原狀非飽和風積土的結構性參數(shù)與強度指標關系的試驗研究

張向東，李慶文，李廣華，蘇　劍

(1.遼寧工程技術大學　土木與交通學院，遼寧　阜新　123000；2.北京城建七建設工程有限公司,北京　100029；3.遼寧天信工程設計咨詢有限公司,遼寧　阜新　123000)

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原狀非飽和風積土的結構性參數(shù)與強度指標關系的試驗研究

張向東1，李慶文1，李廣華2，蘇劍3

(1.遼寧工程技術大學土木與交通學院，遼寧阜新123000；2.北京城建七建設工程有限公司,北京100029；3.遼寧天信工程設計咨詢有限公司,遼寧阜新123000)

利用TSW-40型土壤真三軸儀對不同干密度與不同含水率的原狀非飽和風積土、重塑性非飽和風積土和原狀飽和風積土試樣進行三軸剪切試驗，探討了原狀非飽和風積土的結構性參數(shù)與強度指標的關系。研究結果表明：非飽和風積土結構性參數(shù)比mε/mε0與w呈現(xiàn)負相關性函數(shù)關系，與ρd呈現(xiàn)線性正相關性函數(shù)關系，非飽和風積土強度指標比(tanφ/tanφ0,c/c0)與結構性參數(shù)比mε/mε0均滿足二次拋物線函數(shù)關系；構造出能綜合反映非飽和風積土結構性影響因素的定量指標——綜合結構狀態(tài)變量Pcs，結合原狀風積土天然含水率下的強度指標，可在較大范圍求解給定結構狀態(tài)下非飽和風積土的強度指標。

道路工程；原狀非飽和風積土；試驗研究；結構性強度指標；應變綜合結構勢；干密度；含水率

0　引言

風積土主要是在風力的搬運作用下，將松散的碎屑物從風力較大的地方搬運到風力相對較小的地方慢慢沉積下來的土[1]。我國風積土主要分布在沙漠邊緣的干旱與半干旱氣候帶，其廣泛存在于東北、內(nèi)蒙古、西北等地區(qū)，尤其是遼西阜新地區(qū)[2-3]。因風積土大多數(shù)分布在地球表面，位于地下水位以上，且房屋地基、路基填土等均屬于非飽和狀態(tài)的風積土，非飽和風積土與東北地區(qū)的公共基礎設施建設(已建成的哈大高鐵、在建的京沈高鐵、高速公路及國家重點建設工程項目等)之間的聯(lián)系密不可分。遼西地區(qū)非飽和風積土的土質(zhì)比較致密，具有明顯的結構性，在季節(jié)性凍脹、應力和滲流等外部影響因素作用下，會產(chǎn)生凍脹和融沉的特殊變形破壞現(xiàn)象，造成道路大量翻漿冒泥、柔性路面鼓包或開裂、剛性路面斷裂和錯縫等，給國家現(xiàn)代化交通樞紐工程帶來巨大的經(jīng)濟損失，故對非飽和風積土的研究有一定的理論與工程實用價值。

到目前為止，已有較多的學者就土體結構性進行了研究。較多的學者對黃土的結構性參數(shù)或考慮結構性影響的黃土本構關系進行了分析和探討[4-9]，主要研究分析黃土的大孔隙比、欠固結狀態(tài)、具有很強膠結的結構、對水的特殊敏感性等影響因素。駱亞生和謝定義[10-11]等提出一種新的度量黃土結構性的參數(shù)，即應變綜合結構勢mε，利用所提出的應變綜合結構勢的概念，進而研究和構建非飽和黃土在三軸應力環(huán)境中具有結構性的本構關系，以此作為復雜應力環(huán)境中對土體結構性本構關系的一種嘗試。駱亞生與胡仲有[12]等利用前人對非飽和黃土結構性研究成果，初步研究結構性參數(shù)與強度指標之間的聯(lián)系規(guī)律，以及如何利用結構性參數(shù)來求解出黃土處于不同結構狀態(tài)中的強度指標。褚峰[13]等利用非飽和土固結儀對原狀非飽和黃土進行常含水率固結試驗，重點研究天然干密度和豎向應力對原狀非飽和黃土土水特征的影響。然而目前主要都是關于軟土與黃土的結構性研究，對風積土的結構性研究比較少。

