李 燦，周海清，宋強輝，2，汪儒鴻

(1.中國人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院 軍事設(shè)施系 巖土力學(xué)與地質(zhì)環(huán)境保護重慶市重點實驗室， 重慶 401331; 2.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院， 重慶 400042)

工程實踐和理論研究表明，未受擾動的天然土體均具有一定的結(jié)構(gòu)性。土體的結(jié)構(gòu)性指土粒本身的形狀、大小和特征，土粒在空間的排列形式、孔隙狀況及粒間接觸和聯(lián)結(jié)特征的總和[1]，是在土體沉積歷史中形成的，受到物理、化學(xué)和生物等復(fù)雜作用的影響[2-3]，因此，天然結(jié)構(gòu)性土的力學(xué)特性包含了相應(yīng)重塑土不具備的所有特性[4]。沈珠江院士[5]認(rèn)為，隨著結(jié)構(gòu)性工程問題的凸顯，21世紀(jì)土力學(xué)的核心問題是土體結(jié)構(gòu)性的數(shù)學(xué)模型。結(jié)構(gòu)性土力學(xué)特性的影響在很早以前就得到認(rèn)知[6]，土結(jié)構(gòu)性和孔隙比與應(yīng)力歷史一樣對天然沉積土的力學(xué)特性有非常重要的影響[7-9]。在松散堆積體邊坡的破壞型式中，以花崗巖殘積土邊坡為代表的結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡破壞作用特別巨大，它發(fā)生得非常迅速，破壞前沒有明顯的變形征兆，缺乏災(zāi)變預(yù)兆，因此結(jié)構(gòu)性土的研究也一直是巖土領(lǐng)域研究中的重難點[10]。

室內(nèi)土工試驗使用的重塑土破壞了土體原有的結(jié)構(gòu)性，采用室內(nèi)重塑土試驗結(jié)果應(yīng)用于工程實際問題往往誤差較大。為了更好地符合工程實際問題，應(yīng)對天然結(jié)構(gòu)性土開展研究，但是在取樣和制樣方面存在較多的困難，且試樣的均一性差，取樣時不可避免地對原狀土造成擾動，如取土器與土樣的摩擦、外力作用下的變形、溫度變化和應(yīng)力釋放以及后期的試樣運輸、儲存、切樣[11]，這些因素都會導(dǎo)致破壞土的原有結(jié)構(gòu)，對天然結(jié)構(gòu)性土研究帶來很大困難。因此在室內(nèi)制備出力學(xué)特性與原狀土相同的結(jié)構(gòu)性試樣顯得尤為重要，對結(jié)構(gòu)性的定量研究有重大意義。

目前人工制備結(jié)構(gòu)性土的方法[12-14]主要是：在原狀土料中加入少量水泥和鹽粒以形成顆粒間的膠結(jié)作用和大孔隙組構(gòu)以模擬天然黏土的結(jié)構(gòu)性[15]；也有在粉質(zhì)黏土中加入水泥粉末，同時加入鹽粒[16]或冰片[17]的方法；在原始黃土料中人工形成顆粒間的CaCO3膠結(jié)作用和大孔隙制備結(jié)構(gòu)性黃土樣[18]；Malandraki提出了混有少量高嶺土砂的高溫灼燒法[19]。

制備結(jié)構(gòu)性黃土樣經(jīng)常用控制水泥含量來模擬結(jié)構(gòu)性的強弱，目前研究人員對水泥含量、干密度、孔隙比、含水率對土的結(jié)構(gòu)性影響已經(jīng)做了系列工作[20-21]，但對水泥硬化時間研究甚少。如劉邦安[17]根據(jù)工況及試驗內(nèi)容不同凝期為24、48、60 h，李建紅[22]在試驗中保證水泥水化時間為 3 d，李曉強[23]將混有水泥的試驗在水中飽和48 h，劉恩龍將土樣養(yǎng)護7 d。

鑒于考慮人工制備結(jié)構(gòu)性土室內(nèi)試驗對于試樣的養(yǎng)護時間還沒有系統(tǒng)性的研究，本文將研究不同養(yǎng)護時間對試樣應(yīng)變軟化特性的影響，為后續(xù)人工制備結(jié)構(gòu)性土室內(nèi)試驗研究奠定基礎(chǔ)。

1 試驗方案設(shè)計與試驗過程

1.1 試驗用土

黃土作為一種分布較廣泛的特殊土，具有結(jié)構(gòu)性的特殊性質(zhì)[24]。本試驗所用的土料為天然黃土粉末，采用液塑限聯(lián)合測定儀測定土的液限和塑限，比重使用比重瓶進行測定，其物理性質(zhì)指標(biāo)：ωP=17.3，ωL=31.1，ρd.MAX=1.91，ωop=12.5。

