李 吳 剛, 李 想, 楊 鋼, 孫 秀 麗, 劉 文 化, 邵 伯

(1.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 無(wú)錫 214122;2.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連 116024;3.中建二局第二建筑工程有限公司, 廣東 深圳 518000 )

0 引 言

由于土顆粒間膠結(jié)作用和空間排列形式不同,天然土與重塑土的力學(xué)和變形特性存在較大的差異[1]．在土力學(xué)中將土顆粒間的膠結(jié)作用和空間排列形式稱(chēng)為土體的結(jié)構(gòu)性[2]．沈珠江[3]指出土體結(jié)構(gòu)性是21世紀(jì)土力學(xué)研究的核心問(wèn)題．李建紅等[4]、謝定義等[5]的研究表明膠結(jié)作用和孔隙結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)性土的兩大主要特征．土體的破壞往往伴隨著結(jié)構(gòu)性的衰變．研究土的結(jié)構(gòu)性衰變規(guī)律有助于科學(xué)地預(yù)測(cè)土體的力學(xué)與變形特性,更好地為工程實(shí)踐提供理論依據(jù)．近年來(lái),關(guān)于土的結(jié)構(gòu)性衰變規(guī)律研究取得了較大的進(jìn)展．很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了比較深入的研究,李吳剛等[6]基于結(jié)構(gòu)性土的變形特征,引入結(jié)構(gòu)性土的本征壓縮曲線,提出了相對(duì)結(jié)構(gòu)度對(duì)結(jié)構(gòu)性衰變進(jìn)行分析．蔣明鏡等[7]研究了土體結(jié)構(gòu)性破損的微觀機(jī)理,定義了結(jié)構(gòu)性屈服面,反映了土體結(jié)構(gòu)性的影響,再引入結(jié)構(gòu)性損傷的破損參數(shù),從而揭示出結(jié)構(gòu)性土的衰變規(guī)律．祝恩陽(yáng)等[8]通過(guò)結(jié)構(gòu)性土的壓縮變形規(guī)律推導(dǎo)了結(jié)構(gòu)性土UH模型,揭示結(jié)構(gòu)性土的衰變規(guī)律．Rouainia等[9]在重塑土本構(gòu)關(guān)系中引入結(jié)構(gòu)性參數(shù)并賦予其適當(dāng)?shù)难莼?guī)律,建立了結(jié)構(gòu)性土的本構(gòu)關(guān)系．Desai等[10]、Ouria[11]、劉維正等[12]、周成等[13]基于擾動(dòng)狀態(tài)概念建立了結(jié)構(gòu)性土的本構(gòu)關(guān)系．Liu等[14-15]在劍橋模型中引入結(jié)構(gòu)屈服面和等效屈服面,建立了結(jié)構(gòu)性土的本構(gòu)模型．劉恩龍等[16]通過(guò)引入結(jié)構(gòu)性破損參數(shù),建立了基于巖土破損力學(xué)的結(jié)構(gòu)性土的本構(gòu)關(guān)系．謝定義等[17]通過(guò)引入綜合結(jié)構(gòu)勢(shì)來(lái)描述結(jié)構(gòu)性土的力學(xué)與變形特性．

表征土的結(jié)構(gòu)性特征是建立可考慮結(jié)構(gòu)性影響本構(gòu)模型的關(guān)鍵,李吳剛等[6]基于土體結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程定義了土的相對(duì)結(jié)構(gòu)度,采用該參數(shù)建立了結(jié)構(gòu)性土的本構(gòu)模型,可較好地預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)性土的變形特性．但其定義該參數(shù)時(shí)并未考慮初始孔隙比及膠結(jié)強(qiáng)度對(duì)相對(duì)結(jié)構(gòu)度衰變規(guī)律的影響,且該參數(shù)是否可用于描述由不同初始孔隙比和膠結(jié)強(qiáng)度導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性土抗剪強(qiáng)度的差異有待探究．因此本文研究人工制備水泥固化壓實(shí)土試樣,對(duì)其開(kāi)展固結(jié)試驗(yàn)和固結(jié)排水剪切試驗(yàn),并基于相對(duì)結(jié)構(gòu)度研究水泥固化壓實(shí)土的壓縮特性與剪切特性．

