恒應(yīng)變速率壓縮中壓實黃土結(jié)構(gòu)特征試驗研究

秦鵬舉，宋志偉，王永寶，苗晨曦，馬富麗，董曉強

(太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，太原 030024)

隨著“一帶一路”和中西部開發(fā)等國家戰(zhàn)略的實施，我國黃土地區(qū)的工程建設(shè)如火如荼。從世界范圍內(nèi)看，我國黃土分布面積最廣、層厚最大、地層完整、地貌類型多而復(fù)雜，覆蓋面積達(dá)64萬km2，約占我國領(lǐng)土面積的6.6%，主要分布于我國黃河中、下游地區(qū)[1-2]。在工程實踐中，如建筑、道路和橋梁地基，往往通過壓實原狀黃土比如重錘表層夯實、強夯等，來改善土體的力學(xué)性質(zhì)，以增強土體的穩(wěn)定。并且，壓實黃土的力學(xué)性質(zhì)決定工程的安全性。然而，如何快速準(zhǔn)確地確定壓實黃土能否滿足建設(shè)工程需要，有必要進(jìn)行深入研究。

變形黃土力學(xué)性質(zhì)的確定通常采用分級加載的方法，測試過程中需要確定荷載分級、加載比等測試參數(shù)。然而，分級加載方法所用時間較長，并且所得壓縮曲線為離散的點，不利于力學(xué)參數(shù)的確定，結(jié)果受荷載分級和加載比的影響較大。為了能夠克服這些困難，有學(xué)者采用恒應(yīng)變速率方法確定土的力學(xué)性質(zhì)。恒應(yīng)變速率方法是一種連續(xù)加載的方法，能快速、有效和標(biāo)準(zhǔn)地獲取壓縮曲線連續(xù)的點，從而更加準(zhǔn)確地確定土的力學(xué)參數(shù)，此方法已初步用于非飽和土力學(xué)性質(zhì)的研究中[3-5]。另外，恒應(yīng)變速率方法更適合于容易受齡期影響或試樣性質(zhì)容易變化的土樣的力學(xué)參數(shù)確定，以減少土樣性質(zhì)隨時間變化對其力學(xué)性質(zhì)的影響。但恒應(yīng)變速率方法在非飽和土中的應(yīng)用較少，需要進(jìn)一步探索其適用性。

另外，土電阻率是表征土導(dǎo)電性的基本參數(shù)。土的電阻率特征受許多因素的影響，如孔隙率、孔隙形狀、孔隙液電阻率、飽和度、固體顆粒成分、溫度、結(jié)構(gòu)特征等。同時，土電阻率法能夠連續(xù)實時測量土體的電阻率值的變化，并且可以根據(jù)土體的形式變換測試電極的形狀大小，容易滿足測試中苛刻的要求，所用裝置相對簡單且無復(fù)雜的操作，具有方便、連續(xù)、快速、經(jīng)濟等優(yōu)點。為此，電阻率法可用于土體的微觀結(jié)構(gòu)變形特征定量評價、測量水含量、分析土的顆粒組成，進(jìn)而確定土的工程力學(xué)性質(zhì)[6-11]?；谶@些優(yōu)點，電阻率法用于表征土樣變形過程中土的性質(zhì)。

為了研究快速確定壓實黃土力學(xué)性質(zhì)的方法，本文配置一定含水量的黃土粉末，并壓實成一定尺寸圓柱狀黃土試樣，將電阻率電極置于試樣頂?shù)撞?，用于測量土樣變形過程中電阻率的變化。而土樣的壓縮通過恒應(yīng)變速率法進(jìn)行測試，測試過程中保持試樣含水量不變。試驗結(jié)束后，對比分析試樣壓縮曲線及力學(xué)參數(shù)，分析電阻率值變化特征以表征土的性質(zhì)。

1 試驗材料與方法

1.1 土的基本性質(zhì)

本次試驗所用黃土取自太原東山地區(qū)，取土深度為4～5 m，土質(zhì)比較均勻，呈黃色，堅硬狀，其基本物理指標(biāo)見表1，其中最大干密度和最優(yōu)含水量由輕型標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗確定。顆粒分布曲線見圖1，根據(jù)《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50145-2007)[12]，試驗所用黃土細(xì)粒含量超過50%，塑性指數(shù)Ip<10，可判定其為粉土。

