/cm3 and w=20.8% in different states

圖8　飽和狀態(tài)風(fēng)積土三軸試驗(yàn)曲線(ρd=1.54 g/cm3)Fig.8　Triaxial test curves of aeolian soil with ρd=1.54 g/cm3 in saturated state

圖9　不同狀態(tài)風(fēng)積土三軸試驗(yàn)曲線(ρd=1.68 g/cm3,w=20.8%)Fig.9　Triaxial test curves of aeolian soil with ρd=1.68 g/cm3 and w=20.8% in different states

圖10　飽和狀態(tài)風(fēng)積土三軸試驗(yàn)曲線(ρd=1.68 g/cm3)Fig.10　Triaxial test curves of aeolian soil with ρd=1.68 g/cm3 in saturated state

3　非飽和風(fēng)積土結(jié)構(gòu)性與強(qiáng)度指標(biāo)關(guān)系分析

3.1干密度和含水率與結(jié)構(gòu)性參數(shù)mε關(guān)系

依據(jù)上述原狀非飽和風(fēng)積土、重塑性風(fēng)積土和飽和風(fēng)積土三軸剪切試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過(guò)第一小節(jié)應(yīng)變綜合結(jié)構(gòu)勢(shì)的定義可確定出不同圍壓條件下的風(fēng)積土結(jié)構(gòu)性參數(shù)數(shù)值，結(jié)果如表1所示。不同結(jié)構(gòu)性影響因素(干密度ρd與含水率w)的3種不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)下的風(fēng)積土結(jié)構(gòu)性參數(shù)比值均是以干密度ρd=1.42 g/cm3，天然含水率為w=20.8%的結(jié)構(gòu)性參數(shù)作為基礎(chǔ)，最終采用不同圍壓條件下結(jié)構(gòu)性參數(shù)比值的平均量值作為應(yīng)變綜合結(jié)構(gòu)勢(shì)的指標(biāo)[12]。

結(jié)合表1中非飽和風(fēng)積土三軸剪切試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)性參數(shù)比值，將干密度ρd和含水率w看作為函數(shù)關(guān)系的自變量，用非飽和風(fēng)積土結(jié)構(gòu)性參數(shù)比的平均量值作為因變量函數(shù)。利用Origin軟件對(duì)兩對(duì)函數(shù)關(guān)系式的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合分析，確定出mε/mε0-w和mε/mε0-ρd之間的函數(shù)關(guān)系式，如式(2)和式(3)所示，線性相關(guān)系數(shù)為R2=0.999 75和0.997 98，結(jié)構(gòu)性參數(shù)比分別與干密度、含水率的函數(shù)關(guān)系相關(guān)程度顯著，擬合數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖如圖11與圖12所示。從所得到的函數(shù)關(guān)系式可知，風(fēng)積土結(jié)構(gòu)性參數(shù)比與含水率w呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，與干密度ρd呈現(xiàn)線性正相關(guān)的函數(shù)關(guān)系:

(2)

(3)

表1　非飽和風(fēng)積土破壞應(yīng)變下結(jié)構(gòu)性參數(shù)及其參數(shù)比值

圖11　結(jié)構(gòu)性參數(shù)比mε/mε0與含水率 w的關(guān)系Fig.11　Relation between structural parameter ratio mε/ mε0 and moisture content w

圖12　結(jié)構(gòu)性參數(shù)比mε/mε0與干密度ρd的關(guān)系Fig.12　Relation between structural parameter ratio mε/mε0 and dry density ρd

3.2結(jié)構(gòu)性參數(shù)mε與強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系

根據(jù)文獻(xiàn)[16]中采用Excel非線性規(guī)劃求解三軸試驗(yàn)強(qiáng)度包線的數(shù)學(xué)模型，對(duì)上述不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)(原狀非飽和、重塑性及飽和)的風(fēng)積土剪切三軸試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行處理分析，從而獲得非飽和風(fēng)積土三軸剪切試驗(yàn)結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度指標(biāo)(c，φ)的具體量值。同時(shí)確定出以ρd=1.42 g/cm3，w=20.8%原狀非飽和風(fēng)積土的強(qiáng)度指標(biāo)作為其他含水率與干密度條件下剪切強(qiáng)度指標(biāo)比值的基準(zhǔn)，具體詳見(jiàn)表2。

表2　非飽和風(fēng)積土強(qiáng)度指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果及其比值