1 水泥固化壓實(shí)土試樣制備

天然結(jié)構(gòu)性土初始結(jié)構(gòu)性間的差異和原位鉆孔取樣產(chǎn)生的擾動(dòng),使得難以從現(xiàn)場(chǎng)取得大量力學(xué)性狀基本相同的土樣,導(dǎo)致土樣無(wú)法滿(mǎn)足均一性的試驗(yàn)要求．為避免天然原狀土不均勻性對(duì)研究產(chǎn)生不利影響,本文采用謝定義等[18]、蔣明鏡等[19]提出的結(jié)構(gòu)性土人工制備方法研究結(jié)構(gòu)性對(duì)土力學(xué)與變形特性的影響,并探究水泥固化壓實(shí)土變形過(guò)程中相對(duì)結(jié)構(gòu)度的衰變規(guī)律．

1.1 試驗(yàn)土料

本試驗(yàn)所用的土料為黃土,取自山西省呂梁山,原狀黃土呈顆粒狀,較干．將土料烘干、碾碎并過(guò)0.5 mm篩后備用．按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[20]進(jìn)行相應(yīng)的土工試驗(yàn),測(cè)定其基本物性指標(biāo)：土粒相對(duì)密度為2.72,塑限Wp=21%,液限Wl=33%,塑性指數(shù)Ip=12．采用丹東百特(BT-2003)型激光粒度分析儀測(cè)定該黃土粒徑,其結(jié)果如圖1所示．

圖1 試驗(yàn)黃土級(jí)配曲線

1.2 制樣方法

為研究膠結(jié)作用和孔隙結(jié)構(gòu)特征對(duì)水泥固化壓實(shí)土力學(xué)與變形特性的影響,本文采用在土料中摻入水泥和食鹽的方法控制試樣的膠結(jié)強(qiáng)度和孔隙結(jié)構(gòu)特征,水泥的水化產(chǎn)物可建立土顆粒間的膠結(jié)作用,食鹽顆粒溶解可形成結(jié)構(gòu)性土內(nèi)的大孔隙結(jié)構(gòu)．劉恩龍等[21]采用3.1%、5%和20%的水泥摻量研究結(jié)構(gòu)性土的力學(xué)特性．Consoli等[22]采用3%、5%、7%和9%的水泥摻量研究水泥含量對(duì)人工結(jié)構(gòu)性土強(qiáng)度參數(shù)的影響．Wang等[23]采用1%、3%、5%、7%、9%、11%和13%的水泥摻量對(duì)天然和人工結(jié)構(gòu)性土的歸一化特性進(jìn)行研究．對(duì)水泥改性土的研究結(jié)果表明：水泥最佳摻量為土壤干質(zhì)量的6%～8%．故本研究中水泥摻量為4%、6%和8%,初始孔隙比為0.8、0.9和1.0,水泥和食鹽的摻量可見(jiàn)表1．水泥標(biāo)號(hào)為P·O 42.5,食鹽采用普通食用鹽,為使食鹽顆粒與土顆粒的粒徑近似,需將食鹽碾碎后過(guò)0.5 mm篩備用．不同孔隙比和水泥摻量條件下,土料的質(zhì)量可通過(guò)下式計(jì)算：

(1)