表1 黃土基本物理指標(biāo)Table 1 Basic physical properties of the soil

圖1 土樣顆分曲線Fig.1 Grain size distribution of sample

1.2 試樣的制備

將采集的原狀土晾干、碾碎，過2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩，以準(zhǔn)備所用黃土碎散土料。首先，為了與文獻(xiàn)[11]對比，預(yù)計配置含水量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為11.3%的土料，將配置好的土料封閉保存24 h，使水分均勻分布于土料中。烘干法確定配備好土料含水量為12.01%，而后，壓制土樣。根據(jù)壓制試樣的高度、干密度和所配土料含水量，將準(zhǔn)備后的土料放置于試樣環(huán)中，通過施加0.4 mm/min恒定位移速率來壓制試樣，直至試樣高度達(dá)到10 mm，干密度達(dá)到1.39 g/cm3，停止壓制試樣，并靜止30 min.而后，測量壓制試樣尺寸，至此試樣壓制完成。經(jīng)測量所壓制試樣實際高度為9.755 mm，直徑為64 mm，干密度1.424 g/cm3.試驗完成后的含水量為11.84%，具體參數(shù)如表2所示。

表2 壓實黃土初始參數(shù)Table 2 Parameters of the compacted loess soil

1.3 試驗方法

圖2為本研究所用儀器示意圖。試樣壓制于試樣環(huán)中，試樣環(huán)材料是具有高強度、剛度的絕緣材料，其內(nèi)徑為64 mm，高度為10 mm.試樣頂?shù)變啥烁髟O(shè)置一片銅箔導(dǎo)體材料制成的橫向電極，厚約0.05 mm，直徑為20 mm，并有導(dǎo)線引出與電阻率測試儀相連。試樣和橫向電極夾于上下透水石之間，上透水石置于試樣環(huán)內(nèi)，下透水石尺寸大于試樣環(huán)外徑，承托試樣環(huán)、電極和試樣等。另外，緊貼著透水石在試樣一側(cè)為濾紙，未繪制于圖2中。上透水石之上為金屬上蓋，承受加載架施加的荷載，并傳遞給試樣。鋼珠置于上蓋之上以使荷載均勻作用于上蓋之上。將試樣環(huán)、透水石等置于金屬水槽之中。試樣頂端和底部的橫向電極用于測量試樣豎向電阻率。試驗過程中也需要測量試樣的橫向電阻率，由貼近試樣環(huán)內(nèi)壁徑向?qū)ΨQ設(shè)置銅箔豎向電極實現(xiàn)，并且通過導(dǎo)線將電極與電阻率測試儀連接，電極的高度要高于試樣高度，電極的寬度為3.5 mm，測量橫向電阻率的所用電極如圖2所示。試驗過程中通過交替將橫向和豎向電極與電阻率測試儀來測量試樣的豎向和橫向電阻率。

本次試驗采用電阻率測試儀為TH2828A型號的LCR數(shù)字電橋，其基本精度為0.1%，頻率范圍為20 Hz～1 MHz，試驗中使用的交流電頻率為50 Hz～1 MHz，儀器有效量程高達(dá)100 MΩ，本文中用于測量壓實黃土試樣的阻抗模|Z|等參數(shù)，并用式(1)計算電阻率值。

ρ=|Z|·S/L.

(1)

式中：ρ為黃土電阻率，Ω·m；|Z|為阻抗模，Ω ；S為電極片面積，m2；L為電極片之間的距離，m.