將土料充分風(fēng)干后過0.1 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩，然后加入一定含量的硅酸鹽水泥，配合成混合料，為了使顆粒間形成良好的膠結(jié)，水泥也過0.1 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩，添加的水泥含量為總質(zhì)量的5%。

1.2 試樣制備方法

試驗嚴(yán)格按照土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50123—1999的要求，將按質(zhì)量比配合好的混合料配置成初始含水率ω=10%的土樣，浸潤一晚，采用標(biāo)準(zhǔn)擊實器，將所需質(zhì)量的土料分5層擊實，層與層之間需用刀片劃割，避免試樣出現(xiàn)分層現(xiàn)象影響試驗，最終統(tǒng)一制成干密度為1.5 g/cm3的三軸標(biāo)準(zhǔn)試樣。

1.3 三軸壓縮試驗

將裝有標(biāo)準(zhǔn)試樣的飽和器放入飽和罐進行抽氣飽和并養(yǎng)護。本試驗根據(jù)養(yǎng)護時間不同一共分為5組，每組含若干個試樣，養(yǎng)護時間分別1、3、7、15、30 d。

達到要求養(yǎng)護時間后，將試樣從飽和器中取出，按照試驗操作要求進行三軸壓縮試驗，試驗過程見圖1。將每組試樣分別在100、150、200 kPa的圍壓中進行多次不固結(jié)不排水三軸壓縮試驗。

2 試驗結(jié)果分析

在進行養(yǎng)護30 d試樣飽和器剝離時，由于水泥水化時間長，水泥強度得到有效發(fā)揮，試樣與飽和器壁緊貼，剝離時失敗率很高，試樣難以完整地從飽和器中取出；取出的試樣硬度大，強度高，整體性質(zhì)偏向于巖石，與天然結(jié)構(gòu)性土性質(zhì)差異較大，因此不再考慮養(yǎng)護30 d的情況。

圖1 試驗儀器及過程

試樣的破壞狀態(tài)見圖2，可以發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護1 d的試樣，土體表面無明顯裂隙，土體有一定的變形，呈現(xiàn)鼓脹破壞的特點；養(yǎng)護3～15 d的試樣，多呈現(xiàn)縱向或斜向劈裂型破壞，具有明顯脆性破壞的特征。其中養(yǎng)護3 d的試樣表面裂隙更多，呈現(xiàn)出復(fù)雜的破壞狀態(tài)，而養(yǎng)護7 d和養(yǎng)護15 d的試樣表面裂隙相對較少。

圖2 三軸試樣破壞狀態(tài)

不同養(yǎng)護時間的試樣在不同圍壓條件下的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖3 偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線

從以上試驗結(jié)果可知，在不固結(jié)不排水試驗中，試樣表現(xiàn)出的變形規(guī)律為：隨著圍壓增大，偏應(yīng)力增加。養(yǎng)護1 d的試樣在150 kPa和100 kPa圍壓下的最大偏應(yīng)力差值較小。養(yǎng)護3 d的試樣在200 kPa和 150 kPa圍壓下的最大偏應(yīng)力差值較小，在150 kPa和 100 kPa圍壓下的最大偏應(yīng)力差值較大。養(yǎng)護7 d和15 d的試樣隨著圍壓增大，最大偏應(yīng)力均勻增加，150 kPa圍壓下殘余強度略高于100 kPa圍壓下的試樣。

從偏應(yīng)力增長的趨勢來看，養(yǎng)護1 d的試樣在不同圍壓下增長趨勢不同，圍壓越高，增長越快。養(yǎng)護3 d、7 d和15 d的試樣不同圍壓下增長趨勢大致相同。

由圖3分析可知，每組試樣都體現(xiàn)了應(yīng)變軟化特性，可以明顯看出，養(yǎng)護時間不同，應(yīng)變軟化程度也不同，為量化描述應(yīng)變軟化程度，提出應(yīng)變軟化系數(shù)，其數(shù)值等于各圍壓下人工結(jié)構(gòu)性土偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線得到的峰值強度與殘余強度之比，其中峰值強度取試樣的最大偏應(yīng)力，殘余強度取試樣軸向應(yīng)變達到15%左右時的偏應(yīng)力。

各養(yǎng)護時間的試樣在不同圍壓下應(yīng)變軟化系數(shù)如圖4所示。由圖4可見，試樣的養(yǎng)護時間越長，應(yīng)變軟化系數(shù)越高，即應(yīng)變軟化程度越大，結(jié)構(gòu)性越明顯。同一養(yǎng)護時間不同圍壓下的應(yīng)變軟化系數(shù)變化不大，但養(yǎng)護7 d和15 d時，圍壓150 kPa應(yīng)變軟化系數(shù)較高。

