不同結(jié)構(gòu)性黃土的單軸抗壓試驗(yàn)及破壞模式

羅愛忠，邵生俊，方娟，陳昌祿

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

黃土結(jié)構(gòu)性的主要來源是黃土骨架及顆粒之間的膠結(jié)［1］?；邳S土的微結(jié)構(gòu)特征，從力學(xué)強(qiáng)度及穩(wěn)定性兩個(gè)方面分析，黃土骨架顆粒是整個(gè)黃土骨架架空結(jié)構(gòu)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(xué)強(qiáng)度由黃土顆粒間連接形式所確定［2－4］，土的結(jié)構(gòu)性主要是通過土顆粒的排列特征和聯(lián)結(jié)特征來表征，以往的研究表明，這兩個(gè)方面對結(jié)構(gòu)性土的力學(xué)特性有著顯著的影響，決定著土結(jié)構(gòu)性的強(qiáng)弱，而孔隙比和聯(lián)結(jié)強(qiáng)度是反映土的顆粒排列特征和聯(lián)結(jié)特征的兩個(gè)重要指標(biāo)，通過一定的指標(biāo)來定量化土的結(jié)構(gòu)性及其變化對土的宏觀力學(xué)特性顯示影響的性質(zhì)是結(jié)構(gòu)性研究的根本出發(fā)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)性變化的結(jié)果一方面是原生結(jié)構(gòu)的損傷，另一方面是結(jié)構(gòu)的重新定向排列造成的次生結(jié)構(gòu)生成及土體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化。土體最終走向軟化破壞或者是壓密強(qiáng)化實(shí)際取決于以上兩種趨勢的相互影響。中國著名的土力學(xué)家沈珠江將這種轉(zhuǎn)變稱之為土力學(xué)特性研究的第二次飛躍［5］。土力學(xué)的奠基人 Terzaghi［6］指出了土的結(jié)構(gòu)在評價(jià)土的強(qiáng)度和變形時(shí)的重要性。Soga［7］結(jié)合Michell等對土體微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，第一次給出了土結(jié)構(gòu)性的定義，即土的結(jié)構(gòu)性是指土的微觀結(jié)構(gòu)的連接效應(yīng)及其穩(wěn)定性。巖土體在天然沉積環(huán)境下所形成的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)性研究歷史的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)通過原狀黃土、重塑黃土及飽和黃土的宏觀應(yīng)力或應(yīng)變來描述土體結(jié)構(gòu)性變化的定量化參數(shù)，這就是基于結(jié)構(gòu)可穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)可變性的綜合結(jié)構(gòu)勢思想。這一研究的核心思想是研究土粒骨架結(jié)構(gòu)的主動(dòng)作用力和被動(dòng)阻抗力之間的核心 關(guān) 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(yīng)的研究，并提出可以考慮結(jié)構(gòu)性的相應(yīng)的黃土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。筆者主要基于綜合結(jié)構(gòu)勢思想，以黃土為研究對象，以黃土結(jié)構(gòu)性為切入點(diǎn)，重點(diǎn)研究3種不同黃土在單軸壓縮條件下的結(jié)構(gòu)性損傷演化規(guī)律，并尋求黃土初始結(jié)構(gòu)性的準(zhǔn)確描述及其對單軸壓縮條件下黃土宏觀力學(xué)特性的反映。

1 黃土的單軸壓縮試驗(yàn)及結(jié)構(gòu)性變化分析

黃土結(jié)構(gòu)性的存在受諸多因素影響，如顆粒形狀、骨架結(jié)構(gòu)粒組構(gòu)成、組成骨架結(jié)構(gòu)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(xué)性質(zhì)及反應(yīng)。長期以來，對土的基本物理性質(zhì)的描述僅僅局限于粒度、密度和濕度等幾個(gè)方面，這種描述中忽視了結(jié)構(gòu)性的存在對黃土宏觀力學(xué)特性的影響。筆者從黃土的單軸壓縮試驗(yàn)著手，尋找土體初始結(jié)構(gòu)性定量化的合理描述，研究構(gòu)度結(jié)構(gòu)性參數(shù)描述黃土初始結(jié)構(gòu)性的可行性和合理性。

