土初始狀態(tài)結(jié)構(gòu)性定量化的研究與驗證

秦鵬成, 邵生俊, 安中秋， 褚峰, 鄭曉鋒

(1.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所，陜西 西安 710048；2.陜西省黃土力學(xué)與工程重點實驗室，陜西 西安 710048)

土初始狀態(tài)結(jié)構(gòu)性定量化的研究與驗證

秦鵬成1,2, 邵生俊1,2, 安中秋1,2， 褚峰1,2, 鄭曉鋒1,2

(1.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所，陜西 西安 710048；2.陜西省黃土力學(xué)與工程重點實驗室，陜西 西安 710048)

土的初始結(jié)構(gòu)性綜合反映了初始顆粒聯(lián)結(jié)特征和初始顆粒排列特征。本文通過重塑飽和的方法來破壞原狀土的初始結(jié)構(gòu)性，用原狀土的無側(cè)限抗壓強度與重塑飽和土的無側(cè)限抗壓強度的比值，定義一個反映土初始結(jié)構(gòu)性的參數(shù)mis，分析了該參數(shù)與黃土基本物性指標(biāo)、力學(xué)特性指標(biāo)的關(guān)系。結(jié)果表明：粒度、密度、濕度是影響初始結(jié)構(gòu)性的主要因素，同時，粒度、密度、濕度、初始結(jié)構(gòu)性具有相關(guān)性；該參數(shù)具有很好的實用性。

重塑飽和土； 初始結(jié)構(gòu)性； 基本物性指標(biāo)； 力學(xué)特性指標(biāo)

土的結(jié)構(gòu)性定量化研究分兩個方向：一是研究土在加荷條件下變形過程中的結(jié)構(gòu)性參數(shù)；二是研究土初始狀態(tài)的結(jié)構(gòu)性參數(shù)。對于加荷條件下變形過程的結(jié)構(gòu)性研究比較成熟，基本形成了一個框架體系，其變形主要包括壓縮變形、剪切變形，主要利用壓縮試驗儀、常規(guī)三軸儀、真三軸儀及動三軸儀來研究結(jié)構(gòu)性，概括起來，提出了9種變形過程的結(jié)構(gòu)性參數(shù): 應(yīng)變結(jié)構(gòu)性參數(shù)[1]、應(yīng)力結(jié)構(gòu)性參數(shù)[2]、振次結(jié)構(gòu)性參數(shù)[3]、應(yīng)力比結(jié)構(gòu)性參數(shù)[4]、孔隙比結(jié)構(gòu)性參數(shù)[5-6]、動應(yīng)力結(jié)構(gòu)性參數(shù)[3]、動剪應(yīng)力結(jié)構(gòu)性參數(shù)[3]、模量結(jié)構(gòu)性參數(shù)[7]、等向應(yīng)力(或球應(yīng)力)結(jié)構(gòu)性參數(shù)[8]。變形過程結(jié)構(gòu)性參數(shù)既反映了初始狀態(tài)的結(jié)構(gòu)性,又反映了次生結(jié)構(gòu)性，是初始結(jié)構(gòu)強度和次生結(jié)構(gòu)強度的集中體現(xiàn)，可以充分說明土在荷載作用下結(jié)構(gòu)強度是動態(tài)變化的，在荷載作用下，表現(xiàn)為初始結(jié)構(gòu)性破壞(即初始結(jié)構(gòu)強度喪失)次生結(jié)構(gòu)性形成(即次生結(jié)構(gòu)強度的發(fā)揮)，且形成的次生結(jié)構(gòu)強度不足以抵抗外荷載的強度而導(dǎo)致土體最終破壞，此過程中結(jié)構(gòu)的可穩(wěn)性(聯(lián)結(jié)特征)和結(jié)構(gòu)的可變性(排列特征)均起主要作用，結(jié)構(gòu)的可穩(wěn)性要小于結(jié)構(gòu)的可變性，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為硬化型。對于土的初始結(jié)構(gòu)性研究，目前，研究者們在定量化分析方面，提出的結(jié)構(gòu)性參數(shù)還不多，主要由馮志焱[8-9]和邵生俊[10-11]提出的結(jié)構(gòu)性參數(shù)來研究土的初始結(jié)構(gòu)性，初始結(jié)構(gòu)性是一個定值，反映了土的基本物理性質(zhì)，在荷載作用下，不隨應(yīng)變的發(fā)展而改變，只反映土的初始結(jié)構(gòu)，不反映土的次生結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的可變性發(fā)揮作用要小于結(jié)構(gòu)的可穩(wěn)性,應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為軟化型。