本研究通過對原狀非飽和風積土、重塑性非飽和風積土和飽和風積土進行三軸剪切試驗，獲得不同圍壓環(huán)境中不同結構狀態(tài)風積土的應力-應變關系曲線，結合風積土的工程特性與應變綜合結構勢概念，分析研究非飽和風積土結構性影響因素(干密度ρd和含水率w)、結構性參數(shù)比mε/mε0、強度指標(c，φ)之間的內(nèi)在聯(lián)系規(guī)律，從而構造出一個能綜合反映非飽和風積土結構性影響因素的綜合結構狀態(tài)量Pcs，利用原狀風積土天然含水率下的強度指標，在較大范圍內(nèi)求解出給定結構狀態(tài)下非飽和風積土的強度指標。

1　應變綜合結構勢mε的確定[10,12]

在特定的圍壓環(huán)境中，分別對原狀風積土、飽和狀態(tài)風積土和擾動狀態(tài)風積土(重塑性風積土)進行常規(guī)三軸剪切試驗，進而獲得3種不同結構狀態(tài)下風積土的應力-應變關系曲線，如圖1所示。

圖1　三軸試驗原狀、飽和及重塑性風積土的應力-應變曲線Fig.1　Stress-strain curves of intact,saturated and remolded aeolian soil in triaxial test

結合圖1確定出應變綜合結構勢參數(shù)mε的概念，假設在同一給定應變水平條件下原狀風積土的剪切應力為q0，飽和風積土的剪切應力為qs，重塑性風積土剪切應力為qr，原狀與飽和風積土之間的差異就是加水使風積土處于飽和狀態(tài)，致使原狀風積土結構破壞后其結構性強度降低，主要體現(xiàn)在風積土的微觀顆粒排列特性，用m1來表示；原狀與重塑性風積土之間的區(qū)別就是擾動致使風積土的聯(lián)結結構發(fā)生破壞所導致強度損失，主要表征風積土的聯(lián)結特征，用m2來表示。給出針對不同應變水平結構性參數(shù)的應變綜合結構勢為：

(1)

從上述定義公式可看出，風積土的聯(lián)結強度越強，因風積土的擾動導致的強度損失就越高，風積土的顆粒排列結構就越不穩(wěn)定，同時在浸水作用下風積土結構發(fā)生破壞所導致的強度損失也就越大。風積土微觀顆粒的排列越不穩(wěn)定，m1就越大，mε也就越大；風積土聯(lián)結強度越強，m2就越小，mε也就越大。故m1和m2的變化都能通過風積土結構性參數(shù)的變化敏感地體現(xiàn)出來。

