土結(jié)構(gòu)性的動(dòng)態(tài)特征與概念表達(dá)*

于慶博 王 清 李興華 姚 萌 孫 遜 夏瑋彤 舒 杭 劉 經(jīng) 王照希

(① 吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院， 長(zhǎng)春 130026， 中國(guó)) (② 自然資源部復(fù)雜結(jié)構(gòu)巖土體災(zāi)變防控工程技術(shù)創(chuàng)新中心， 長(zhǎng)春 130021， 中國(guó)) (③ 中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院， 武漢 430071， 中國(guó))

0 引 言

隨著“一帶一路”倡議與“西部大開(kāi)發(fā)”等舉措的持續(xù)推進(jìn)，與發(fā)展機(jī)遇一同涌現(xiàn)的還有復(fù)雜的土體工程地質(zhì)災(zāi)變問(wèn)題，重大工程建設(shè)對(duì)地基土的沉降變形問(wèn)題尤為敏感。欲評(píng)價(jià)地基土的沉降變形與穩(wěn)定時(shí)間，必須研究土的壓縮變形量與壓縮進(jìn)程，在此過(guò)程中先期固結(jié)壓力與超固結(jié)比是十分關(guān)鍵的力學(xué)指標(biāo)。先期固結(jié)壓力常用Pc表示，一般是指天然土層歷史上受到過(guò)的最大固結(jié)壓力； 先期固結(jié)壓力與現(xiàn)有土的有效覆蓋壓力之比稱之為超固結(jié)比，記作OCR，用來(lái)定量描述土的天然壓密狀態(tài)(唐大雄等， 1999)。

然而，土層在沉積過(guò)程中受多種物理化學(xué)作用的綜合影響，在土顆粒接觸處會(huì)產(chǎn)生一定的固化連結(jié)鍵(沈珠江， 1998)，這種成巖作用使土具有一定的結(jié)構(gòu)性(齊吉琳等， 2006)，其對(duì)力學(xué)特性的影響是十分復(fù)雜的。許多學(xué)者從不同角度切入，探究了土體的結(jié)構(gòu)性與壓縮特性的關(guān)聯(lián)： 如孔徑分布和滲透性(Nagaraj et al.，1998)、圍壓與膠結(jié)程度(Horpibulsuk et al.，2010)、固結(jié)壓力與制樣方式(陳波等， 2017)等等。事實(shí)上，土體的壓縮特性的確會(huì)明顯受到土結(jié)構(gòu)性的影響(王常明等， 2001； 陳存禮等， 2014； Lyu et al.，2020)，進(jìn)而影響壓縮性指標(biāo)判斷的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，若未能合理地評(píng)價(jià)土體的固結(jié)狀態(tài)并進(jìn)行相應(yīng)的沉降計(jì)算，工程設(shè)計(jì)將與實(shí)際產(chǎn)生較大偏差(姚海林等， 1994)，從而威脅工程建設(shè)的安全與穩(wěn)定。

結(jié)構(gòu)性的存在與固結(jié)狀態(tài)的不同，不僅會(huì)使土的本構(gòu)關(guān)系由于應(yīng)力水平不同而改變，也會(huì)干擾土的物理指標(biāo)和力學(xué)指標(biāo)之間的統(tǒng)計(jì)相關(guān)關(guān)系(李作勤， 1982， 1984)。為此，有學(xué)者嘗試探查結(jié)構(gòu)性對(duì)傳統(tǒng)力學(xué)指標(biāo)的影響。王國(guó)欣等(2003)在對(duì)擾動(dòng)土樣分析的基礎(chǔ)上，提出了考慮土結(jié)構(gòu)性的先期固結(jié)壓力確定方法； 劉元雪等(2005)提出用結(jié)構(gòu)性參數(shù)和超固結(jié)參數(shù)來(lái)分別描述結(jié)構(gòu)性和超固結(jié)特征。Chowdhury et al. (2014)提出了一種考慮結(jié)構(gòu)性的壓力與孔隙比關(guān)系?？梢?jiàn)，結(jié)構(gòu)性對(duì)傳統(tǒng)的力學(xué)評(píng)價(jià)參數(shù)體系造成了程度不同的影響。

