結(jié)構(gòu)性對(duì)黃土壓縮回彈性能影響的試驗(yàn)研究

張振龍，徐亞利，劉增榮

（1.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.皖西學(xué)院建筑與土木工程學(xué)院，安徽 六安 237012）

自然界中的土體受地質(zhì)和環(huán)境的影響，顆粒不僅隨機(jī)排列，顆粒與顆粒之間也存在著或強(qiáng)或弱的聯(lián)結(jié)力，使其形成了一定的結(jié)構(gòu)性． 對(duì)于黃土而言，由于經(jīng)歷了地質(zhì)年代的第四紀(jì)，特定的形成條件和環(huán)境，造就了黃土特殊的顆粒聯(lián)結(jié)和排列特征，形成了明顯的柱狀節(jié)理和大孔隙結(jié)構(gòu)，這種特征往往表現(xiàn)出欠壓密性，在強(qiáng)度上則表現(xiàn)出超固結(jié)土的特性，獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使得黃土的力學(xué)性狀和工程性質(zhì)極為復(fù)雜．

從廣義上說(shuō)，天然土絕大多數(shù)都有結(jié)構(gòu)性． 結(jié)構(gòu)性的研究已經(jīng)成為21世紀(jì)的核心問(wèn)題[1]，很多學(xué)者結(jié)合細(xì)觀(guān)形態(tài)學(xué)理論、固體力學(xué)理論及土力學(xué)理論先后對(duì)粘土、軟土以及黃土做了大量的研究，并取得了豐碩的研究成果． 如田堪良等(2011)針對(duì)不同的受力條件，提出基于變形條件的黃土結(jié)構(gòu)性參數(shù)、基于強(qiáng)度條件的黃土靜力結(jié)構(gòu)性參數(shù)和基于強(qiáng)度條件的黃土動(dòng)力結(jié)構(gòu)性參數(shù)型[2]． M.D.Liu和J.P.Carter(1999)根據(jù)土的壓縮試驗(yàn)，提出了土的結(jié)構(gòu)性壓縮模型[3-4]． 隨后，他們基于臨界狀態(tài)土力學(xué)理論提出了悉尼土模型[5-6]． 邵生俊等(2004)提出了一個(gè)既能反映土粒微觀(guān)排列的結(jié)構(gòu)性,又能反映土粒間由于特殊的膠結(jié)結(jié)構(gòu)而綜合表現(xiàn)出的宏觀(guān)力學(xué)特征,從而可以開(kāi)展對(duì)土的結(jié)構(gòu)性進(jìn)行研究的結(jié)構(gòu)性參數(shù)[7]． 沈珠江基于損傷理論并針對(duì)結(jié)構(gòu)性粘土提出了復(fù)合體模型及堆砌體模型[8]． 陳輝等在 2010年從土力學(xué)途徑出發(fā)，在三軸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了反映重塑黃土和原狀飽和黃土結(jié)構(gòu)性的定量化參數(shù)，較為詳細(xì)地研究了重塑黃土和原狀飽和黃土的結(jié)構(gòu)性變化特征[9]． 謝定義和齊吉琳首次提出了用以反映聯(lián)結(jié)特征和排列特征的兩個(gè)新概念，即可穩(wěn)性和可變性，通過(guò)這兩個(gè)概念來(lái)反映土的結(jié)構(gòu)性強(qiáng)弱和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的大小[10]． 駱亞生等首先把該思想發(fā)展到復(fù)雜應(yīng)力條件下，定義了基于強(qiáng)度考慮的土結(jié)構(gòu)性參數(shù)，為復(fù)雜應(yīng)力條件下研究土的結(jié)構(gòu)性變化特性和建立結(jié)構(gòu)性本構(gòu)關(guān)系奠定了基礎(chǔ)[11]．