2　非飽和風積土三軸剪切試驗

試驗用土來源于阜新市遼寧工程技術大學北校區(qū)附近的原狀風積土，為保證試驗所采用土的代表性、完整性和均勻性，取土深度為距地面2～3 m處，即從同一地點、相同的埋深處進行取土樣。經(jīng)過前期準備測算出，所制備原狀風積土試樣的干密度ρd為1.42～1.68 g/cm3，含水率w為8.4%～26.0%。為了研究干密度ρd與含水率w對原狀非飽和風積土結構性強度指標的影響，從已經(jīng)制備出的大量風積土試件中挑選出1.42，1.54，1.68 g/cm3，3種干密度的試件進行若干個試驗，所取得的風積土試樣ρd誤差范圍都在0.01 g/cm3以內(nèi)。對含水率小于天然含水率的風積土土樣采用自然風干法，并實時監(jiān)測其含水率，達到目標含水率后，將其放入養(yǎng)護缸中養(yǎng)護72 h，待試樣內(nèi)部水分均勻后即可進行試驗。對于含水率大于天然含水率的風積土土樣，試樣制備采用增水飽和辦法進行操作[14]。對于ρd=1.42 g/cm3的試樣，分別增水配制成8.4%，15.0%，20.8%，26.0%共4種不同含水率情況下的未擾動和重塑性風積土試樣；對于ρd=1.54 g/cm3的試樣，分別增水配制成20.8%含水率情況下的未擾動和重塑性風積土試樣；對于ρd=1.68 g/cm3的試樣，分別增水配制成20.8%含水率情況下的未擾動和重塑性風積土試樣。同時配備與3種干密度相對應的飽和狀態(tài)含水率試樣分別為42.5%，36.4%，28.2%。對于需增水的風積土試樣主要采用水膜轉移法，用膠頭滴管將試樣滴定至所要求的含水率狀態(tài)，再將增水完畢的試樣在保濕缸中靜置72 h，以確保增加水分能夠均勻轉移。此次試驗中共計15個不同狀態(tài)的風積土試樣，其天然含水率為20.8%。

本文采用遼寧工程技術大學巖土工程實驗室TSW-40型土壤真三軸儀進行風積土固結排水方式的三軸剪切試驗研究，軸向加載最大值為40 kN，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體。試驗獲得不同結構狀態(tài)不同圍壓(100，200，300，400，500 kPa)環(huán)境下風積土應力-應變曲線如圖2～圖10所示。

圖2　不同狀態(tài)風積土三軸試驗曲線(ρd=1.42 g/cm3，w=8.4%)Fig.2　Triaxial test curves of aeolian soil with ρd=1.42 g/cm3 and w=8.4% in different states

圖3　飽和狀態(tài)風積土三軸試驗曲線(ρd=1.42 g/cm3)Fig.3　Triaxial test curves of aeolian soil with ρd=1.42 g/cm3 in saturated state

通過對比上述圖中各曲線分析可知，在給定同一應變、同一結構性影響因素(w，ρd)、同一圍壓條件的情況下，不同結構狀態(tài)風積土所能承載主應力差量值，原狀非飽和風積土高于重塑性非飽和風積土，而重塑性非飽和風積土高于原狀飽和風積土。當風積土試樣處于較低圍壓環(huán)境中時(σ3=100，200 kPa)，不同結構狀態(tài)風積土的應力-應變曲線關系呈現(xiàn)硬化型，沒有峰值應力點。曲線大致走向分兩個階段，第一段是彈塑性變形非線性增加階段，沒有顯著線性與非線性變形界限的過渡狀態(tài)，表明這一階段風積土試樣的土顆粒之間已經(jīng)產(chǎn)生相對滑移現(xiàn)象，土體結構出現(xiàn)累計損傷變形，大孔隙土體結構開始破壞，剪切變形破裂帶正逐漸形成，呈現(xiàn)剪脹變形；第二階段主要表現(xiàn)為剪切變形破裂帶基本上已經(jīng)形成，有一定程度上的增加傾向，但總體上表現(xiàn)為趨于穩(wěn)定狀態(tài)的衰減曲線，存在一條水平漸近線上限的衰減曲線形式[15]。當風積土試樣處于較高圍壓環(huán)境中時(σ3=300，400，500 kPa)，原狀非飽和風積土與重塑性非飽和風積土的應力-應變關系曲線均呈現(xiàn)塑性、弱或強硬化型，所承擔的剪切應力伴隨著剪切變形增加也逐漸增大，處于均勻固結圍壓環(huán)境中非飽和風積土的結構性發(fā)生部分破壞或者有完全破壞的發(fā)展走向，風積土的基本結構屬性已喪失其功能。

圖4　不同狀態(tài)風積土三軸試驗曲線(ρd=1.42 g/cm3，w=15.0%)Fig.4　Triaxial test curves of aeolian soil with ρd=1.42 g/cm3 and w=15.0% in different states