圖2 試驗裝置示意圖Fig.2 Schematic graph of test setup

將壓制好的試樣如圖2所示安裝，而后將水槽及內(nèi)部部分放置于加載架上，施加恒應(yīng)變速率0.005%·s-1，相應(yīng)位移應(yīng)變速率為0.06 mm/min，應(yīng)變速率的選擇應(yīng)以較快的速度完成試驗并減小或避免出現(xiàn)孔隙水壓力為依據(jù)，參考文獻(xiàn)[13]中應(yīng)變速率取值。試驗過程中將水槽內(nèi)試驗裝置用速率帶包裹以減少含水量變化。試驗過程中同時記錄試樣壓縮過程中試樣豎向變形和相應(yīng)施加的壓力。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 壓縮曲線與壓縮性指標(biāo)

由圖3可見，恒應(yīng)變速率試驗獲取的壓縮曲線數(shù)據(jù)點相對于分級加載數(shù)據(jù)點多，且數(shù)據(jù)數(shù)量可根據(jù)精度要求進(jìn)行采集。另外，隨著應(yīng)力增大，應(yīng)變隨之增大。初期壓力較小，壓縮應(yīng)變較小。當(dāng)壓力大于一定值后，壓縮應(yīng)變變形速率增大。變形曲線呈類似兩段線形，是比較典型的重塑土的壓縮曲線。根據(jù)壓縮變形曲線的形狀，可將曲線分為彈性壓縮和塑性壓縮部分。彈性部分壓縮產(chǎn)生的變形較小，這部分的變形通常是土骨架的彈性變形。而當(dāng)壓縮黃土壓縮曲線位于塑性壓縮部分，壓實黃土骨架發(fā)生塑性變形，即卸載后試樣發(fā)生不可逆的壓縮變形。在此階段，土中與外部連通，氣體會部分排出土樣外部，土顆粒排列發(fā)生變化，土中孔隙受壓后變小?？?/p>

圖3 應(yīng)力-孔隙比曲線Fig.3 Curves of stress-void ratio

見，分級加載方法和恒應(yīng)變速率方法獲取壓縮曲線形式基本相同，但由于初始孔隙比不同，兩曲線彈性壓縮階段不同，在塑性壓縮階段壓縮曲線出現(xiàn)交叉。

為了定量分析曲線的壓縮情況，文中獲取彈性壓縮指數(shù)和塑性壓縮指數(shù)，獲取的方法參見文獻(xiàn)[3]，即彈性部分壓縮曲線的切線的斜率獲取彈性壓縮指數(shù)，塑性壓縮曲線部分切線的斜率獲取塑性壓縮指數(shù)。彈性部分壓縮曲線的切線和塑性部分壓縮曲線的切線交點的應(yīng)力為屈服應(yīng)力，具體的參數(shù)獲取方法示意圖如圖3所示。在確定力學(xué)參數(shù)過程中，恒應(yīng)變速率試驗獲取點數(shù)較多，可以比較準(zhǔn)確確定彈性壓縮曲線和塑性壓縮曲線的位置，但分級加載試驗獲取的壓縮曲線數(shù)據(jù)較為離散，從而確定參數(shù)存在一些困難，甚至不準(zhǔn)確。圖4為根據(jù)本文試驗和文獻(xiàn)[11]壓縮曲線所確定力學(xué)參數(shù)，可見彈性壓縮指數(shù)小于塑性壓縮指數(shù)，與圖3兩曲線確定的彈性壓縮指數(shù)較為相近，反映在圖3中為兩壓縮曲線彈性壓縮階段基本平行。另外，兩壓縮曲線獲取的塑性壓縮指數(shù)和屈服應(yīng)力有所不同，即恒應(yīng)變速率試驗壓縮曲線獲取的塑性壓縮指數(shù)和屈服應(yīng)力較大，而分級加載試驗壓縮曲線所確定的塑性壓縮指數(shù)和屈服應(yīng)力較小。根據(jù)文獻(xiàn)[14]，可以看到初始孔隙比不同壓縮曲線基本平行。另外，根據(jù)文獻(xiàn)[15]，可以看到相同初始孔隙比下，飽和原狀土的壓縮曲線在初始壓縮階段比重塑黃土靠右，對比本文中壓縮曲線，可能是初始孔隙比和土的結(jié)構(gòu)性的共同影響結(jié)果，反映在圖3中為兩曲線出現(xiàn)交叉。由此可見，恒應(yīng)變速率法在確定土樣力學(xué)參數(shù)方面確有其難得的優(yōu)點。