沈珠江院士認(rèn)為21世紀(jì)土力學(xué)的核心問(wèn)題是土體結(jié)構(gòu)性的數(shù)學(xué)模型(沈珠江， 1996)，而為了建立考慮土體復(fù)雜介質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的數(shù)學(xué)模型，其必須跨越的隔閡是差異結(jié)構(gòu)特征對(duì)力學(xué)特性的影響。因此，本文將主要依托課題組多年研究成果，探討土的結(jié)構(gòu)性與固結(jié)狀態(tài)之間的辯證關(guān)系，并嘗試給出結(jié)構(gòu)性的概念表達(dá)，以期為工程實(shí)踐中土體變形的機(jī)理分析、計(jì)算與設(shè)計(jì)提供一些參考。

1 土體反常的“超固結(jié)”特征

先期固結(jié)壓力被認(rèn)為是土對(duì)應(yīng)力歷史的“記憶”，然而隨著研究的深入，不少欠壓密的土體，尤其是淺埋土體，卻表現(xiàn)出較高的先期固結(jié)壓力?；谡n題組前期研究(王清等， 1996， 2016； 房后國(guó)等， 2002； 王冠英， 2004； 于慶博， 2020)，以長(zhǎng)春的黃土狀土、武漢和南京的下蜀土、部分沿海城市的海積軟土以及上海崇明島東端的人工和天然沉積土為例，這里僅討論20m埋深范圍內(nèi)不同地區(qū)、不同類型土的固結(jié)狀態(tài)及其隨埋深的變化，如圖 1所示。

圖 1 各土層超固結(jié)比(OCR)隨埋深的變化Fig. 1 Variation of over consolidation ratio(OCR) of soil layers with burial depth：(a) loess-like soil and Xiashu soil(Wang et al.， 2016)； (b) residual red soil(Wang et al.， 1996)； (c) marine soft soil(Wang ， 2004)； (d) Artificial and natural sedimentary soil(Yu， 2020) a. 黃土狀土與下蜀土(王清等， 2016)； b. 殘積紅土(王清等， 1996)； c. 海積軟土(王冠英， 2004)； d. 人工與天然沉積土(于慶博， 2020)

在固結(jié)狀態(tài)方面，若用傳統(tǒng)室內(nèi)試驗(yàn)方法判斷，各土層均會(huì)因較高的先期固結(jié)壓力而呈現(xiàn)出超固結(jié)特征，即通過(guò)側(cè)限壓縮試驗(yàn)確定的先期固結(jié)壓力，高于土層在取樣深度處的實(shí)際上覆荷載； 然而，野外調(diào)查與相關(guān)資料表明，除上海天然土層會(huì)受上覆填土荷載影響之外，其他土層歷史上產(chǎn)生強(qiáng)度較大的剝蝕可能性較小。因此，土層應(yīng)為正常固結(jié)或欠固結(jié)，然而試驗(yàn)表明這些土層抵抗變形的能力卻較強(qiáng)，具有較高的OCR和先期固結(jié)壓力。

在研究土體的先期固結(jié)壓力隨著埋深變化時(shí)發(fā)現(xiàn)，一般認(rèn)為由于土的自重應(yīng)力會(huì)隨著埋深的增加而不斷增大，深層土體比淺層土體有更好的壓密條件。因此，對(duì)于超固結(jié)土，超固結(jié)比理應(yīng)隨著埋深的增加有一定程度的上升或相對(duì)穩(wěn)定； 對(duì)于欠固結(jié)土，自地表向下由欠固結(jié)狀態(tài)過(guò)渡到輕微欠固結(jié)或正常固結(jié)； 對(duì)于正常固結(jié)土，上下均為正常固結(jié)。然而，除海積軟土(圖 1c)具有OCR隨埋深增加而增大的趨勢(shì)以外，下蜀土、殘積紅土等結(jié)構(gòu)性土的OCR隨埋深增加整體呈下降趨勢(shì)。其他學(xué)者在滬寧高速公路昆山試驗(yàn)段內(nèi)的亞黏土硬殼層與淤泥質(zhì)黏性土層(張誠(chéng)厚等， 1995)與黃河三角洲沉積物(楊秀娟等， 2009)中也發(fā)現(xiàn)了相似規(guī)律。