由馮志焱提出的圓錐貫入度結(jié)構(gòu)性參數(shù)和邵生俊提出的構(gòu)度指標(biāo)，都是以謝定義[1]提出的綜合結(jié)構(gòu)勢為基礎(chǔ)，利用重塑土和原狀飽和土來充分釋放綜合結(jié)構(gòu)勢。馮志焱在錐形稠度試驗儀上，利用原狀土、重塑土以及飽和土測定試錐的入土深度，定義了初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)ms(w)，具有方便實用的價值。邵生俊在無側(cè)限壓縮試驗儀上，利用原狀土、重塑土以及飽和土的無側(cè)限抗壓強度定義結(jié)構(gòu)性參數(shù)構(gòu)度mu，該參數(shù)宏觀反映了土單元體的結(jié)構(gòu)性。

1 初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)的表達式

本文通過擾動重塑飽和土釋放綜合結(jié)構(gòu)性，分別進行相同干密度的原狀土和重塑飽和土的單軸抗壓強度試驗，以原狀土的無側(cè)限抗壓強度與重塑飽和土的無側(cè)限抗壓強度之比來定量確定土初始狀態(tài)的結(jié)構(gòu)性。定義如下初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)：

(1)

式中,mis為土初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)；(qu)y、(qu)rs分別為原狀土和重塑飽和土的無側(cè)限抗壓強度。

從式(1)看出,土初始顆粒聯(lián)結(jié)越強、初始顆粒排列越不穩(wěn)定，重塑飽和后土結(jié)構(gòu)強度損失越大，得到重塑飽和土的無側(cè)限抗壓強度越小，土初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)越大。初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)可以反映土在剪切過程中初始結(jié)構(gòu)性的損失，該參數(shù)對土結(jié)構(gòu)性強弱的靈敏度很高。

2 研究思路

通過原狀土的無側(cè)限抗壓強度與重塑飽和土的無側(cè)限抗壓強度的比值定義初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)，研究分析初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)與基本物理性質(zhì)指標(biāo)(粒度、密度、濕度)和力學(xué)特性指標(biāo)(壓縮系數(shù)、壓縮模量、濕陷系數(shù))的關(guān)系，從而驗證初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)的靈敏度、穩(wěn)定性及合理性。

3 試驗方案

試驗土樣取自西安市雁塔區(qū)月登閣村場地，取土深度分別為12 m、15 m、22 m、25 m。經(jīng)現(xiàn)場和試驗鑒定，12 m和15 m深黃土屬于Q3黃土，22 m和25 m深黃土屬于Q2黃土，黃土的物性指標(biāo)見表1。

3.1 無側(cè)限抗壓強度試驗方案

應(yīng)用由應(yīng)變控制式三軸剪切儀改裝的應(yīng)變式無側(cè)限壓縮儀，對原狀土和相同干密度重塑飽和土進行無側(cè)限抗壓強度試驗，試驗剪切速率為0.828 mm/min，軸向位移計每移動0.1 mm，測記軸向測力計讀數(shù)一次。原狀土含水率分別設(shè)定為0%、5%、10%、15%、20%、25%、飽和，用于反映不同含水率對初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)的影響。試樣采用直徑39.1 mm、高80 mm的圓柱樣。

3.2 側(cè)限壓縮試驗

試驗采用三聯(lián)中壓固結(jié)儀，分別對不同含水率的原狀土做壓縮試驗。加壓等級為：50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa、800 kPa。試樣尺寸Φ61.8 mm×20 mm，用于反映壓縮系數(shù)和壓縮模量對初始結(jié)構(gòu)性的影響。