圖4 力學(xué)參數(shù)Fig.4 Mechanical parameters

2.2 壓實黃土電阻率特征

圖5為應(yīng)變-豎向電阻率關(guān)系，根據(jù)圖5所示，壓縮曲線可分為兩個階段：第一階段，隨著應(yīng)力的增加，應(yīng)變開始加大，電極被所施加荷載壓緊，電極與試樣之間的空氣被擠出，進(jìn)入試樣電阻率測試階段，土的密實度提高，孔隙體積減小，飽和度增大，部分孔隙水得以聯(lián)通形成導(dǎo)電通道， 故電流路徑明顯增多，表現(xiàn)為電阻率急速降低；第二階段，荷載逐漸增加，應(yīng)變同步增大，土骨架發(fā)生錯動，孔隙被填充，顆粒連接更加緊密，空氣排出土外，土體更加密實，孔隙率減小，飽和度增大，在含水量不變情況下，孔隙水連通性加強，電流導(dǎo)通路徑增多，電阻率值繼續(xù)下降，但下降的速度明顯放緩。根據(jù)文獻(xiàn)[11]，還會出現(xiàn)第三階段，即當(dāng)荷載增大到一定程度，雖然應(yīng)變同步增加，但是空氣基本排出，飽和度增加幅度變小，孔隙水通路增長很少，導(dǎo)致電流路徑增加不明顯，電阻率值變化較小趨于穩(wěn)定。另外，同一應(yīng)力作用下，隨著交變電流頻率的增加，電阻率減小，試樣表現(xiàn)出容性電阻的性質(zhì)。此現(xiàn)象是由于在一定的電壓下，電容器充放電過程中電容器電路中定向移動的電荷量為定值，電流的頻率越高充放電的時間就越短，從而導(dǎo)電容器電路中電流越大，容抗越小。然而，500 kHz交流頻率下取得的電阻率卻高于其臨近電流頻率下的電阻率值，類似于共振現(xiàn)象即輸入的電流頻率和材料的固有頻率相同，所得的電阻率最大，但這需要進(jìn)一步的研究。

圖5 應(yīng)變-豎向電阻率關(guān)系Fig.5 Curves of stress-vertical electrical resistivity

圖6為電流頻率50 kHz下電阻率和應(yīng)變之間的關(guān)系。圖中電阻率分為豎向電阻率和橫向電阻率。豎向電阻率與橫向電阻率隨應(yīng)變增大而減小。豎向電阻率大于橫向電阻率，這表明土的豎向結(jié)構(gòu)和橫向結(jié)構(gòu)不同，即土存在各向異性。豎向電阻率初期隨應(yīng)變增大較快減小，隨后幅度下降較慢，呈雙線型的變化。橫向電阻率隨應(yīng)變增大基本呈線型變化，未出現(xiàn)豎向電阻率初始快速下降段。這可能是由于試樣受橫向限制變形小甚至無變形，而豎向受壓變形較大引起的。

圖6 電阻率(50 kHz)-應(yīng)變關(guān)系Fig.6 Curves of electrical resistivity (50 kHz)-strain

FV=ρV/ρw，F(xiàn)H=ρH/ρw.

(2)

(3)

(4)

(5)

根據(jù)圖6中所示豎向和橫向電阻率值，并且測量了50 kHz下水的電阻率為6.732 Ω·m，則根據(jù)公式(3)-(5)可以計算土樣的平均結(jié)構(gòu)因子、各向異性系數(shù)和平均形狀因子。壓實黃土壓縮過程中應(yīng)變是土樣結(jié)構(gòu)變化的宏觀參量，因此建立結(jié)構(gòu)參數(shù)與應(yīng)變之間的關(guān)系，來討論微觀結(jié)構(gòu)和宏觀應(yīng)變之間的關(guān)系。具體的結(jié)果分析如下：