本文通過(guò)原狀土和重塑土在不同含水量下的側(cè)限壓縮試驗(yàn)、原狀土在不同荷載下的壓縮回彈再壓縮試驗(yàn)，詳細(xì)分析了黃土的結(jié)構(gòu)性對(duì)其壓縮、回彈及再壓縮性能的影響．

1 試驗(yàn)用土的物理力學(xué)性質(zhì)

試驗(yàn)用土取自西安市郊區(qū)某建筑工地，取土深度為4.0～5.0 m． 所取土樣呈褐黃色，可塑狀態(tài)，屬于典型的Q3黃土． 土樣的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示．

表1 黃土的物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical indexes of loess

根據(jù)試驗(yàn)需要，采用風(fēng)干法和滴水法制備了8%、16%、22%、28%及飽和五種不同初始含水量的原狀黃土，并放置于保濕缸中24 h以上，使水分均勻分布；制備重塑土試樣時(shí)，碾碎原狀土樣削樣的余土，過(guò)孔徑為1 mm 的篩，保證與原狀黃土試樣相同的干密度和含水率，通過(guò)分層壓樣法制備；飽和樣采用抽氣飽和法制備．

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究結(jié)構(gòu)性對(duì)黃土的壓縮性能、壓縮回彈性能及壓縮回彈再壓縮性能的影響，設(shè)計(jì)了如下四個(gè)試驗(yàn)：(1)原狀土和重塑土的壓縮試驗(yàn)；(2)原狀土和重塑土的壓縮回彈試驗(yàn)；(3)原狀土和重塑土的壓縮回彈再壓縮試驗(yàn)，選用荷載為400 kPa和800 kPa時(shí)卸荷回彈再壓縮；(4)原狀土在不同荷載下回彈再壓縮，對(duì)天然含水量下原狀土分別在荷載為50 kPa、100 kPa、400 kPa和800 kPa時(shí)回彈再壓縮等四個(gè)方面的原狀土和重塑土側(cè)限壓縮試驗(yàn)．

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 不同含水量下原狀土和重塑土的壓縮試驗(yàn)

如圖1所示，原狀土樣的壓縮曲線(xiàn)可以分為兩個(gè)階段：第一階段，平緩段，即當(dāng)壓力小于結(jié)構(gòu)屈服壓力時(shí)，土樣的壓縮性較小，表現(xiàn)為土體結(jié)構(gòu)在外部荷載作用下基本保持不變，只產(chǎn)生一定量的彈性變形和少許塑性變形（彈性變形為主且有輕微的結(jié)構(gòu)擾動(dòng)，土的孔隙變化也相對(duì)較?。坏诙A段，陡降段，即當(dāng)壓力超過(guò)其結(jié)構(gòu)屈服壓力后，由于顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)產(chǎn)生的膠結(jié)加固強(qiáng)度和特定的排列特征綜合形成的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度已經(jīng)無(wú)法抗衡外界的荷載，于是土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)大量的破損，除土體結(jié)構(gòu)塌陷外，還伴隨著土顆粒的滑移，所以土樣的變形量顯著增大，且塑性變形在整體變形中所占比重隨著荷載的增加而增大．

圖1 不同含水量原狀土的壓縮曲線(xiàn)Fig.1 The compression curves of undisturbed soil at different water content

當(dāng)含水量較小時(shí)，壓縮曲線(xiàn)在結(jié)構(gòu)屈服壓力前后變化較大，壓縮曲線(xiàn)的平緩段和陡降段的分界明顯，即黃土的結(jié)構(gòu)性在結(jié)構(gòu)屈服壓力前后差異明顯，對(duì)壓縮性能的影響顯著． 當(dāng)含水量相對(duì)較高時(shí)，壓縮曲線(xiàn)整體上相對(duì)比較平緩，平緩段和陡降段的分界點(diǎn)也越來(lái)越不明顯，這一特征恰恰說(shuō)明了水是消弱顆粒間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度的主要因素． 隨著含水量的增大，顆粒間的水膜逐漸因水分的增多而變厚，粒間的基質(zhì)吸力降低，顆粒間的膠結(jié)加固強(qiáng)度也因水的膠溶作用而降低，從而破壞了黃土的原始結(jié)構(gòu)，所以原狀土的壓縮曲線(xiàn)會(huì)隨著含水量的增加而表現(xiàn)為在結(jié)構(gòu)屈服壓力前后變化不大，壓縮曲線(xiàn)的拐點(diǎn)也越加不明顯． 同時(shí)，隨著含水量的增大，壓縮曲線(xiàn)在后期越加平緩．

