不同結(jié)構(gòu)性黃土的單軸抗壓試驗(yàn)及破壞模式

摘要：

結(jié)合室內(nèi)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，對不同初始結(jié)構(gòu)性黃土在單軸應(yīng)力條件下的結(jié)構(gòu)性變化特性進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)，在同一含水率條件下，原狀黃土試樣的單軸抗壓強(qiáng)度要明顯高于重塑黃土試樣的單軸抗壓強(qiáng)度；當(dāng)含水率較低時，土樣的破壞主要表現(xiàn)為脆性拉裂破壞，破壞呈現(xiàn)突然性；當(dāng)初始含水率較低時，含水率對黃土結(jié)構(gòu)亞穩(wěn)定狀態(tài)的影響減小，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，黃土在該狀態(tài)條件下所具有的初始結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)。構(gòu)度結(jié)構(gòu)性參數(shù)指標(biāo)隨初始含水率的增大出現(xiàn)驟減，說明在這一階段試樣的初始含水率對黃土的初始結(jié)構(gòu)性的影響較明顯；當(dāng)黃土的初始含水率達(dá)到一定值以后，含水率的增大使得黃土試樣在沉積過程中初始結(jié)構(gòu)性相比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)部分減小，從而對構(gòu)度結(jié)構(gòu)性參數(shù)指標(biāo)的影響相對較小。

關(guān)鍵詞：

黃土；結(jié)構(gòu)性；單軸抗壓試驗(yàn)；構(gòu)度；破壞模式

中圖分類號：

TU444

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：16744764（2014）04007407

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)定性兩個方面分析，黃土骨架顆粒是整個黃土骨架架空結(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[24]，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)在評價土的強(qiáng)度和變形時的重要性。Soga[7]結(jié)合Michell等對土體微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，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)的主動作用力和被動阻抗力之間的核心關(guān)系。邵生俊等[911]、駱亞生等[12]、陳存禮等[13]、馮志炎[14]、鄧國華等[1516]和羅愛忠等[1719]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)性變化分析羅愛忠，等：不同結(jié)構(gòu)性黃土的單軸抗壓試驗(yàn)及破壞模式

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。

11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（loess ①）、黃土②（loess ②）和黃土③（loess ③）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6～7 m、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（391 mm×80 mm）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。

Δmw=w-w0w+w0m0（1）

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5 d，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2 d后使用。