土體壓縮過程中伴隨土結(jié)構(gòu)調(diào)整以及新結(jié)構(gòu)的形成，可分為土的豎向和橫向結(jié)構(gòu)變化。壓縮過程中平均結(jié)構(gòu)因子與應(yīng)變的關(guān)系如圖7所示。由圖7可見，平均結(jié)構(gòu)因子隨應(yīng)變增大而減小，其變化規(guī)律類似于豎向電阻率的變化規(guī)律，這是由于豎向結(jié)構(gòu)因子占主導(dǎo)地位。平均結(jié)構(gòu)因子減小主要由壓縮過程中土樣孔隙被壓縮，孔隙率減小，飽和度逐漸增大，豎向結(jié)構(gòu)單元發(fā)生較大變化引起。結(jié)構(gòu)單元指包括顆粒排列、接觸情況、土骨架狀態(tài)、水分布狀態(tài)等結(jié)構(gòu)的單元。根據(jù)文獻(xiàn)[15]，土受到擊實或壓實，土中較大直徑的孔隙減少，較小直徑的孔隙增多，表明土顆粒間接觸面積增大，由點接觸變成面接觸狀態(tài)，平均結(jié)構(gòu)因子減小。平均結(jié)構(gòu)因子隨應(yīng)變呈雙線型變化，第一階段平均結(jié)構(gòu)因子減小較快，而第二階段平均結(jié)構(gòu)因子減小較慢，這表明隨著壓縮的不斷進(jìn)行，土體結(jié)構(gòu)不斷變化，密實度逐漸增大，壓縮性越來越小，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增加。應(yīng)變的變化是土的微結(jié)構(gòu)變化的宏觀體現(xiàn)，影響著壓實黃土在工程中的穩(wěn)定性，通過測量土體的電阻率，利用平均結(jié)構(gòu)因子與應(yīng)變之間的線性關(guān)系，可評價壓實黃土在工程中的穩(wěn)定性。

圖7 平均結(jié)構(gòu)因子與應(yīng)變的關(guān)系Fig.7 Relationship between average structure factor and strain

壓實黃土存在各向異性，表現(xiàn)為豎向結(jié)構(gòu)和橫向結(jié)構(gòu)不同。由土電阻率獲取的豎向和橫向結(jié)構(gòu)因子及其變化計算的各向異性系數(shù)及其變化規(guī)律可反映土體的各向異性。壓實黃土壓縮過程中的各向異性系數(shù)隨應(yīng)變的變化關(guān)系如圖8所示。從圖8可以看出，在初期壓縮階段，土的各向異性系數(shù)隨著應(yīng)變增大而明顯減小，這可能由于豎向結(jié)構(gòu)變化明顯大于橫向結(jié)構(gòu)的變化；第二壓縮階段，各向異性系數(shù)趨于穩(wěn)定。這可能由于土的橫向結(jié)構(gòu)變化受到環(huán)刀的限制，土的壓縮變形主要引起豎向結(jié)構(gòu)的變化，橫向結(jié)構(gòu)變形較豎向上的要小，而初始階段豎向結(jié)構(gòu)減小較快；土體在經(jīng)過第一階段的壓縮后，其豎向結(jié)構(gòu)變形已經(jīng)達(dá)到一定的程度，此時土的豎向結(jié)構(gòu)變化減小，橫向方向上也變的相對密實，隨著土的繼續(xù)壓縮，土的豎向結(jié)構(gòu)變化和橫向結(jié)構(gòu)變化趨于穩(wěn)定，從而導(dǎo)致各向異性系數(shù)趨于穩(wěn)定。根據(jù)文獻(xiàn)[17]，隨著應(yīng)力增大，靜止側(cè)壓力系數(shù)由小增大。筆者認(rèn)為靜止側(cè)壓力系數(shù)可以反映出土在壓縮過程中的各向異性，正是由于各向異性的存在導(dǎo)致靜止側(cè)壓力系數(shù)小于1.從豎向和橫向的比值關(guān)系看，本文中各向異性系數(shù)與靜止側(cè)壓力系數(shù)呈倒數(shù)關(guān)系，隨著應(yīng)力增大均趨向于穩(wěn)定，說明各向異性系數(shù)應(yīng)變增大是合理的。

圖8 各向異性系數(shù)與應(yīng)變的關(guān)系Fig.8 Relationship between anisotropic index and strain