通過(guò)對(duì)表2分析可知，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)直接得到風(fēng)積土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(c，φ)，就其在數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論上的意義而言，只是得到前人已得到的一般常識(shí)性認(rèn)識(shí)。但是將表1和表2進(jìn)行比較分析可知，非飽和風(fēng)積土的結(jié)構(gòu)性參數(shù)比值與強(qiáng)度指標(biāo)中內(nèi)摩擦角正切比值比較相似，從某種發(fā)展趨勢(shì)上看吻合度較高。將表1中的非飽和風(fēng)積土結(jié)構(gòu)性參數(shù)比平均量值作為函數(shù)關(guān)系的自變量，表2中風(fēng)積土強(qiáng)度指標(biāo)比值作為函數(shù)關(guān)系的因變量，應(yīng)用Origin軟件對(duì)上述函數(shù)關(guān)系所確定的風(fēng)積土剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合分析，從而得到tanφ/tanφ0-mε/mε0和c/c0-mε/mε0的二次非線性函數(shù)關(guān)系式(4)與式(5)所示，擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)方程曲線如圖13和圖14所示。

(4)

(5)

圖13　內(nèi)摩擦角正切比tan φ /tan φ0與結(jié)構(gòu)參數(shù)比mε/mε0關(guān)系Fig.13　Relation between ratio of tangent internal friction angles tan φ /tan φ0 and structural parameter ratio mε/mε0

圖14　黏聚力比c/c0與結(jié)構(gòu)性參數(shù)比mε/mε0關(guān)系Fig.14　Relation between cohesive force ratio c/c0 and structural parameter ratio mε/mε0

將上述非線性擬合結(jié)果進(jìn)行分析可知，非飽和風(fēng)積土強(qiáng)度指標(biāo)比(tanφ/tanφ0，c/c0)與其結(jié)構(gòu)性參數(shù)比平均量值(mε/mε0)之間均滿足二次拋物線函數(shù)關(guān)系，其非線性相關(guān)系數(shù)R2分別為0.969 53和0.817 89，擬合效果良好。

4　構(gòu)建綜合結(jié)構(gòu)狀態(tài)變量及其應(yīng)用

經(jīng)過(guò)上述試驗(yàn)與分析可知，得到的關(guān)于風(fēng)積土結(jié)構(gòu)性參數(shù)的函數(shù)關(guān)系式對(duì)非飽和狀態(tài)、重塑性狀態(tài)及飽和狀態(tài)風(fēng)積土都能使用，即原狀風(fēng)積土，含水率w的應(yīng)用范圍在8.4%～26.0%之間，干密度ρd應(yīng)用區(qū)間為1.42 ～1.68 g/cm3之間。為能更好研究非飽和風(fēng)積土不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)與其結(jié)構(gòu)性參數(shù)比的函數(shù)關(guān)系，假設(shè)非飽和風(fēng)積土的含水率、干密度已經(jīng)確定，風(fēng)積土的結(jié)構(gòu)性參數(shù)比和含水率、干密度函數(shù)關(guān)系仍采用式(2)和式(3)，從而得到一個(gè)綜合影響力結(jié)構(gòu)性參數(shù)，即關(guān)于含水率w及干密度ρd的二元函數(shù)關(guān)系式，將綜合影響力結(jié)構(gòu)性參數(shù)稱之為非飽和風(fēng)積土的綜合結(jié)構(gòu)狀態(tài)變量，用Pcs來(lái)表示[12]。由式(2)可知風(fēng)積土結(jié)構(gòu)性參數(shù)比與其含水率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，由式(3)可知風(fēng)積土結(jié)構(gòu)性參數(shù)比與其干密度呈現(xiàn)正相關(guān)，同時(shí)也要考慮到非飽和原狀風(fēng)積土的影響，故可構(gòu)造出Pcs的函數(shù)表達(dá)式為：

(6)

將表1中非飽和原狀風(fēng)積土三軸剪切試驗(yàn)所用的試樣基本信息代入到式(6)中，可獲得綜合結(jié)構(gòu)狀態(tài)變量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，利用Origin軟件對(duì)結(jié)構(gòu)性參數(shù)比與綜合結(jié)構(gòu)狀態(tài)變量的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行非線性擬合分析，非線性擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.892 34，得到良好的擬合函數(shù)關(guān)系如圖15所示。

圖15　結(jié)構(gòu)性參數(shù)比與綜合結(jié)構(gòu)狀態(tài)量關(guān)系Fig.15　Relation between structural parameter ratio mε/mε0 and comprehensive structural state Pcs

非飽和風(fēng)積土結(jié)構(gòu)性參數(shù)比與綜合結(jié)構(gòu)狀態(tài)變量的函數(shù)關(guān)系式如式(7)所示：

(7)