1.1 黃土的單軸壓縮試驗(yàn)研究方案

為了研究不同初始結(jié)構(gòu)性黃土的結(jié)構(gòu)性對其力學(xué)特性的影響，比較不同密度和濕度條件下黃土的構(gòu)度變化與其基本力學(xué)特性之間的關(guān)系，進(jìn)行了3種黃土的單軸壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)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(fēng)園地下一探槽內(nèi)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(zhì)成分較多、比較松散，黃土②和黃土③土中鈣質(zhì)結(jié)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(shí)，在原狀試樣制備過程中盡量做到對土樣的擾動(dòng)最小。3種黃土的基本物性指標(biāo)如表1所示。按照標(biāo)準(zhǔn)常規(guī)三軸試樣（39.1mm×80mm）尺寸制備試樣后，按照試驗(yàn)計(jì)劃，分別對2種黃土進(jìn)行滴水、風(fēng)干等措施配置不同的含水量，在室內(nèi)放置一定時(shí)間后在常規(guī)應(yīng)變控制式三軸儀上進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。對3種黃土分別配置試驗(yàn)初始含水率為10%、15%、18%、22%、25%，平行進(jìn)行原狀黃土和干密度相同的重塑黃土試驗(yàn)，并對3種黃土分別進(jìn)行飽和黃土試驗(yàn)。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(fēng)干法減少其含水率，大于天然含水率的試樣采用水膜轉(zhuǎn)移法增加其含水率，減少或增加的水的質(zhì)量通過式（1）計(jì)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(yīng)的試樣質(zhì)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(shè)計(jì)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(zhì)指標(biāo)

1.2 黃土的單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果分析

黃土單軸壓縮試驗(yàn)儀器選擇常規(guī)應(yīng)變控制三軸儀。為獲得較多的、均勻的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和記錄峰值強(qiáng)度，試驗(yàn)中百分表每間隔0.01讀數(shù)一次。試驗(yàn)完成標(biāo)準(zhǔn)為：量力環(huán)出現(xiàn)峰值后繼續(xù)讀數(shù)，當(dāng)應(yīng)變持續(xù)3%～5%后停止試驗(yàn)；當(dāng)讀數(shù)無峰值時(shí)，試驗(yàn)應(yīng)進(jìn)行到應(yīng)變達(dá)15%為止。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果給出軸向應(yīng)變與單軸壓縮應(yīng)力之間的關(guān)系，3種黃土的單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)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(yàn)結(jié)果對比

圖2 不同含水率條件下黃土②單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果對比

圖3 不同含水率條件下黃土③單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)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(yàn)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線。從圖1～圖3可以看出，在單軸壓縮應(yīng)力條件下，具有不同初始結(jié)構(gòu)狀態(tài)黃土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系均表現(xiàn)出一定的應(yīng)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(qiáng)度特性上具有明顯的峰值強(qiáng)度現(xiàn)象。分析認(rèn)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(jié)構(gòu)造成破壞，單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變關(guān)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(rèn)為土單元未進(jìn)入屈服狀態(tài)，塑性變形未發(fā)展。當(dāng)軸向壓縮荷載產(chǎn)生的應(yīng)力大小有足夠能力破壞土體的原生結(jié)構(gòu)時(shí)，土體的綜合結(jié)構(gòu)勢開始發(fā)生衰減變化，黃土顆粒所構(gòu)成的架空骨架結(jié)構(gòu)開始發(fā)生變化，最終走向破壞，在應(yīng)力應(yīng)變關(guān)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(yīng)力強(qiáng)度的急劇降低?；谒苄岳碚摰挠^點(diǎn)，隨著軸向壓縮荷載的增大，土體變形由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)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(jié)破壞并同時(shí)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(nèi)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(jié)構(gòu)勢的思想，擾動(dòng)重塑和浸水飽和一定程度上能破壞土的原生結(jié)構(gòu)性，從而使土骨架顆粒之間的聯(lián)結(jié)和排列發(fā)生改變，黃土的綜合結(jié)構(gòu)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(shí)也是綜合結(jié)構(gòu)勢思想的在黃土的單軸壓縮試驗(yàn)上的一個(gè)驗(yàn)證。