式中：m為土料質(zhì)量,Gs為土顆粒的相對(duì)密度,Gc為水泥的相對(duì)密度,ρw為水的密度,ac為水泥摻量,e為孔隙比,V為試樣體積．

表1 水泥固化壓實(shí)土的食鹽和水泥摻量

將烘干后的黃土、水泥和食鹽按照設(shè)定的質(zhì)量配比充分拌和,隨后稱(chēng)取一定質(zhì)量的混合料分別倒入φ39.1 mm×80 mm的三瓣模和φ61.8 mm×20 mm的環(huán)刀中,采用壓樣法制備三軸試樣和環(huán)刀試樣,其中三軸試樣分3層壓實(shí)．試樣制備完成后需去除試樣內(nèi)的食鹽顆粒以形成水泥固化壓實(shí)土內(nèi)的大孔隙結(jié)構(gòu)．劉恩龍等[21]、羅開(kāi)泰等[24]采用在水中浸泡的方法溶解試樣內(nèi)的食鹽顆粒,但是該方法耗時(shí)長(zhǎng)且易有食鹽顆粒殘留,影響后續(xù)的試驗(yàn)結(jié)果．為解決該方法的缺陷,本文設(shè)計(jì)了圖2所示的鹽分去除裝置,試樣裝入該裝置后,在裝置內(nèi)加入適量的水,在滲流過(guò)程中,作用在試樣上的位置水頭保持恒定,水在重力作用下于試樣上部經(jīng)由土顆粒間的孔隙從試樣底部排出,試樣內(nèi)的食鹽顆粒溶于水后可在滲流作用下快速排出試樣．為防止?jié)B流作用破壞試樣內(nèi)的孔隙結(jié)構(gòu),在試樣放入去鹽裝置前需在試樣表面噴灑適量的水使試樣保持濕潤(rùn),水在重力和毛細(xì)作用下滲入試樣內(nèi)部后與水泥發(fā)生水化反應(yīng),并在土顆粒間生成膠結(jié)物質(zhì)．試樣靜置24 h后,水泥達(dá)到終凝,試樣內(nèi)的膠結(jié)結(jié)構(gòu)基本形成．隨后將試樣放入圖2所示的鹽分去除裝置,試樣內(nèi)的食鹽顆粒在滲流過(guò)程中逐漸溶解排出．當(dāng)試樣內(nèi)的食鹽被完全排出后(判斷標(biāo)準(zhǔn)為風(fēng)干試樣表面沒(méi)有白色晶體析出),將試樣放入恒溫恒濕的養(yǎng)護(hù)箱(溫度(20±2)℃,濕度大于95%)中養(yǎng)護(hù)90 d,得到人工制備的水泥固化壓實(shí)土試樣．

(a) 裝置實(shí)物圖

(b) 裝置示意圖

為研究水泥固化壓實(shí)土和重塑土力學(xué)性質(zhì)間的差異,在試樣養(yǎng)護(hù)完成后,將具有同種水泥摻量的人工制備水泥固化壓實(shí)土試樣烘干后碾碎,以破壞土體的結(jié)構(gòu)性,再過(guò)0.5 mm篩,參照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL/T 237—1999)[25],采用壓樣法分3層壓實(shí),得到本試驗(yàn)所需的重塑土試樣．

2 試驗(yàn)結(jié)果

為研究結(jié)構(gòu)性對(duì)土力學(xué)與變形特性的影響,將抽真空飽和后的水泥固化壓實(shí)土試樣和重塑土試樣分別進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)和固結(jié)排水剪切(CD)試驗(yàn)．按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[20],固結(jié)試驗(yàn)的荷載等級(jí)為12.5、25、50、100、200、400、800、1 600、3 200 kPa;CD試驗(yàn)的圍壓為50、100、200 kPa,剪切速率為0.01 mm/min．

2.1 水泥固化壓實(shí)土的壓縮特性

相同初始孔隙比條件下不同水泥摻量的水泥固化壓實(shí)土試樣和重塑土試樣的固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示(p表示豎向應(yīng)力,編號(hào)S代表水泥固化壓實(shí)土,R代表重塑土)．由試驗(yàn)結(jié)果可知,在相同的應(yīng)力狀態(tài)下,水泥固化壓實(shí)土試樣的壓縮曲線位于重塑土試樣的上方．在固結(jié)曲線的彈性階段,水泥固化壓實(shí)土試樣壓縮曲線比較平緩,其斜率小于重塑土試樣的,表明水泥水化形成的膠結(jié)物質(zhì)有效提高了試樣的初始剛度．隨著豎向應(yīng)力的增大,試樣S4-08壓縮曲線的斜率先于試樣S6-08和S8-08出現(xiàn)增長(zhǎng),逐漸變陡,并不斷趨近于重塑土試樣的．試樣S6-08和S8-08的壓縮曲線也表現(xiàn)出和試樣S4-08相同的發(fā)展趨勢(shì),但S6-08試樣的水泥摻量低于試樣S8-08的,試樣S6-08的土體結(jié)構(gòu)先發(fā)生破壞,故試樣S6-08壓縮曲線的斜率先于S8-08試樣出現(xiàn)增長(zhǎng)．由上述試驗(yàn)結(jié)果可知,土骨架的穩(wěn)定性與試樣內(nèi)部膠結(jié)物質(zhì)的含量有關(guān),水泥摻量越高,由水泥水化產(chǎn)物提高的土骨架穩(wěn)定性越顯著,土體的結(jié)構(gòu)性越強(qiáng)．