3.3 濕陷試驗

試驗設(shè)備為三聯(lián)中壓固結(jié)儀，采用雙線法進行濕陷試驗，用于反映濕陷系數(shù)對初始結(jié)構(gòu)性的影響。

4 無側(cè)限抗壓強度與含水率的關(guān)系

對4種原狀黃土在不同含水率(0%、5%、10%、15%、20%、25%、飽和)下進行無側(cè)限抗壓強度試驗，其原狀土無側(cè)限抗壓強度隨含水率的關(guān)系曲線如圖1所示。可以看出：4種黃土的無側(cè)限抗壓強度均隨含水率的增加而減小，含水率較小(w=0%～15%)時，隨含水率的增大而急劇減小，表現(xiàn)出對水靈敏度高；含水率較大(w從15%到飽和)時，隨含水率的增加而緩慢減小，表現(xiàn)出對水靈敏度低。由于12 m、15 m黃土屬于Q3黃土，22 m、25 m黃土屬于Q2黃土，表現(xiàn)出無論Q3黃土還是Q2黃土，其無側(cè)限抗壓強度均隨含水率的增加而減小。因此濕度(增濕、減濕)是影響黃土結(jié)構(gòu)強度的重要因素。

5 初始結(jié)構(gòu)性與基本物性的關(guān)系

黃土的基本物性指標(biāo)(粒度、濕度、密度、結(jié)構(gòu)性)是決定黃土力學(xué)性質(zhì)及其變化規(guī)律的內(nèi)在因素，且4個物性指標(biāo)既相互獨立又相互依存，文中通過研究初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)與粒度、密度、濕度的關(guān)系來驗證其穩(wěn)定性、合理性及靈敏度。其中粒度用液限、塑限和塑性指數(shù)表示；濕度用含水率、飽和度、液性指數(shù)表示；密度用干密度、孔隙比、孔隙率表示。本文對12 m、15 m、22 m、25 m黃土分別在w=0%、5%、10%、15%、20%、25%及飽和條件下進行了試驗，研究初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)與含水率、塑限、孔隙比、干密度與孔隙比比值、綜合物理特征量的關(guān)系。

5.1 初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)與含水率w的關(guān)系

由式(1)定義的初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)mis隨含水率的變化曲線如圖2所示，4種黃土的初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)均隨含水率增加而減小。含水率較小(w=0%～15%)時，隨含水率的增加，初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)減小幅度大，受含水率影響大，對水靈敏；含水率較大(w>20%)時，隨含水率的增加，初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)減小幅度小，受含水率影響小。Q3黃土的初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)在相同含水率下大于Q2黃土的初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)，特別是在較低含水率下，兩者相差較大；由于Q3黃土的架空空隙大，結(jié)構(gòu)的可變性較大，較Q2黃土穩(wěn)定性差，浸水破壞后，結(jié)構(gòu)勢充分釋放，初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)較大，說明Q3黃土比Q2黃土對水靈敏。

5.2 初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)與塑限wp的關(guān)系

為了研究塑限wp對初始結(jié)構(gòu)性的影響，以含水率w=0%和w=20%為例，分析初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)mis隨塑限的變化規(guī)律，如圖3。初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)隨塑限增大呈增大趨勢，且隨著塑限的增大，其增大幅度有所增加。隨著含水率由0%逐漸增至飽和狀態(tài)，趨勢線逐漸由陡直向平緩過渡，說明低含水率時，塑限是影響初始結(jié)構(gòu)性大小的主要因素。

5.3 初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)與初始孔隙比e0的關(guān)系

黃土的密實度可以通過干密度和孔隙比來反映，干密度越大，其孔隙比越小，黃土越密實；干密度越小，其孔隙比越大，黃土越疏松。以含水率w=0%、w=10%和w=20%為例，初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)mis與孔隙比的關(guān)系曲線，如圖4。初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)隨初始孔隙比增大而呈增大趨勢，這說明隨著孔隙比增大，土的密實度降低，經(jīng)擾動、浸水、加荷作用后，結(jié)構(gòu)勢釋放越充分，結(jié)構(gòu)強度損失越大，對應(yīng)初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)mis也越大。低含水率時，隨孔隙比的增加，初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)的趨勢線增加幅度大，表現(xiàn)出對孔隙比較高的靈敏度；高含水率時，初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)的趨勢線隨孔隙比的增加而緩慢加大，表現(xiàn)出對孔隙比較低的靈敏度。