將同一圍壓下，不同養(yǎng)護時間的試樣放在一起進行比較，如圖5所示。

圖4 應(yīng)變軟化系數(shù)-圍壓曲線

對圖5分析可知：隨著養(yǎng)護時間的延長，試樣的強度增加，試樣到達最大偏應(yīng)力時間更長，所需應(yīng)變更多。養(yǎng)護1 d的試樣偏應(yīng)力峰值后下降較緩，養(yǎng)護15 d的試樣偏應(yīng)力峰值后下降很快，而養(yǎng)護3 d和7 d的試樣偏應(yīng)力峰值后下降趨勢相對養(yǎng)護15 d的較緩，相對養(yǎng)護1 d的較陡。

3 應(yīng)變軟化系數(shù)分析

應(yīng)變軟化系數(shù)與養(yǎng)護時間的規(guī)律見圖6(a)。應(yīng)變軟化系數(shù)增長規(guī)律基本一致，為了方便表達應(yīng)變軟化系數(shù)與養(yǎng)護時間的關(guān)系，針對不同的圍壓，采用線性擬合方法進行擬合，擬合結(jié)果見式(1)和圖6(b)。在養(yǎng)護時間不超過15 d時符合真實發(fā)展情況，養(yǎng)護時間超過15 d后，試樣性質(zhì)發(fā)生變化，不再能夠合理模擬天然結(jié)構(gòu)性土，因此只考慮到最長養(yǎng)護15 d的情況；最短養(yǎng)護1 d的情況。從擬合結(jié)果可以看出，在圍壓100 kPa下，方程斜率較小，即應(yīng)變軟化系數(shù)增長較其他圍壓下(150 kPa、200 kPa)較緩，在圍壓150 kPa和200 kPa下斜率相差較小，應(yīng)變軟化系數(shù)增長趨勢相近。

圍壓100 kPa：y=2.19+0.35x(1≤x≤15)

圍壓150 kPa：y=2.08+0.43x(1≤x≤15)

圍壓200 kPa：y=1.93+0.40x(1≤x≤15)

(1)

人工制備結(jié)構(gòu)性土是為了模擬天然結(jié)構(gòu)性土，本研究通過合理選取養(yǎng)護時間，以達到最佳模擬結(jié)構(gòu)性土的效果。養(yǎng)護1 d的試樣，強度太低，有一定的應(yīng)變軟化特性，應(yīng)變軟化系數(shù)為2.2～2.5，能體現(xiàn)一部分結(jié)構(gòu)性，但離天然結(jié)構(gòu)性土還有一定差距。養(yǎng)護15 d的試樣，強度太高，應(yīng)變軟化特性十分明顯，應(yīng)變軟化系數(shù)為7.5～8.5，試樣開始有偏于巖性的趨勢，不適合模擬天然結(jié)構(gòu)性土。而養(yǎng)護3 d和7 d的試樣，強度適中，應(yīng)變軟化特性較明顯，應(yīng)變軟化系數(shù)為3.5～5，筆者認(rèn)為養(yǎng)護3～7 d能夠較好地模擬天然結(jié)構(gòu)性土。

圖6 應(yīng)變軟化系數(shù)-養(yǎng)護時間曲線

4 結(jié)論

由于在對原狀土取樣的過程中，對原狀土的擾動是不可避免的，因此人工制備結(jié)構(gòu)性土的室內(nèi)試驗研究顯得尤為必要。本文結(jié)合室內(nèi)三軸壓縮實驗，考慮時間效應(yīng)的影響，即考慮不同養(yǎng)護時間對人工結(jié)構(gòu)性土力學(xué)特性進行分析研究，所得結(jié)論如下：

1) 養(yǎng)護時間對人工制備結(jié)構(gòu)性土的強度和結(jié)構(gòu)性影響較大，養(yǎng)護時間越長，強度和結(jié)構(gòu)性越高；

2) 應(yīng)變軟化系數(shù)能較好地反應(yīng)土體的結(jié)構(gòu)性特征，通過線性擬合得到了不同圍壓下養(yǎng)護時間和應(yīng)變軟化系數(shù)關(guān)系；

3) 為了更好地模擬天然結(jié)構(gòu)性土，需要合理選取養(yǎng)護時間，在標(biāo)準(zhǔn)抽氣飽和條件下，筆者認(rèn)為3～7 d較為合適；

目前許多學(xué)者提出了反應(yīng)結(jié)構(gòu)性的定量化參數(shù)，并將其引入本構(gòu)關(guān)系中。為了更全面地研究人工制備結(jié)構(gòu)性土與原狀土的關(guān)系及其本構(gòu)關(guān)系，有必要進一步引進結(jié)構(gòu)性參數(shù)，用不同養(yǎng)護時間的人工制備結(jié)構(gòu)性土樣模擬原狀土，探究不同養(yǎng)護時間與結(jié)構(gòu)性參數(shù)之間的關(guān)系。