圖3 初始孔隙比為0.8試樣的壓縮曲線

相同水泥摻量條件下不同初始孔隙比的水泥固化壓實(shí)土固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示．試驗(yàn)結(jié)果表明,在固結(jié)試驗(yàn)的初始階段,水泥固化壓實(shí)土試樣處于彈性狀態(tài),各試樣的壓縮曲線較平緩,在相同水泥摻量條件下,初始孔隙比為1.0的試樣斜率最大,初始孔隙比為0.8的試樣斜率最?。S著應(yīng)力的增大,試樣內(nèi)部的土顆粒間發(fā)生相對(duì)滑移,試樣由彈性狀態(tài)進(jìn)入彈塑性狀態(tài),壓縮曲線的斜率急劇增大,以Δe表示初始孔隙比和交點(diǎn)處孔隙比的差值(圖4(a))．由試驗(yàn)結(jié)果可知：Δe1.0>Δe0.9>Δe0.8,表示相同荷載下,初始孔隙比為1.0試樣的結(jié)構(gòu)性最容易發(fā)生破壞．水泥摻量6%和水泥摻量8%條件下也可發(fā)現(xiàn)相同的試驗(yàn)結(jié)果(圖4(b)和圖4(c))．隨著固結(jié)壓力的繼續(xù)增大,各試樣呈Δe越大,壓縮曲線的斜率越大的趨勢(shì),且試樣壓縮曲線越接近于重塑土試樣的壓縮曲線．該組試驗(yàn)結(jié)果表明,增大初始孔隙比會(huì)弱化土體的結(jié)構(gòu)性,試樣的初始孔隙比越高,加載過(guò)程中土體結(jié)構(gòu)越容易發(fā)生破壞．

(a) 水泥摻量4%

(b) 水泥摻量6%

(c) 水泥摻量8%

綜上,膠結(jié)作用會(huì)強(qiáng)化土體結(jié)構(gòu),而增大初始孔隙比會(huì)弱化土體結(jié)構(gòu),使得相同荷載下土體結(jié)構(gòu)的完整性隨著水泥摻量的增加而增大,但隨著初始孔隙比的增大而減小．

2.2 水泥固化壓實(shí)土的剪切特性

圖5～7為初始孔隙比為1.0、0.9和0.8水泥固化壓實(shí)土的剪切試驗(yàn)結(jié)果．雖然圖中水泥固化壓實(shí)土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)與超固結(jié)土都具有應(yīng)變軟化的特點(diǎn),但水泥固化壓實(shí)土試樣在應(yīng)變軟化時(shí)體應(yīng)變?chǔ)舦的發(fā)展趨勢(shì)與超固結(jié)土具有顯著區(qū)別,超固結(jié)土在應(yīng)變軟化的過(guò)程中往往伴隨著體脹的發(fā)生,而本研究中的水泥固化壓實(shí)土試樣體應(yīng)變以剪縮為主,表明兩者發(fā)生應(yīng)變軟化現(xiàn)象的力學(xué)機(jī)制不同,證明了本研究中的水泥固化壓實(shí)土試樣力學(xué)特性區(qū)別于重塑土的根本原因是土體結(jié)構(gòu)性不同．