圖5　不同狀態(tài)風積土三軸試驗曲線(ρd=1.42 g/cm3,w=20.8%)Fig.5　Triaxial test curves of aeolian soil with ρd=1.42 g/cm3 and w=20.8% in different states

圖6　不同狀態(tài)風積土三軸試驗曲線(ρd=1.42 g/cm3,w=26.0%)Fig.6　Triaxial test curves of aeolian soil with ρd=1.42 g/cm3 and w=26.0% in different states

圖7　不同狀態(tài)風積土三軸試驗曲線(ρd=1.54 g/cm3,w=20.8%)Fig.7　Triaxial test curves of aeolian soil with ρd=1.54 g/cm3 and w=20.8% in different states

圖8　飽和狀態(tài)風積土三軸試驗曲線(ρd=1.54 g/cm3)Fig.8　Triaxial test curves of aeolian soil with ρd=1.54 g/cm3 in saturated state

圖9　不同狀態(tài)風積土三軸試驗曲線(ρd=1.68 g/cm3,w=20.8%)Fig.9　Triaxial test curves of aeolian soil with ρd=1.68 g/cm3 and w=20.8% in different states

圖10　飽和狀態(tài)風積土三軸試驗曲線(ρd=1.68 g/cm3)Fig.10　Triaxial test curves of aeolian soil with ρd=1.68 g/cm3 in saturated state

3　非飽和風積土結構性與強度指標關系分析

3.1干密度和含水率與結構性參數(shù)mε關系

依據(jù)上述原狀非飽和風積土、重塑性風積土和飽和風積土三軸剪切試驗的應力-應變曲線，通過第一小節(jié)應變綜合結構勢的定義可確定出不同圍壓條件下的風積土結構性參數(shù)數(shù)值，結果如表1所示。不同結構性影響因素(干密度ρd與含水率w)的3種不同結構狀態(tài)下的風積土結構性參數(shù)比值均是以干密度ρd=1.42 g/cm3，天然含水率為w=20.8%的結構性參數(shù)作為基礎，最終采用不同圍壓條件下結構性參數(shù)比值的平均量值作為應變綜合結構勢的指標[12]。

結合表1中非飽和風積土三軸剪切試驗的結構性參數(shù)比值，將干密度ρd和含水率w看作為函數(shù)關系的自變量，用非飽和風積土結構性參數(shù)比的平均量值作為因變量函數(shù)。利用Origin軟件對兩對函數(shù)關系式的試驗數(shù)據(jù)進行線性擬合分析，確定出mε/mε0-w和mε/mε0-ρd之間的函數(shù)關系式，如式(2)和式(3)所示，線性相關系數(shù)為R2=0.999 75和0.997 98，結構性參數(shù)比分別與干密度、含水率的函數(shù)關系相關程度顯著，擬合數(shù)據(jù)散點圖如圖11與圖12所示。從所得到的函數(shù)關系式可知，風積土結構性參數(shù)比與含水率w呈現(xiàn)負相關的關系，與干密度ρd呈現(xiàn)線性正相關的函數(shù)關系:

(2)

(3)

表1　非飽和風積土破壞應變下結構性參數(shù)及其參數(shù)比值

圖11　結構性參數(shù)比mε/mε0與含水率 w的關系Fig.11　Relation between structural parameter ratio mε/ mε0 and moisture content w

圖12　結構性參數(shù)比mε/mε0與干密度ρd的關系Fig.12　Relation between structural parameter ratio mε/mε0 and dry density ρd

3.2結構性參數(shù)mε與強度指標的關系

根據(jù)文獻[16]中采用Excel非線性規(guī)劃求解三軸試驗強度包線的數(shù)學模型，對上述不同結構狀態(tài)(原狀非飽和、重塑性及飽和)的風積土剪切三軸試驗的結果進行處理分析，從而獲得非飽和風積土三軸剪切試驗結構性強度指標(c，φ)的具體量值。同時確定出以ρd=1.42 g/cm3，w=20.8%原狀非飽和風積土的強度指標作為其他含水率與干密度條件下剪切強度指標比值的基準，具體詳見表2。