在同一含水率條件下，原狀黃土試樣的單軸壓縮強(qiáng)度要明顯高于重塑黃土試樣，重塑黃土試樣的單軸壓縮強(qiáng)度又明顯高于飽和黃土試樣。依據(jù)綜合結(jié)構(gòu)勢思想的觀點(diǎn)分析，試樣重塑過程實(shí)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(jié)構(gòu)性擾動(dòng)勢得到有效釋放，擾動(dòng)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(jié)構(gòu)性的改變。試樣在飽和過程中，原狀黃土試樣結(jié)構(gòu)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(jié)合，次生黏土礦物顆粒形成的粒間膠結(jié)發(fā)生分解，從而使土結(jié)構(gòu)性發(fā)生了明顯的改變，單軸壓縮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度表現(xiàn)出明顯的降低；骨架顆粒間膠結(jié)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(jié)構(gòu)。

當(dāng)含水率較低時(shí)，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(qiáng)度一般在軸向應(yīng)變達(dá)到2%出現(xiàn)；隨著含水率的增大，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系也表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型，但是，峰值強(qiáng)度到達(dá)后，強(qiáng)度較小的速率逐漸減慢，峰值點(diǎn)后曲線形態(tài)較為平緩。重塑黃土試樣峰值強(qiáng)度出現(xiàn)的時(shí)間大多晚于原狀試樣，也即是峰值強(qiáng)度出現(xiàn)時(shí)對應(yīng)的軸向應(yīng)變大于相同條件下的原狀樣峰值強(qiáng)度出現(xiàn)時(shí)軸向應(yīng)變，同時(shí)由于壓密作用的影響，會(huì)在軸向變形發(fā)展到一定值時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)度超過原狀樣的現(xiàn)象。

2 黃土的構(gòu)度變化規(guī)律

已有結(jié)構(gòu)性參數(shù)描述的是土在變形過程中的結(jié)構(gòu)性損傷演化規(guī)律，它們不能反映土初始結(jié)構(gòu)性狀的特點(diǎn)。邵生俊等［20］在考察壓縮變形過程中結(jié)構(gòu)性參數(shù)變化規(guī)律（如三軸、真三軸剪切變形過程中的結(jié)構(gòu)性參數(shù)）的基礎(chǔ)上，從能夠反映土結(jié)構(gòu)性的抗剪切效應(yīng)及方便試驗(yàn)測試的角度出發(fā)，基于綜合結(jié)構(gòu)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(yàn)強(qiáng)度來定義黃土的初始結(jié)構(gòu)性，從而建立了構(gòu)度結(jié)構(gòu)性參數(shù)。試驗(yàn)中原狀樣與重塑樣的峰值強(qiáng)度比值反映重塑造成的結(jié)構(gòu)損失，由飽和樣與原狀樣的峰值強(qiáng)度比值反映排列的變化引起的結(jié)構(gòu)損失，二者的比值綜合起來反映土的初始結(jié)構(gòu)性 構(gòu)度指標(biāo)，計(jì)算式為

式中：mu為構(gòu)度；m1為結(jié)構(gòu)可穩(wěn)性參數(shù)，m2為結(jié)構(gòu)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(cè)限抗壓強(qiáng)度。土的結(jié)構(gòu)性的不同，一定程度上是由于顆粒形狀、顆粒構(gòu)成、孔隙性狀、礦物成分、沉積環(huán)境與應(yīng)力歷史等因素的不同造成的。長期以來土體的結(jié)構(gòu)性由于缺乏一個(gè)定量描述其初始結(jié)構(gòu)性的參數(shù)，使其游離于土的基本物理力學(xué)性質(zhì)研究的框架之外（土的物理力學(xué)性質(zhì)的研究僅僅局限于粒度、密度和濕度3個(gè)方向上描述）。因此，將構(gòu)度結(jié)構(gòu)性參數(shù)作為初始結(jié)構(gòu)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(xué)性質(zhì)研究的框架內(nèi)容，將更能反映結(jié)構(gòu)性土的強(qiáng)度、變形等基本宏觀力學(xué)性質(zhì)，如果進(jìn)一步將其反映到結(jié)構(gòu)性宏觀力學(xué)行為中，必將為實(shí)際工程應(yīng)用帶來很好的發(fā)展前景。王帥［21］、陶虎［22］等研究了構(gòu)度與濕度、密度、粒度之間的相互關(guān)系，認(rèn)為構(gòu)度作為一個(gè)基本的物理量，可以獨(dú)立、合理地反應(yīng)土的初始結(jié)構(gòu)性。單軸壓縮條件下，整理構(gòu)度與單軸壓縮強(qiáng)度的關(guān)系如圖4、圖5所示，從圖4、圖5中可以看出，構(gòu)度與單軸壓縮強(qiáng)度之間具有較好的相關(guān)性，隨著構(gòu)度的增大，3種黃土的單軸抗壓強(qiáng)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(gòu)度定義的合理性和用其描述土初始結(jié)構(gòu)性具有一定的優(yōu)勢。