圖5 初始孔隙比為1.0水泥固化壓實(shí)土的剪切

圖6 初始孔隙比為0.9水泥固化壓實(shí)土的剪切

圖7 初始孔隙比為0.8水泥固化壓實(shí)土的剪切試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知,水泥固化壓實(shí)土試樣在剪切過(guò)程中發(fā)生了顯著的應(yīng)變軟化現(xiàn)象．在初始孔隙比相等的條件下,水泥水化產(chǎn)物在土顆粒間生成的膠結(jié)物質(zhì)限制了土顆粒的相對(duì)滑移,提高了土體強(qiáng)度,故水泥固化壓實(shí)土試樣的應(yīng)變軟化主要由土顆粒間的膠結(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞所致．試驗(yàn)結(jié)果表明,膠結(jié)作用越強(qiáng),膠結(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時(shí)的應(yīng)力跌落越顯著,因此試樣的應(yīng)變軟化現(xiàn)象也越明顯;相反,膠結(jié)作用越弱,試樣的應(yīng)變軟化現(xiàn)象越微弱．與此同時(shí),在剪切試驗(yàn)開(kāi)始前的固結(jié)階段,圍壓的增長(zhǎng)也會(huì)破壞試樣的膠結(jié)結(jié)構(gòu),故在200 kPa圍壓條件下S4-10、S4-09、S4-08試樣的應(yīng)力-應(yīng)變形態(tài)與重塑土的較為相似,只表現(xiàn)出輕微的應(yīng)變軟化現(xiàn)象．增大試樣的初始孔隙比會(huì)弱化結(jié)構(gòu)性,導(dǎo)致變形過(guò)程中土體結(jié)構(gòu)更容易被破壞,故在相同水泥摻量和圍壓條件下,初始孔隙比較大的試樣,其應(yīng)變軟化現(xiàn)象并不顯著,而初始孔隙比較小的試樣仍出現(xiàn)了較明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象．

圖8為50、100、200 kPa圍壓下水泥固化壓實(shí)土試樣與重塑土試樣的峰值應(yīng)力．由試驗(yàn)結(jié)果可知,水泥水化后生成的膠結(jié)物質(zhì)(圖9水泥固化壓實(shí)土試樣的SEM圖像所示)提高了土骨架的穩(wěn)定性,故水泥固化壓實(shí)土試樣的峰值應(yīng)力隨著水泥摻量的增加而升高．而增大初始孔隙比會(huì)弱化膠結(jié)作用的影響,使得試樣的結(jié)構(gòu)性更容易被破壞,故在相同水泥摻量時(shí),水泥固化壓實(shí)土試樣的峰值應(yīng)力隨著初始孔隙比的升高而減?。鶕?jù)臨界狀態(tài)土力學(xué),土體的抗剪強(qiáng)度與試樣的平均主應(yīng)力有關(guān),故當(dāng)圍壓增長(zhǎng)時(shí),重塑土的峰值應(yīng)力出現(xiàn)顯著增長(zhǎng),200 kPa圍壓條件下,重塑土試樣的峰值應(yīng)力約是50 kPa圍壓時(shí)的3倍,如圖8所示;但水泥固化壓實(shí)土試樣的峰值應(yīng)力隨著圍壓的增大僅出現(xiàn)了微弱的增長(zhǎng),這是由于圍壓的增長(zhǎng)會(huì)破壞試樣的結(jié)構(gòu)性,導(dǎo)致由結(jié)構(gòu)性提高的抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)衰退,故試樣的峰值應(yīng)力僅出現(xiàn)微弱的增長(zhǎng),使得水泥固化壓實(shí)土試樣峰值應(yīng)力與重塑土試樣峰值應(yīng)力的差值隨圍壓的增大而降低．

圖9所示為水泥固化壓實(shí)土試樣的SEM圖像．圖中,黃色菱形表示生成的纖維狀的C-S-H凝膠類(lèi)水化產(chǎn)物,C-S-H凝膠是水泥水化產(chǎn)物水化硅酸鈣;紅色圓圈表示土體內(nèi)的孔隙結(jié)構(gòu),可以看出鹽溶后形成的孔隙結(jié)構(gòu)較為明顯且分布比較均勻．由圖可知,試樣在相同養(yǎng)護(hù)條件下,水泥摻量越高,生成的水化產(chǎn)物越多,膠結(jié)作用越強(qiáng);減小試樣的初始孔隙比,可減小土顆粒間的孔隙,試樣更為密實(shí),土骨架愈趨穩(wěn)定．因此,在較高水泥摻量和較小初始孔隙比條件下,試樣的結(jié)構(gòu)性強(qiáng),其抗剪強(qiáng)度也大．