5.4 初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)與ρd/eo的關(guān)系

干密度ρd和孔隙比eo都是影響初始結(jié)構(gòu)強度的主要因素，可以利用干密度與孔隙比的比值來綜合反映初始結(jié)構(gòu)強度對初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)mis的影響。以含水率w=5%和w=25%為例，如圖5，初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)隨干密度與初始孔隙比比值的減小而減小，且含水率較低時，隨干密度與初始孔隙比比值的減小而大幅度減??；含水率較高時，隨干密度與初始孔隙比比值的減小而緩慢減小。這說明干密度越小，初始孔隙比越大，比值越小，結(jié)構(gòu)的可穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)的可變性較強，初始結(jié)構(gòu)遭到破壞后，釋放的結(jié)構(gòu)勢越充分，結(jié)構(gòu)強度損失越大，初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)越大；干密度越大，孔隙比越小，比值越大，結(jié)構(gòu)越密實，結(jié)構(gòu)遭到破壞后，結(jié)構(gòu)強度損失越小，初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)越小。

5.5 初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)與綜合物理特征量的關(guān)系

定義一個綜合物理特征量ILρd/(ρwe0)來綜合反映粒度、密度、濕度等基本物理性質(zhì)，其中液性指數(shù)IL反映了土的粒度和濕度，干密度和孔隙比反映了土的密度。對4種黃土進行了試驗，以12 m黃土和22 m黃土為例，初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)mis與該綜合物理特征量的關(guān)系如圖6，初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)隨綜合物理特征量的增加而減小，具有很好的單調(diào)變化特性。這說明初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)與粒度、密度、濕度具有很好的關(guān)聯(lián)性、相關(guān)性。12 m黃土屬于Q3黃土，22 m黃土屬于Q2黃土，在綜合物理特征量相同的條件下,Q3黃土的初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)大于Q2黃土的初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)。

6 初始結(jié)構(gòu)性與力學(xué)特性指標(biāo)的關(guān)系

本文分別對12 m、15 m、22 m、25 m黃土進行室內(nèi)壓縮試驗和雙線法濕陷試驗，來驗證初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)mis在實際工程中的實用性和合理性；驗證初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)與壓縮性指標(biāo)(壓縮系數(shù)a、壓縮模量Es)和濕陷性指標(biāo)(濕陷系數(shù)δs)是否具有直接而靈敏的關(guān)系。

6.1 初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)與壓縮系數(shù)a的關(guān)系

土的壓縮系數(shù)a反映了在一定壓力范圍內(nèi)土孔隙比的變化范圍，壓縮系數(shù)a越大，表明在一定壓力范圍內(nèi)孔隙比變化越大，土的壓縮性越高，土粒在受力后調(diào)整位置，重新排列，相互擠緊的速率越快。大量試驗已得出：對于同一種土，在干密度相同的情況下，壓縮系數(shù)隨含水率的增大而增大，即低濕度時，壓縮系數(shù)小，高濕度時，壓縮系數(shù)大。以12 m和22 m黃土為例，初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)mis與壓縮系數(shù)a的關(guān)系如圖7，隨壓縮系數(shù)a的增大，初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)mis逐漸減??；對于同一種土，在含水率較低時，壓縮系數(shù)a較小，對應(yīng)的初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)較大，表明低濕度下，黃土顆粒排列特征沒有遭到破壞，土的結(jié)構(gòu)強度較大；隨著濕度從0%逐漸增加到飽和，黃土的顆粒排列遭到破壞，結(jié)構(gòu)勢逐漸釋放，初始結(jié)構(gòu)強度逐漸損失，對應(yīng)的壓縮系數(shù)a越大，初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)越小。

6.2 初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)與壓縮模量Es的關(guān)系

土的壓縮模量是側(cè)限條件下，鉛直向應(yīng)力與應(yīng)變的比值，與壓縮系數(shù)成反比，即a越大，Es越小，以12 m和22 m黃土為例，初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)mis與壓縮模量的關(guān)系如圖8，初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)隨壓縮模量的增大而增大，呈非線性的變化規(guī)律。對于同一種土，隨含水率由小到大，對應(yīng)的壓縮模量由大到小，表現(xiàn)為初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)逐漸減小，這再一次證明了含水率既影響土的壓縮性又影響土的初始結(jié)構(gòu)性。隨含水率的增加，黃土逐漸從低壓縮性土過渡到高壓縮性土。