當(dāng)含水量和壓力都較大時(shí)，壓縮曲線(xiàn)末尾段出現(xiàn)了微微的“上翹”現(xiàn)象． 隨著含水量的增加，曲線(xiàn)的上翹起點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的壓力值也有逐漸減小的趨勢(shì)，這與文獻(xiàn)[2-4]中的試驗(yàn)結(jié)果也較為相符．

如圖2所示，含水量對(duì)重塑土樣的壓縮曲線(xiàn)也有影響，但是影響很小，除了在較低含水量（w=8%和w=16%）時(shí)，微弱的次生結(jié)構(gòu)使得壓縮曲線(xiàn)拐點(diǎn)較為明顯以外，其它含水量下重塑土的壓縮曲線(xiàn)基本呈線(xiàn)性分布，沒(méi)有拐點(diǎn)，這也說(shuō)明重塑土經(jīng)碾壓、過(guò)篩后土樣的原始結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全破壞，含水量對(duì)于

這種重組排列后的重塑土壓縮性能影響較小．

圖2 不同含水量重塑土樣的壓縮曲線(xiàn)及分析Fig.2 The compression curves of remoulded soil at different water content

綜上所述可知，原狀土由于顆粒間膠結(jié)物質(zhì)產(chǎn)生的加固強(qiáng)度，當(dāng)達(dá)到一定荷載時(shí)，土體的結(jié)構(gòu)性逐漸破壞，土顆粒之間產(chǎn)生相互的滑移以及重新排列，所以在相同含水量、壓力時(shí)，原狀土的壓縮變形量比重塑土要?。?因此在該壓力作用下，原狀土的壓縮曲線(xiàn)較重塑土的壓縮曲線(xiàn)要平緩． 當(dāng)土體的結(jié)構(gòu)完全被破壞時(shí)，土體的力學(xué)性質(zhì)就不再受結(jié)構(gòu)性的影響，其壓縮曲線(xiàn)自然逐漸向重塑土的壓縮曲線(xiàn)靠近，并且也與重塑土的壓縮曲線(xiàn)形態(tài)相似[2-5]． 所以，含水量越大，原狀土和重塑土的壓縮曲線(xiàn)形態(tài)越接近，尤其表現(xiàn)在飽和原狀土的壓縮曲線(xiàn)與飽和重塑土的壓縮曲線(xiàn)上，兩者都表現(xiàn)為線(xiàn)性分布．

3.2 原狀土與重塑土的壓縮回彈曲線(xiàn)

由圖3可知，相同含水量的原狀土和重塑土在壓力很小時(shí)，兩曲線(xiàn)的壓縮變形量基本相當(dāng)． 隨著壓力的增大，原狀土的結(jié)構(gòu)性逐步開(kāi)始發(fā)揮作用，兩曲線(xiàn)的變化也發(fā)生了明顯的區(qū)別． 在荷載還沒(méi)有達(dá)到結(jié)構(gòu)屈服壓力之前，由于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的存在，原狀土的壓縮變形相對(duì)較小，所以原狀土的壓縮曲線(xiàn)明顯要比重塑土的壓縮曲線(xiàn)要平緩． 然而，當(dāng)荷載超過(guò)結(jié)構(gòu)屈服壓力之后，由于其特殊的顆粒結(jié)構(gòu)形式（架空式或鑲嵌式形式），并伴隨團(tuán)粒的壓碎以及內(nèi)部孔隙的不均勻，導(dǎo)致原狀土的壓縮變形迅速增大，明顯大于重塑土，因此原狀土在荷載超過(guò)結(jié)構(gòu)屈服壓力后的壓縮曲線(xiàn)明顯比重塑土的更為陡峭，即原狀土的壓縮指數(shù)大于重塑土． 隨著荷載的增加，原狀土的結(jié)構(gòu)性逐漸被破壞，直到完全喪失，原狀土壓縮曲線(xiàn)也逐漸向重塑土靠近． 當(dāng)達(dá)到一定壓力時(shí)，兩曲線(xiàn)相交于一點(diǎn)． 此后，隨著荷載的增加，重塑土顆粒的重組和排列使得其結(jié)構(gòu)更加緊密，其抵抗壓縮的性能又略有增強(qiáng)的趨勢(shì)，壓縮變形量很有限，因此原狀土的壓縮曲線(xiàn)位于重塑土的壓縮曲線(xiàn)之下．