(a) 50 kPa圍壓

(b) 100 kPa圍壓

(c) 200 kPa圍壓

(a) S8-10

(b) S4-08

3 試驗(yàn)結(jié)果討論

3.1 相對(duì)結(jié)構(gòu)度衰變規(guī)律分析

本文采用李吳剛等[6]提出的相對(duì)結(jié)構(gòu)度對(duì)本文的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,如圖10所示,假設(shè)某結(jié)構(gòu)性土試樣在壓縮過(guò)程中其土體結(jié)構(gòu)始終不發(fā)生破壞,則其壓縮曲線可用圖10中的虛線表示,將其定義為該結(jié)構(gòu)性土的本征壓縮曲線(ISCL),該曲線表征了土體結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞時(shí)結(jié)構(gòu)性土的壓縮特性．但現(xiàn)實(shí)的土體在達(dá)到屈服應(yīng)力后,土體結(jié)構(gòu)必然發(fā)生破壞,試樣的壓縮曲線在達(dá)到屈服應(yīng)力后逐漸偏離ISCL,如圖10中紅色曲線所示,將其定義為結(jié)構(gòu)性土的壓縮曲線(SCL)．當(dāng)土體結(jié)構(gòu)完全破壞時(shí),其壓縮曲線與重塑土的壓縮曲線(NCL)重合．因此,結(jié)構(gòu)性土的壓縮曲線位于以ISCL和NCL為邊界的區(qū)域內(nèi)．相對(duì)結(jié)構(gòu)度以下式表示：

ξ=eS/eI

(2)

式中：eI為相同應(yīng)力下ISCL和NCL之間的距離(圖10),其值表示結(jié)構(gòu)完整的結(jié)構(gòu)性土所能承受的額外孔隙比;eS為相同應(yīng)力狀態(tài)下SCL和NCL之間的距離,其值表示當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)性土承擔(dān)的額外孔隙比．

圖10 結(jié)構(gòu)性土的壓縮特性

李吳剛等[6]提出的相對(duì)結(jié)構(gòu)度發(fā)展式并未考慮塑性體應(yīng)變的發(fā)展對(duì)相對(duì)結(jié)構(gòu)度的影響,而土體結(jié)構(gòu)破壞常伴隨著塑性體應(yīng)變的發(fā)展,因此采用本文的試驗(yàn)結(jié)果整理相對(duì)結(jié)構(gòu)度與塑性體應(yīng)變的關(guān)系,得到圖11中的結(jié)果．根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知,在相同水泥摻量條件下,雖然試樣的初始孔隙比越大相同荷載下的相對(duì)結(jié)構(gòu)度越小,但是不同初始孔隙比試樣的相對(duì)結(jié)構(gòu)度與塑性體應(yīng)變間的關(guān)系曲線基本重合,表明在相同水泥摻量條件下初始孔隙比并不影響相對(duì)結(jié)構(gòu)度隨塑性體應(yīng)變的發(fā)展變化速率．對(duì)圖11中不同水泥摻量條件下相對(duì)結(jié)構(gòu)度與塑性體應(yīng)變間的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合分析,得到相對(duì)結(jié)構(gòu)度-塑性體應(yīng)變間的關(guān)系用下式表示：

(a) 水泥摻量4%

(b) 水泥摻量6%

(c) 水泥摻量8%

(3)

不同水泥摻量條件下參數(shù)a和b的值見(jiàn)表2,參數(shù)b在不同水泥摻量條件下的值較為接近,表明水泥摻量對(duì)參數(shù)b基本無(wú)影響．參數(shù)a隨著水泥摻量的增加而增大,表明塑性體應(yīng)變?cè)隽肯嗤瑫r(shí),水泥摻量的增加會(huì)顯著提高相對(duì)結(jié)構(gòu)度隨塑性體應(yīng)變的發(fā)展速率,即高水泥摻量試樣比低水泥摻量試樣的土體結(jié)構(gòu)破壞更為嚴(yán)重,在宏觀上表現(xiàn)為高水泥摻量試樣具有更大的剛度并顯現(xiàn)出脆性,而低水泥摻量試樣的剛度小并顯現(xiàn)出一定的延性．雖然初始孔隙比并不影響材料參數(shù)a和b的值,但增大初始孔隙比會(huì)弱化土體結(jié)構(gòu),在相同荷載下使得試樣具有更大的塑性體應(yīng)變,進(jìn)而降低試樣的相對(duì)結(jié)構(gòu)度．綜上,式(3)給出了相對(duì)結(jié)構(gòu)度與塑性體應(yīng)變的關(guān)系,能綜合考慮膠結(jié)作用和初始孔隙比的影響,較好地描述了試樣結(jié)構(gòu)性衰變特性．