壓實黃土壓縮過程是伴隨土的結(jié)構(gòu)單元體變形、土體微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)整與土顆粒間的膠結(jié)作用變化。壓實黃土壓縮過程中平均形狀因子與應(yīng)變的關(guān)系如圖9所示。從圖9可以看出，在第一壓縮階段，平均形狀因子隨應(yīng)變增大而大幅度降低；在第二壓縮階段，平均形狀因子隨應(yīng)變增大繼續(xù)減小，但下降幅度減小；平均形狀因子隨應(yīng)變變化基本呈雙線型。根據(jù)文獻(xiàn)[18]，黃土膠結(jié)材料主要包括碳酸鈣、黏土礦物、有機膠體、易溶鹽等。隨著壓縮孔隙中孔隙水增多，膠結(jié)材料溶解使膠結(jié)作用減小。黃土的壓縮導(dǎo)致土的結(jié)構(gòu)破壞，土的顆粒發(fā)生轉(zhuǎn)動或者滑移，土顆粒間的膠結(jié)程度繼續(xù)變?nèi)?，?dǎo)致平均形狀因子不斷減小。毛細(xì)吸力隨飽和度增大而減小，這也會導(dǎo)致隨著應(yīng)變的增大壓實黃土的膠結(jié)作用減小。另外，根據(jù)膠結(jié)試樣剪切波速表現(xiàn)，文獻(xiàn)[19]發(fā)現(xiàn)橡膠-砂顆?；旌衔镱w粒間膠結(jié)作用在高應(yīng)力條件下退化完全。這些均表明隨著應(yīng)變增大平均形狀因子減小。平均形狀因子與土顆粒間的膠結(jié)作用緊密相連，利用平均形狀因子可定量分析土體壓縮過程中土顆粒間的膠結(jié)作用的變化規(guī)律。

圖9 平均形狀因子與應(yīng)變的關(guān)系Fig.9 Relationship between average shape factor and strain

3 結(jié)論

通過壓實黃土恒應(yīng)變速率壓實試驗以及壓縮過程中的電阻率測試，研究了壓實黃土壓縮性質(zhì)和與電阻率相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括平均結(jié)構(gòu)因子、各向異性系數(shù)以及平均形狀因子的變化規(guī)律，探討了電阻率方法在土的恒應(yīng)變速率壓縮過程中的微結(jié)構(gòu)變化研究中的應(yīng)用。得出的主要結(jié)論如下：

恒應(yīng)變速率方法可快速獲取連續(xù)的壓縮曲線點，壓縮曲線可分為彈性壓縮階段、塑性壓縮階段。塑性壓縮指數(shù)大于彈性壓縮指數(shù)。另外，初始孔隙比和土的結(jié)構(gòu)性對壓縮曲線有影響，需要深入研究。

根據(jù)壓實黃土豎向電阻率與應(yīng)變之間的關(guān)系，可將土的壓縮分為兩個階段。第一階段豎向電阻率下降迅速，第二階段豎向電阻率下降幅度減小。壓實黃土豎向電阻率隨應(yīng)變的增大而減小，電流頻率的升高基本呈減小趨勢，500 kHz交流頻率下取得的電阻率高于其臨近電流頻率下的電阻率值。橫向電阻率隨應(yīng)變的增加而逐漸減小，豎向電阻率大于橫向電阻率；另外，壓縮過程中，平均結(jié)構(gòu)因子和平均形狀因子隨著應(yīng)變的增大而呈雙線型減小，表明壓實黃土孔隙率逐漸減小，土顆粒滑移或錯動等重平衡過程中土樣穩(wěn)定性增加。各向異性系數(shù)隨應(yīng)變增大先減小隨后趨于穩(wěn)定，表明隨著壓縮，土樣趨于穩(wěn)定，豎向和橫向結(jié)構(gòu)單元變化速率趨于穩(wěn)定。平均形狀因子隨著應(yīng)變的增大而呈雙線型減小，表明土樣壓縮過程中土顆粒間的膠結(jié)程度不斷減弱。壓縮過程中壓實黃土的結(jié)構(gòu)參數(shù)反映其微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，可作為評價黃土力學(xué)性質(zhì)的依據(jù)。