6.3 初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)與濕陷系數(shù)δs的關(guān)系

濕陷試驗采用雙線法，環(huán)刀尺寸50 cm2×2 cm，以12 m和25 m黃土為例，初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)與濕陷系數(shù)的關(guān)系如圖9，初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)隨濕陷系數(shù)的增大而增大；隨含水率由0%增至25%，濕陷系數(shù)由大逐漸減小，初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)由大減小。12 m黃土屬于Q3黃土，25m黃土屬于Q2黃土，可以看出，相同含水率條件下，Q3黃土的濕陷系數(shù)比Q2黃土的濕陷系數(shù)大，Q3黃土對應(yīng)的初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)比Q2黃土大。

7 結(jié) 論

1) 本文通過擾動重塑飽和土釋放原狀土的結(jié)構(gòu)性，用原狀土的無側(cè)限抗壓強度與重塑飽和土的無側(cè)限抗壓強度的比值定義了一個反映土初始結(jié)構(gòu)性的參數(shù)，該參數(shù)可以綜合反映黃土的初始顆粒聯(lián)結(jié)和初始顆粒排列特征。

2) 初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)與土基本物性指標(biāo)(粒度、密度、濕度)的關(guān)系曲線表明：初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)mis隨含水率的增加而減小，隨塑限的增大而增大，隨初始孔隙比的增加而增大，隨干密度與孔隙比比值的增加而減小。

3) 初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)與綜合物理特征量的關(guān)系曲線表明：初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)隨綜合物理特征量的增加而減小，它綜合反映了粒度、密度、濕度對初始結(jié)構(gòu)性的影響，以及粒度、密度、濕度、初始結(jié)構(gòu)性的相關(guān)性。

4) 初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)與力學(xué)特性指標(biāo)的關(guān)系曲線表明：初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)mis隨壓縮系數(shù)增加而減小，隨壓縮模量增加而增大，隨濕陷系數(shù)增加而增大。

5) 黃土的基本物性指標(biāo)是影響黃土初始結(jié)構(gòu)性的主要因素；通過初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)mis與工程力學(xué)特性指標(biāo)的關(guān)系，反映出該初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)在工程實際應(yīng)用中的合理性和可行性。

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(責(zé)任編輯 周蓓)

The initial state of the soil structural quantitative research and verification

QIN Pengcheng1,2， SHAO Shengjun1,2， AN Zhongqiu1,2，CHU Feng1,2， ZHENG Xiaofeng1,2

(1.Institute of Geotechnical Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China；2.Shaanxi Province Key Laboratory of Loess Mechanics and Engineering, Xi’an 710048, China)

Soil initial structure can reflect the initial particle coupling behaviors and the initial particle arrangement features comprehensively. In this paper, the method of remolding saturation is used to destroy the initial soil structure behaviors, the specific value between the undisturbed soil unconfined compressive strength and remolded saturation soil unconfined compressive strength is used to define a parametermisto reflect the soil initial structure behaviors. This paper analyzes the relations between this parameter and the loess basic physical property indexes and mechanical property indexes. The results indicate that soil particle sizes, density and humidity are the main factors affecting soil initial structures, at the same time, soil partical sizes, density, humidity and initial structure are of correlation, and the parameters are of better practicability.

remodeling saturated soil；initial structure; the basic physical indicators; mechanical properties index

1006-4710(2015)04-0448-06

2015-04-27

國家自然科學(xué)基金資助項目(41272320)；陜西省黃土力學(xué)與工程重點實驗室重點科研計劃資助項目(2010JS084)。

秦鵬成，男，碩士生，研究方向為黃土力學(xué)與工程。E-mail：18292838583@163.com。

邵生俊，男，教授，博導(dǎo)，博士，研究方向為黃土力學(xué)、黃土動力學(xué)等。E-mail：sjshao@xaut.edu.cn。

TU43

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