結(jié)合式(6)和式(7)可知，由任意給定干密度和含水率的條件下可得到與之相對(duì)應(yīng)的風(fēng)積土結(jié)構(gòu)性參數(shù)比，結(jié)合式(4)、式(5)及非飽和原狀風(fēng)積土天然含水率與其相應(yīng)的三軸剪切強(qiáng)度指標(biāo)值，即可求解出任意給定不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)環(huán)境中非飽和風(fēng)積土的剪切強(qiáng)度指標(biāo)。

5　結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)非飽和風(fēng)積土、重塑性風(fēng)積土和飽和風(fēng)積土進(jìn)行剪切試驗(yàn)，結(jié)合風(fēng)積土的工程特性與確定的應(yīng)變綜合結(jié)構(gòu)勢(shì)概念，分析研究非飽和風(fēng)積土結(jié)構(gòu)性影響因素(干密度ρd和含水率w)、結(jié)構(gòu)性參數(shù)比mε/mε0、強(qiáng)度指標(biāo)(c，φ)三者之間的內(nèi)在聯(lián)系規(guī)律。得到如下結(jié)論：

(1)通過(guò)擬合分析非飽和風(fēng)積土結(jié)構(gòu)性影響因素、結(jié)構(gòu)性參數(shù)比、強(qiáng)度指標(biāo)三者間內(nèi)在關(guān)聯(lián)性可知，其結(jié)構(gòu)性參數(shù)比mε/mε0與含水率w呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性函數(shù)關(guān)系，與干密度ρd呈現(xiàn)線性正相關(guān)性函數(shù)關(guān)系，非飽和風(fēng)積土結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度指標(biāo)比(tanφ/tanφ0，c/c0)與其結(jié)構(gòu)性參數(shù)比量值(mε/mε0)之間均滿足二次拋物線函數(shù)關(guān)系。利用擬合得到的內(nèi)在函數(shù)關(guān)系，獲得一個(gè)能綜合反映非飽和風(fēng)積土結(jié)構(gòu)性影響因素的結(jié)構(gòu)性參數(shù)函數(shù)關(guān)系式——綜合結(jié)構(gòu)狀態(tài)變量Pcs。

(2)基于Origin軟件對(duì)結(jié)構(gòu)性參數(shù)比與綜合結(jié)構(gòu)狀態(tài)變量間函數(shù)關(guān)系進(jìn)行非線性擬合，可很好反映風(fēng)積土各結(jié)構(gòu)性影響因素(ρd，w)的綜合影響，在給定ρd與w的綜合結(jié)構(gòu)狀態(tài)變量Pcs可求解出其結(jié)構(gòu)性參數(shù)比，進(jìn)而可以計(jì)算出任意給定不同結(jié)構(gòu)性狀態(tài)下非飽和風(fēng)積土的強(qiáng)度指標(biāo)。

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Experimental Research on Relationship of Structural Parameters with Structural Strength Indexes of Intact Unsaturated Aeolian Soil

ZHANG Xiang-dong1，LI Qing-wen1，LI Guang-hua2，SU Jian3

(1.School of Civil Engineering and Transportation，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin Liaoning 123000，China；2.Beijing Seventh Urban Construction Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100029，China；3.Liaoning Tianxin Engineering Design Consulting Co.,Ltd.，F(xiàn)uxin Liaoning 123000，China)

Triaxial shear experimental research on intact unsaturated aeolian soil,remolded unsaturated aeolian soil and intact saturated aeolian soil with different dry densities and moisture contents is conducted by using TSW-40 soil true triaxial apparatus，and the relationship of structural parameters with structural strength indexes of intact unsaturated aeolian soil is explored.The test result shows that (1) the functional relationship between structural parameter ratiomε/mε0and moisture contentwis negative correlation;(2) the functional relationship betweenmε/mε0and dry densityρdis the linear positive correlation;(3) the functional relationship of the ratio of structural strength indexes tanφ/tanφ0andc/c0with structural parameter ratiomε/mε0are all the quadratic parabolic function.The quantitative index which reflects the structural influencing factors on characteristics of intact unsaturated aeolian soil，named synthetical structural state variablePcs，is put forward.Considering the strength indexes of intact aeolian soil with natural moisture content,the shear strength indexes of intact unsaturated aeolian soil with discretional structural state can be calculated.

road engineering;intact unsaturated aeolian soil;experimental research;structural strength index;strain-CSP;dry density;moisture content

2014-11-26

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50978131)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20112121110004)

張向東(1962-)，男，吉林榆樹人，教授，博士生導(dǎo)師.(jwd101@126.com)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.01.007

U416.212

A

1002-0268(2016)01-0041-08