圖3 原狀土與重塑土的壓縮回彈曲線(xiàn)的對(duì)比Fig.3 The compression- resilience curves of undisturbed soil and remoulded soil

另外，從原狀土和重塑土的回彈性能來(lái)看，兩者在荷載加至最后一級(jí)時(shí)，由于原狀土樣的結(jié)構(gòu)性已經(jīng)完全破壞，其回彈性能也趨近于重塑土的回彈性能，即兩土樣的回彈曲線(xiàn)斜率基本一致,即回彈指數(shù)相同．

3.3 原狀土的壓縮曲線(xiàn)與壓縮回彈再壓縮曲線(xiàn)

由圖4可知，含水量相同時(shí)，原狀土的壓縮回彈曲線(xiàn)與壓縮回彈再壓縮曲線(xiàn)在回彈點(diǎn)前，兩曲線(xiàn)的壓縮變形量基本相當(dāng)． 經(jīng)過(guò)壓縮回彈后再壓縮時(shí)，回彈再壓縮的曲線(xiàn)的變形量明顯小于壓縮曲線(xiàn)，此后的回彈再壓縮曲線(xiàn)也變得平緩了，回彈再壓縮曲線(xiàn)斜率比壓縮曲線(xiàn)斜率要小一些，即壓縮指數(shù)要?。硗猓瑑烧咴谧詈笠患?jí)荷載回彈的回彈曲線(xiàn)斜率基本一致，即回彈指數(shù)相同．但是回彈后最終孔隙比有所差別． 再壓縮回彈曲線(xiàn)的回彈起始孔隙比與最終孔隙比都比壓縮回彈的要大，即最終壓縮量小． 顯然，這正是因?yàn)樵瓲钔辆哂幸欢ǖ慕Y(jié)構(gòu)性，而土的結(jié)構(gòu)性是由其排列特征和聯(lián)結(jié)特征共同作用的結(jié)果，在壓縮過(guò)程中，一部分的結(jié)構(gòu)性被破壞，使得顆粒發(fā)生排列和重組的調(diào)整并趨近于穩(wěn)定，這種調(diào)整使得其在后期的抗壓性能上發(fā)揮了積極的作用． 另外一部分在回彈后又得到了恢復(fù)，兩種作用的綜合結(jié)果使得其回彈再壓縮曲線(xiàn)比壓縮曲線(xiàn)的壓縮量少． 然而這部分恢復(fù)的結(jié)構(gòu)性在隨后的加載中又逐漸被破壞，直到結(jié)構(gòu)性完全破壞，所以?xún)烧咴谧詈笠患?jí)荷載下回彈性能基本相當(dāng)，即回彈指數(shù)基本一致．

圖4 原狀土的壓縮曲線(xiàn)與壓縮回彈再壓縮曲線(xiàn)的對(duì)比Fig.4 The compression curve and compression-resilience curve of undisturbed soil