表2　非飽和風積土強度指標試驗結果及其比值

通過對表2分析可知，經(jīng)過試驗直接得到風積土抗剪強度指標(c，φ)，就其在數(shù)理統(tǒng)計理論上的意義而言，只是得到前人已得到的一般常識性認識。但是將表1和表2進行比較分析可知，非飽和風積土的結構性參數(shù)比值與強度指標中內(nèi)摩擦角正切比值比較相似，從某種發(fā)展趨勢上看吻合度較高。將表1中的非飽和風積土結構性參數(shù)比平均量值作為函數(shù)關系的自變量，表2中風積土強度指標比值作為函數(shù)關系的因變量，應用Origin軟件對上述函數(shù)關系所確定的風積土剪切試驗數(shù)據(jù)進行非線性擬合分析，從而得到tanφ/tanφ0-mε/mε0和c/c0-mε/mε0的二次非線性函數(shù)關系式(4)與式(5)所示，擬合試驗數(shù)據(jù)方程曲線如圖13和圖14所示。

(4)

(5)

圖13　內(nèi)摩擦角正切比tan φ /tan φ0與結構參數(shù)比mε/mε0關系Fig.13　Relation between ratio of tangent internal friction angles tan φ /tan φ0 and structural parameter ratio mε/mε0

圖14　黏聚力比c/c0與結構性參數(shù)比mε/mε0關系Fig.14　Relation between cohesive force ratio c/c0 and structural parameter ratio mε/mε0

將上述非線性擬合結果進行分析可知，非飽和風積土強度指標比(tanφ/tanφ0，c/c0)與其結構性參數(shù)比平均量值(mε/mε0)之間均滿足二次拋物線函數(shù)關系，其非線性相關系數(shù)R2分別為0.969 53和0.817 89，擬合效果良好。

4　構建綜合結構狀態(tài)變量及其應用

經(jīng)過上述試驗與分析可知，得到的關于風積土結構性參數(shù)的函數(shù)關系式對非飽和狀態(tài)、重塑性狀態(tài)及飽和狀態(tài)風積土都能使用，即原狀風積土，含水率w的應用范圍在8.4%～26.0%之間，干密度ρd應用區(qū)間為1.42 ～1.68 g/cm3之間。為能更好研究非飽和風積土不同結構狀態(tài)與其結構性參數(shù)比的函數(shù)關系，假設非飽和風積土的含水率、干密度已經(jīng)確定，風積土的結構性參數(shù)比和含水率、干密度函數(shù)關系仍采用式(2)和式(3)，從而得到一個綜合影響力結構性參數(shù)，即關于含水率w及干密度ρd的二元函數(shù)關系式，將綜合影響力結構性參數(shù)稱之為非飽和風積土的綜合結構狀態(tài)變量，用Pcs來表示[12]。由式(2)可知風積土結構性參數(shù)比與其含水率呈現(xiàn)負相關，由式(3)可知風積土結構性參數(shù)比與其干密度呈現(xiàn)正相關，同時也要考慮到非飽和原狀風積土的影響，故可構造出Pcs的函數(shù)表達式為：

(6)

將表1中非飽和原狀風積土三軸剪切試驗所用的試樣基本信息代入到式(6)中，可獲得綜合結構狀態(tài)變量的試驗數(shù)據(jù)點，利用Origin軟件對結構性參數(shù)比與綜合結構狀態(tài)變量的函數(shù)關系進行非線性擬合分析，非線性擬合相關系數(shù)R2=0.892 34，得到良好的擬合函數(shù)關系如圖15所示。

圖15　結構性參數(shù)比與綜合結構狀態(tài)量關系Fig.15　Relation between structural parameter ratio mε/mε0 and comprehensive structural state Pcs