綜上所述，土體反常的“超固結(jié)”特征是一種結(jié)構(gòu)性的表現(xiàn)，使其在一定程度上具有良好的力學(xué)特性。

1.1 結(jié)構(gòu)連結(jié)是對(duì)土骨架的強(qiáng)化作用

課題組通過(guò)對(duì)多種類型結(jié)構(gòu)性土的大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，正是土顆粒間的結(jié)構(gòu)連結(jié)“強(qiáng)化”了土骨架，使其具有抵抗變形的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

1.1.1 下蜀土與黃土狀土

下蜀土中游離氧化鋁含量較高，具有兩性特征的游離氧化鋁在酸性環(huán)境下帶有正電荷，可與帶負(fù)電荷的黏土礦物片以靜電引力、離子-靜電引力形成較穩(wěn)定的連結(jié)力。從而將土中細(xì)小的顆粒連結(jié)，形成較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，產(chǎn)生較強(qiáng)的超固結(jié)特性(圖 1a)。相比之下，長(zhǎng)春黃土狀土為中性水介質(zhì)環(huán)境，pH等電為7.1的游離氧化鐵電離量少，其發(fā)揮的膠結(jié)作用十分有限，故黃土狀土的“超固結(jié)”程度不及下蜀土。

1.1.2 殘積紅土

殘積紅土(圖 1b)與下蜀土形成結(jié)構(gòu)連結(jié)的機(jī)理相似，含量較高的pH等電為7.1的游離鐵在紅土的酸性環(huán)境中，產(chǎn)生較多的正電荷，可與帶負(fù)電荷的黏土礦物片以靜電引力、離子-靜電引力形成較穩(wěn)定的連結(jié)力，發(fā)揮膠結(jié)作用，并以“橋”和“包膜”的形式將土顆粒或結(jié)構(gòu)單元體膠結(jié)甚至包裹(圖 2)，以至于在掃描電鏡放大3000倍的條件下，土顆?；蚪Y(jié)構(gòu)單元體的邊界也不甚清晰，可見(jiàn)膠結(jié)物對(duì)土結(jié)構(gòu)的影響程度較高。

圖 2 殘積紅土中游離鐵對(duì)土顆粒的膠結(jié)形式 (SEM 3000×)(王清等， 2016)Fig. 2 Cementation pattern of free iron in residual red soil to soil particles(SEM 3000×)(Wang et al.， 2016)

在剖面上，淺表層土體與外界的物質(zhì)、能量關(guān)聯(lián)最為密切，這時(shí)超固結(jié)比隨深度降低的規(guī)律本質(zhì)上是風(fēng)化程度由強(qiáng)至弱的一種體現(xiàn)。以殘積紅土為例，課題組經(jīng)花崗巖殘積紅土剖面取樣分析發(fā)現(xiàn)(王清等， 1991)，約6m界面以下，土中的淋濾強(qiáng)度減弱，導(dǎo)致鐵、鋁富集量明顯降低，游離物質(zhì)含量亦隨之減少，且溫度較地表降低，游離氧化鐵的膠結(jié)程度隨之減弱，其OCR值迅速降低?？梢?jiàn)，游離氧化物鐵是產(chǎn)生紅土結(jié)構(gòu)性的重要因素之一。