由圖5可知，在相同含水量時(shí)，重塑土的壓縮回彈曲線(xiàn)與壓縮回彈再壓縮曲線(xiàn)整體上基本重合，且其回彈再壓縮曲線(xiàn)斜率基本與前期一致． 對(duì)于重塑土而言，即便是回彈后再壓縮對(duì)其抗壓性能沒(méi)有改變，此時(shí)重塑土也基本沒(méi)有了結(jié)構(gòu)性． 但是，經(jīng)過(guò)回彈，回彈再壓縮曲線(xiàn)的壓縮量要比壓縮回彈曲線(xiàn)的壓縮量略小一些，說(shuō)明回彈過(guò)程中，由于制樣造成的次生結(jié)構(gòu)對(duì)其抗壓性能也有所提高，不過(guò)提高的程度非常有限．

圖5 重塑土的壓縮回彈與壓縮回彈再壓縮曲線(xiàn)的對(duì)比Fig.5 The compression-resilience curve and compression-resilience-recompression curve of remoulded soil

3.4 壓縮回彈再壓縮曲線(xiàn)

由圖6可知，無(wú)論是對(duì)于最后一級(jí)荷載的回彈曲線(xiàn)還是期間任一荷載的回彈曲線(xiàn)來(lái)說(shuō)，兩者在超過(guò)結(jié)構(gòu)屈服壓力后的回彈能力基本相當(dāng)，原狀土的回彈曲線(xiàn)斜率與重塑土的回彈曲線(xiàn)斜率基本一致，即回彈指數(shù)相當(dāng)． 但是原狀土在回彈后結(jié)構(gòu)性對(duì)其抗壓性能有所提高，導(dǎo)致回彈再壓縮曲線(xiàn)在回彈后的曲線(xiàn)比重塑土要平緩一些，即回彈后的壓縮指數(shù)小一些．

圖6 原狀土與重塑土的壓縮回彈再壓縮曲線(xiàn)的對(duì)比Fig.6 The compression- resilience-recompression curve of undisturbed soil and remoulded soil

3.5 不同荷載下原狀土回彈再壓縮曲線(xiàn)

由圖 7(a)～(d)可知，原狀土在不同荷載下回彈的性能有明顯差別，尤其是在結(jié)構(gòu)屈服壓力前后表現(xiàn)尤為突出．

圖7 原狀土不同回彈點(diǎn)的壓縮回彈再壓縮曲線(xiàn)對(duì)比Fig.7 The resilience-recompression curves for undisturbed soil at the load point

4 結(jié)語(yǔ)

依據(jù)對(duì)原狀土和重塑土設(shè)計(jì)的一系列側(cè)限壓縮試驗(yàn)，分析了黃土的結(jié)構(gòu)性對(duì)其壓縮回彈性能的影響，尤其是對(duì)原狀土在結(jié)構(gòu)屈服前后的力學(xué)性能變化的影響，得到以下結(jié)論：

（1）相同含水量的原狀土和重塑土隨著壓力的增大，原狀土的結(jié)構(gòu)性逐步發(fā)揮作用，在壓力達(dá)到結(jié)構(gòu)屈服壓力之前，原狀土的壓縮變形相對(duì)較小，其壓縮曲線(xiàn)明顯要比重塑土的壓縮曲線(xiàn)要平緩；當(dāng)壓力超過(guò)結(jié)構(gòu)屈服壓力之后，原狀土的結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致原狀土的壓縮變形迅速增大，壓縮曲線(xiàn)明顯比重塑土的更為陡峭，原狀土的壓縮指數(shù)比重塑土的大．

（2）隨著荷載的增加，原狀黃土土的結(jié)構(gòu)性逐漸喪失，原狀土壓縮曲線(xiàn)也逐漸向重塑土靠近，其回彈性能也趨近于重塑土的回彈性能．

（3）黃土壓縮回彈再壓縮性能的研究結(jié)果表明：在進(jìn)行原狀黃土的先期固結(jié)壓力推求時(shí)需要考慮其結(jié)構(gòu)性的影響．

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