非飽和風積土結構性參數(shù)比與綜合結構狀態(tài)變量的函數(shù)關系式如式(7)所示：

(7)

結合式(6)和式(7)可知，由任意給定干密度和含水率的條件下可得到與之相對應的風積土結構性參數(shù)比，結合式(4)、式(5)及非飽和原狀風積土天然含水率與其相應的三軸剪切強度指標值，即可求解出任意給定不同結構狀態(tài)環(huán)境中非飽和風積土的剪切強度指標。

5　結論

本文通過對非飽和風積土、重塑性風積土和飽和風積土進行剪切試驗，結合風積土的工程特性與確定的應變綜合結構勢概念，分析研究非飽和風積土結構性影響因素(干密度ρd和含水率w)、結構性參數(shù)比mε/mε0、強度指標(c，φ)三者之間的內(nèi)在聯(lián)系規(guī)律。得到如下結論：

(1)通過擬合分析非飽和風積土結構性影響因素、結構性參數(shù)比、強度指標三者間內(nèi)在關聯(lián)性可知，其結構性參數(shù)比mε/mε0與含水率w呈現(xiàn)負相關性函數(shù)關系，與干密度ρd呈現(xiàn)線性正相關性函數(shù)關系，非飽和風積土結構性強度指標比(tanφ/tanφ0，c/c0)與其結構性參數(shù)比量值(mε/mε0)之間均滿足二次拋物線函數(shù)關系。利用擬合得到的內(nèi)在函數(shù)關系，獲得一個能綜合反映非飽和風積土結構性影響因素的結構性參數(shù)函數(shù)關系式——綜合結構狀態(tài)變量Pcs。

(2)基于Origin軟件對結構性參數(shù)比與綜合結構狀態(tài)變量間函數(shù)關系進行非線性擬合，可很好反映風積土各結構性影響因素(ρd，w)的綜合影響，在給定ρd與w的綜合結構狀態(tài)變量Pcs可求解出其結構性參數(shù)比，進而可以計算出任意給定不同結構性狀態(tài)下非飽和風積土的強度指標。

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Experimental Research on Relationship of Structural Parameters with Structural Strength Indexes of Intact Unsaturated Aeolian Soil

ZHANG Xiang-dong1，LI Qing-wen1，LI Guang-hua2，SU Jian3

(1.School of Civil Engineering and Transportation，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin Liaoning 123000，China；2.Beijing Seventh Urban Construction Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100029，China；3.Liaoning Tianxin Engineering Design Consulting Co.,Ltd.，F(xiàn)uxin Liaoning 123000，China)

Triaxial shear experimental research on intact unsaturated aeolian soil,remolded unsaturated aeolian soil and intact saturated aeolian soil with different dry densities and moisture contents is conducted by using TSW-40 soil true triaxial apparatus，and the relationship of structural parameters with structural strength indexes of intact unsaturated aeolian soil is explored.The test result shows that (1) the functional relationship between structural parameter ratiomε/mε0and moisture contentwis negative correlation;(2) the functional relationship betweenmε/mε0and dry densityρdis the linear positive correlation;(3) the functional relationship of the ratio of structural strength indexes tanφ/tanφ0andc/c0with structural parameter ratiomε/mε0are all the quadratic parabolic function.The quantitative index which reflects the structural influencing factors on characteristics of intact unsaturated aeolian soil，named synthetical structural state variablePcs，is put forward.Considering the strength indexes of intact aeolian soil with natural moisture content,the shear strength indexes of intact unsaturated aeolian soil with discretional structural state can be calculated.

road engineering;intact unsaturated aeolian soil;experimental research;structural strength index;strain-CSP;dry density;moisture content

2014-11-26

國家自然科學基金項目(50978131)；高等學校博士學科點專項科研基金項目(20112121110004)

張向東(1962-)，男，吉林榆樹人，教授，博士生導師.(jwd101@126.com)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.01.007

U416.212

A

1002-0268(2016)01-0041-08