圖4 黃土的單軸抗壓強(qiáng)度與初始含水率關(guān)系

圖5 黃土的單軸抗壓強(qiáng)度與構(gòu)度關(guān)系

圖6 給出了3種黃土的構(gòu)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(gòu)度結(jié)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(jié)構(gòu)性的影響在圖6中可以分為2個(gè)不同的階段：當(dāng)初始含水率較低時(shí)，含水率對黃土的結(jié)構(gòu)亞穩(wěn)定狀態(tài)的影響較小，初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的損失也相對減小，結(jié)構(gòu)的可變性相對較大，黃土的初始結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)，在構(gòu)度隨后續(xù)含水率的變化方面，構(gòu)度指標(biāo)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(jié)構(gòu)性影響明顯；當(dāng)黃土的初始含水率達(dá)到一定值以后，構(gòu)度指標(biāo)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(jié)構(gòu)性相對于低含水率下沉積的黃土試樣，土樣的初始結(jié)構(gòu)性已經(jīng)較小，從而對構(gòu)度指標(biāo)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(zhì)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(gòu)成土體的初始結(jié)構(gòu)性具有典型時(shí)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(xué)特性的變化僅僅是土體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)狀態(tài)，它在土的生成過程及生成環(huán)境中形成。

圖6 構(gòu)度結(jié)構(gòu)性參數(shù)與初始含水率的關(guān)系

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

式中：mu表征土的構(gòu)度結(jié)構(gòu)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(biāo)。當(dāng)土體結(jié)構(gòu)中水分完全喪失時(shí)，土密度被稱為干密度；當(dāng)氣相全部被液體充滿時(shí)，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(shí)，稱為非飽和土，此時(shí)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(zhì)成分之外，還與孔隙的大小有關(guān)，即初始孔隙比e0直接影響到土的密實(shí)度。黃土是在干濕交替的環(huán)境下風(fēng)積而成，因此其結(jié)構(gòu)性和欠壓密性是其主要特征，在荷載作用下，結(jié)構(gòu)性土往往表現(xiàn)出超固結(jié)土特性。王帥［21］、陶虎［22］等研究了密度、粒度、濕度與構(gòu)度之間的關(guān)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(jié)構(gòu)性的不同主要表現(xiàn)在含水率的不同，式（3）可以進(jìn)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(jié)構(gòu)性土，式（3）實(shí)際上回歸到初始含水率的單值函數(shù)，考察式（4），結(jié)合圖6所給出的構(gòu)度隨含水率的變化關(guān)系曲線，構(gòu)度指標(biāo)可以進(jìn)一步表示為式（5）所示的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。

式中：mu為構(gòu)度；w為土體的初始含水率，a1、b1為與土類相關(guān)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(gè)土類相關(guān)的材料參數(shù)a1、b1一方面與黃土體的粒度、密度相關(guān)，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(guān)。但是限于篇幅及研究目的，不再進(jìn)行初始孔隙比及干密度與土體結(jié)構(gòu)性之間的相關(guān)性分析，在表2中僅僅給出了所研究的3種黃土的相關(guān)材料參數(shù)。

表2 3種黃土構(gòu)度結(jié)構(gòu)性參數(shù)相關(guān)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(jié)構(gòu)性變化發(fā)展及強(qiáng)度特性密切相關(guān)。在試驗(yàn)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(shí)，土體結(jié)構(gòu)性破壞實(shí)際上集中于土樣的剪切帶發(fā)展部位，在試樣其它部位，結(jié)構(gòu)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(shí)沒有明顯剪切帶形成，那么整個(gè)土樣結(jié)構(gòu)性在加載過程中都有可能遭到了破壞，顯然，破壞局部的結(jié)構(gòu)性要比破壞整體結(jié)構(gòu)性耗散更少的功。因此，用不同破壞方式土樣試驗(yàn)結(jié)果來研究土的結(jié)構(gòu)性及其力學(xué)效果存在一定誤差。