1.1.3 海積軟土

對(duì)于海積軟土，游離氧化物所能提供的膠結(jié)作用力十分有限，但黏粒具有雙電層結(jié)構(gòu)，當(dāng)沉積物從大陸搬運(yùn)到海洋時(shí)，環(huán)境的變化會(huì)導(dǎo)致溶液中的電解質(zhì)濃度增加和黏粒雙電層變薄，從而降低了顆粒間的靜電斥力，此時(shí)顆粒間的公共水化膜產(chǎn)生的靜電引力、分子間力起主導(dǎo)作用，促使顆粒形成邊-面、邊-邊等接觸并絮沉形成原始蜂窩結(jié)構(gòu)、絮凝結(jié)構(gòu)。同時(shí)，海積軟土沉積緩慢，上覆荷載比顆粒間固化聯(lián)結(jié)鍵的增長(zhǎng)速率更為遲緩，而新形成的結(jié)構(gòu)單元體在表面和邊角同樣帶有電荷，于是便會(huì)有游離氧化物及陽(yáng)離子被吸附在顆粒的接觸位置，形成膠結(jié)土顆粒的“焊點(diǎn)”，使海積軟土具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖 3 上海崇明島東端吹填土典型的微觀結(jié)構(gòu)特征Fig. 3 Typical microstructure characteristics of dredger fill at the east end of Chongming Island， Shanghai

在此基礎(chǔ)上，與圖 1a和圖 1b不同，海積軟土的超固結(jié)比之所以隨深度增加(圖 1c)，一方面是因?yàn)槠溆坞x氧化物的膠結(jié)較弱，另一方面是因?yàn)楹奢d也是影響結(jié)構(gòu)性的關(guān)鍵因素之一。荷載作用下可使黏土顆粒接觸得更加緊密，接觸點(diǎn)的結(jié)合水膜會(huì)被進(jìn)一步“壓薄”，加強(qiáng)顆粒間擴(kuò)散層重疊程度的同時(shí)，也在一定程度上克服了顆粒間的斥力，從而提高土顆粒間的固化連結(jié)，甚至使土顆粒團(tuán)聚為整體。

圖 4 吹填土中(a)典型膠結(jié)形式與偶見(jiàn)的(b)蜂窩狀結(jié)構(gòu)與(c)“包膜”Fig. 4 (a) Typical cementation form and occasional(b) honeycomb structure and (c)“capsule” in dredger fill

1.1.4 吹填土

上海崇明島東端的人工與天然沉積土土性復(fù)雜，且均有不同程度的“超固結(jié)”，但以淺表層的素填土和吹填土表現(xiàn)最為突出?？紤]到素填土?xí)腥藶榈钠秸蛪好?，而新近沉積的吹填土，常被視為不良工程地質(zhì)性質(zhì)的代表(閆歡， 2015)，故本文以吹填土為例。上海吹填土典型的微觀結(jié)構(gòu)為骨架-絮凝狀結(jié)構(gòu)(圖 3)，一方面粉粒等大顆粒形成顆粒排列的基本骨架，另一方面黏粒以絮凝狀結(jié)構(gòu)分散在大顆粒之間形成一定的結(jié)構(gòu)連結(jié)，亦偶見(jiàn)黏粒聚集為團(tuán)聚體?？梢?jiàn)在當(dāng)前環(huán)境下，黏粒間靜電引力較強(qiáng)。

對(duì)黏粒而言，顆粒間的連結(jié)方式為邊-面、邊-邊接觸(圖 4a)，這促進(jìn)了固化連結(jié)鍵的形成，甚至可形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)(圖 4b)。這一點(diǎn)與前文所述海積軟土的情況類似，但吹填土的粒度成分更加復(fù)雜且分選較差，對(duì)粉、砂粒而言，黏粒在一定程度上起到了膠結(jié)劑的作用(圖 4a)。同時(shí)，吹填土中偶見(jiàn)可能是游離氧化物形成的“包膜”(圖 4c)。因此，吹填土也可具有一定抵抗變形的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖 5 蒸發(fā)與自重固結(jié)對(duì)顆粒排列的作用效果：(a)蒸發(fā)過(guò)程中收縮膜的產(chǎn)生及其表面張量對(duì)土顆粒的作用(改自唐朝生等 (2018))； 土顆粒在(b)蒸發(fā)過(guò)程與(c)常規(guī)自重固結(jié)過(guò)程中的排列變化Fig. 5 Effects of evaporation and self-weight consolidation on particle arrangement：(a) The generation of shrink film during evaporation and the effect of its surface tensor on soil particles(modified from Tang et al.(2018))； Variation of soil particle arrangement during (b) evaporation and (c) conventional self-weight consolidation