表2 擬合參數(shù)

3.2 相對(duì)結(jié)構(gòu)度對(duì)峰值應(yīng)力的影響

為研究結(jié)構(gòu)性對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律,本文對(duì)相對(duì)結(jié)構(gòu)度與峰值應(yīng)力的關(guān)系進(jìn)行分析,基于圖5～7中剪切試驗(yàn)結(jié)果可得到水泥固化壓實(shí)土試樣在不同圍壓下的峰值應(yīng)力,并將各試樣峰值應(yīng)力時(shí)的塑性體應(yīng)變代入式(3)后得到各試樣峰值應(yīng)力時(shí)的相對(duì)結(jié)構(gòu)度,結(jié)果如圖12所示．在荷載增加的過(guò)程中,試樣的結(jié)構(gòu)性隨著塑性體應(yīng)變的發(fā)展被逐漸破壞,相對(duì)結(jié)構(gòu)度也隨之減小,導(dǎo)致土骨架的穩(wěn)定性降低,因此各試樣的峰值應(yīng)力隨著相對(duì)結(jié)構(gòu)度的降低而減小．從曲線的擬合結(jié)果可知,試樣峰值應(yīng)力與相對(duì)結(jié)構(gòu)度呈冪函數(shù)關(guān)系．對(duì)比圖12(a)、(b)和(c)可知,擬合曲線中的參數(shù)β、χ均隨著圍壓的升高而減小,表明相對(duì)結(jié)構(gòu)度對(duì)峰值應(yīng)力的影響隨著圍壓的升高而減小,這是由于圍壓的升高會(huì)導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)破壞,原本由土體結(jié)構(gòu)承擔(dān)的這部分峰值應(yīng)力出現(xiàn)降低,而圍壓的升高也會(huì)提高試樣的峰值應(yīng)力,這兩種不同原因?qū)е碌姆逯祽?yīng)力變化部分抵消,故在宏觀上表現(xiàn)出相對(duì)結(jié)構(gòu)度對(duì)峰值應(yīng)力的影響隨著圍壓的升高而降低．

(a) 50 kPa圍壓

(b) 100 kPa圍壓

(c) 200 kPa圍壓

圖12 峰值應(yīng)力隨相對(duì)結(jié)構(gòu)度的變化

4 結(jié) 論

(1)建立了適用于水泥固化壓實(shí)土的相對(duì)結(jié)構(gòu)度發(fā)展式,該發(fā)展式給出相對(duì)結(jié)構(gòu)度與塑性體應(yīng)變的關(guān)系,其中的材料參數(shù)只與水泥摻量有關(guān),而與試樣的初始孔隙比無(wú)關(guān),即增大初始孔隙比雖然會(huì)弱化土體結(jié)構(gòu)性,使得試樣更容易被破壞,但初始孔隙比并不影響試樣在變形過(guò)程中相對(duì)結(jié)構(gòu)度隨塑性體應(yīng)變發(fā)展的衰變速率．

(2)膠結(jié)強(qiáng)度、初始孔隙比和圍壓決定了土體結(jié)構(gòu)的完整程度,是決定應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)的關(guān)鍵因素．膠結(jié)作用會(huì)強(qiáng)化土體結(jié)構(gòu),而增大初始孔隙比會(huì)弱化膠結(jié)作用的影響．在相同荷載下,相對(duì)結(jié)構(gòu)度隨著水泥摻量的增加而增大,使得水泥固化壓實(shí)土易于出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象,但其隨著初始孔隙比的增大而減小,使得水泥固化壓實(shí)土易于出現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象．

(3)水泥固化壓實(shí)土試樣的峰值應(yīng)力與試樣的相對(duì)結(jié)構(gòu)度有關(guān),其值隨著相對(duì)結(jié)構(gòu)度的降低而減小,并與相對(duì)結(jié)構(gòu)度呈冪函數(shù)關(guān)系,與相對(duì)結(jié)構(gòu)度有關(guān)的材料參數(shù)隨著圍壓的增大而減小,即相對(duì)結(jié)構(gòu)度對(duì)峰值應(yīng)力的影響隨著圍壓的升高而降低．