對于土體試樣的2種破壞形態(tài)，其結(jié)構(gòu)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(yīng)含水率條件下單軸壓縮應(yīng)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(dāng)含水率較高時(shí)，土樣的破壞形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄怨拿洠▊?cè)賬）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(dāng)初始含水率較低時(shí)，試驗(yàn)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(gè)較為完整的剪切面，當(dāng)初始含水率較高時(shí)，剪切帶逐漸消失，并帶有側(cè)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(dāng)含水率較低時(shí)，由于擾動(dòng)成樣原因，使得土樣顆粒排列規(guī)整、均勻。整個(gè)土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，故其結(jié)構(gòu)破壞面較明顯，均為一個(gè)較為完整的剪切破壞面，當(dāng)試樣初始含水率較高時(shí)，重塑土樣的結(jié)構(gòu)受到水膜的移動(dòng)及分子遷移的影響，其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性減弱，可變性能增加，強(qiáng)度有所降低，結(jié)構(gòu)的破壞面明顯減弱，進(jìn)而形成側(cè)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(shí)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(cè)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(jié)構(gòu)性土試樣破壞方式的第一要?jiǎng)?wù)。含水率較大時(shí)不易產(chǎn)生剪切帶，破壞形式表現(xiàn)為側(cè)脹破壞；含水率較小時(shí)，易形成剪切帶，破壞形式表現(xiàn)為傾斜破壞面，當(dāng)原狀黃土在較低含水率時(shí)，其結(jié)構(gòu)由于受到各項(xiàng)異性的影響，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生多個(gè)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?？紤]到土結(jié)構(gòu)性的變化規(guī)律，不難看出，結(jié)構(gòu)性強(qiáng)的土，在外部荷載作用下，易形成明顯的破壞軌跡；結(jié)構(gòu)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(cè)脹破壞。

4 結(jié) 論

通過3種不同黃土的單軸壓縮試驗(yàn)，研究了3種原狀黃土、重塑黃土和飽和黃土的單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系特性，基于綜合結(jié)構(gòu)勢思想，在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，分別對3種黃土總結(jié)了構(gòu)度指標(biāo)的變化規(guī)律，論述了構(gòu)度指標(biāo)作為土初始結(jié)構(gòu)性定量描述的合理性。

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

2）構(gòu)度與單軸壓縮強(qiáng)度之間具有較好的相關(guān)性，隨著構(gòu)度的增大，3種黃土的單軸抗壓強(qiáng)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(gòu)度定義的合理性和其描述土體初始結(jié)構(gòu)性具有一定的優(yōu)勢。

3）3種黃土的構(gòu)度隨含水率的變化曲線規(guī)律比較相似，含水率對初始結(jié)構(gòu)性的影響有2個(gè)不同的階段，并提出了構(gòu)度的具體數(shù)學(xué)描述。

4）在單軸壓縮條件下，黃土的破壞方式有側(cè)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。

［1］劉祖典.黃土力學(xué)與工程［M］.西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1997：9－11.

［2］劉東升.黃土的物質(zhì)成份和結(jié)構(gòu)［M］.北京：科學(xué)技術(shù)出版社，1985.

［3］高國瑞.黃土的顯微結(jié)構(gòu)分類和濕陷性［J］.中國科學(xué)，1980（12）：1203－1207.

［4］高國瑞.中國黃土的微結(jié)構(gòu)［J］.科學(xué)通報(bào)，1980（20）：945－948.

［5］沈珠江.土體結(jié)構(gòu)性的數(shù)學(xué)模型21世紀(jì)土力學(xué)的核心問題［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1996，18（1）：95－97.Shen Z J.Structured mathematic model of soil－core of soil mechanics in 21st century［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1996，18（1）：95－97.

［6］Terzaghi K.Theoretical soil mechanics ［M］.New York：John Wiley and Sons，Inc.1943.

［7］Soga K.Mechanical behavior and constitutive modeling of natural structured soils［D］.Department of Civil and Environmental Engineering，University of California，Berkeley，California，1994.

［8］謝定義，齊吉林.土結(jié)構(gòu)性及其定量化參數(shù)研究的新途徑［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1999，21（6）：651－656.Xie D Y，Qi J L.Soil structure characteristics and new approach in research on its quantitative parameter［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1999，21（6）：651－656.

［9］邵生俊，龍吉勇，楊生，等.濕陷性黃土結(jié)構(gòu)性變形特性分析［J］.巖土力學(xué)，2006，27（10）：1668－1672.Shao S J，Long J Y，Yang S，et al.Analysis of structural deformation properties of collapsible loess［J］.Rock and Soil Mechanics，2006，27（10）：1668－1672.

［10］邵生俊，龍吉勇，于清高，等.濕陷性黃土結(jié)構(gòu)性參數(shù)本構(gòu)模型［J］.水利學(xué)報(bào)，2006，39（11）：1315－1322.Shao S J，Long J Y，Yu Q G，et al.A constitutive model of collapsible loess with structural parameter［J］.Shuili Xuebao，2006，37（11）：1315－1322.

［11］邵生俊，羅愛忠，于清高，等.加荷增濕作用下Q3粘黃土的結(jié)構(gòu)損傷特性［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28（12）：2077－2082 Shao S J，Luo A Z，Yu Q G，et al.Structural damage properties of Q3loess under triaxial loading and moistening ［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006，28（12）：2077－2082.

［12］駱亞生，謝定義.復(fù)雜應(yīng)力條件下土的結(jié)構(gòu)性本構(gòu)關(guān)系［J］.四川大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2005，37（5）：14－18.Luo Y S，Xie D Y，Structural constitutive relation of soil under complex stress conditions ［J］.Journal of Sichuan University：Engineering Science Edition，2005，37（5）：14－18.

［13］陳存禮，高鵬，胡再強(qiáng).黃土的增濕變形記其與結(jié)構(gòu)性的關(guān)系［J］.巖石力學(xué)與工 程學(xué)報(bào)，2006，25（7）：1352－1360.Chen C L，Gao P，Hu Z Q.Moistening deformation characteristic of loess and its relation to structure［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25（7）：1352－1360.

［14］馮志炎.非飽和黃土的結(jié)構(gòu)性定量化參數(shù)與結(jié)構(gòu)性本構(gòu)關(guān)系研究［D］.西安：西安理工大學(xué)，2008.

［15］鄧國華.真三軸條件下結(jié)構(gòu)性黃土的強(qiáng)度變形本構(gòu)關(guān)系研究［D］.西安：西安理工大學(xué)，2009.

［16］鄧國華，邵生俊，佘芳濤.結(jié)構(gòu)性黃土的修正劍橋模型［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34（5）：834－841.Deng G H，Shao S J，She F T，Modified Cam－clay model of structured loess ［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2012，34（5）：834－841.

［17］羅愛忠，邵生俊.結(jié)構(gòu)性黃土損傷演化規(guī)律試驗(yàn)研究［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，42（1）：79－82.Luo A Z，Shao S J.Study on structural damage of structural loess［J］.Journal of Taiyuan University of Technology，2011，42（1）：79－82.

［18］羅愛忠，邵生俊，許萍.濕載條件下黃土結(jié)構(gòu)性損傷演化特性研究［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，40（3）：200－204.Luo A Z，Shao S J，Xu P.Research on structural damage development of loess under stress and moisture ［J］.Journal of Northwest Science－Technology University of Agriculture and Forest，2012，40（3）：200－204.

［19］羅愛忠，邵生俊.濕載耦合作用下黃土結(jié)構(gòu)性損傷演化及本構(gòu)關(guān)系［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31（4）：841－847.Luo A Z，Shao S J.Structural damage evolution and constitutive relationship of loess under compling of stress and moisture ［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2012，31（4）：841－847.

［20］邵生俊，鄭文，王正泓，等.黃土的構(gòu)度指標(biāo)及其試驗(yàn)確定方法［J］.巖土力學(xué)，2010，31（1）：15－19.Shao S J，Zheng W，Wang Z H，et al，Structural index of loess and its testing method ［J］.Rock and Soil Mechanics，2010，31（1）：15－19.

［21］王帥.黃土構(gòu)度指標(biāo)的力學(xué)特性研究［D］.西安：西安理工大學(xué)，2010.

［22］陶虎.黃土的構(gòu)度及其描述結(jié)構(gòu)性演變的本構(gòu)模型研究［D］.西安：西安理工大學(xué)，2012.