綜上所述，有別于先期固結(jié)壓力的傳統(tǒng)意義，當(dāng)原狀土中存在結(jié)構(gòu)連結(jié)時(shí)，會(huì)提高土骨架抵抗變形的能力。

1.2 固結(jié)壓力是壓密土體的唯一驅(qū)動(dòng)？

無(wú)論是前文所述的海積軟土還是上海吹填土，均是黏粒在結(jié)構(gòu)連結(jié)方面發(fā)揮重要作用。除此之外，對(duì)于上海吹填土，有荷載、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以外的其他因素使其“超固結(jié)”程度進(jìn)一步加深。

吹填土由于臨近地表往往承受著強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用。土體表面受日照升溫與風(fēng)的影響最大(圖 5a)，因此蒸發(fā)一般從表面開(kāi)始。研究區(qū)吹填土含水率很高甚至為飽和狀態(tài)，土顆粒間的自由水最先蒸發(fā)并在土體中產(chǎn)生毛細(xì)水作用，促使下層土體中的水分不斷向上遷移至水-氣界面，使蒸發(fā)持續(xù)推進(jìn)。毛細(xì)作用是一種微觀現(xiàn)象(李強(qiáng)等， 2021)，相關(guān)研究表明(Hu et al.，2013； 唐朝生等， 2018)，毛細(xì)水作用的產(chǎn)生與孔隙水的表面張力及土顆粒的吸附有關(guān)，液面首先在表層土顆粒間發(fā)生彎曲，相應(yīng)的彎液面被稱之為收縮膜(圖 5a)，使得毛細(xì)水壓力低于大氣壓，出現(xiàn)負(fù)孔隙水壓力(uw<0)。收縮膜的表面張力Ts可分解為作用于土顆粒的水平拉應(yīng)力T與豎向壓應(yīng)力P(圖 5a)，加之毛細(xì)水壓力和重力作用，使得顆粒在水平方向上相互靠攏，豎直方向上發(fā)生固結(jié)(圖 5b)?？v使降雨條件下土體含水率再次升高，但干燥與濕化過(guò)程引起的土結(jié)構(gòu)變化并不是完全可逆的(鞏學(xué)鵬等， 2019)。故由于土顆粒位置的改變，土體變形也無(wú)法完全恢復(fù)。

對(duì)于正常的自重固結(jié)(圖 5c)或壓縮過(guò)程，主要是在豎向荷載的作用下，排列、接觸不穩(wěn)定的土顆粒發(fā)生位移或旋轉(zhuǎn)，顆粒接觸點(diǎn)逐漸增多，從而更有效地傳遞豎向荷載應(yīng)力(唐大雄等， 1999)，土顆粒主要是在豎向相互接近。雖然蒸發(fā)過(guò)程中土顆粒的運(yùn)動(dòng)方向與常規(guī)固結(jié)相比并不一致，但從最終效果出發(fā)，兩者都會(huì)使孔隙體積縮減，顆粒排列更加緊密。在宏觀上，盡管蒸發(fā)作用嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致干縮裂隙的產(chǎn)生，但整體來(lái)看，蒸發(fā)與固結(jié)均表現(xiàn)為土體積的收縮與干密度的上升，其作用效果更加一致。因此，蒸發(fā)與干縮作用也可導(dǎo)致吹填土的“超固結(jié)”，自然沉降的吹填場(chǎng)地所形成的表面“硬殼層”便與這種作用密切相關(guān)(閆歡， 2015)，這正是環(huán)境變遷所帶來(lái)的附加力學(xué)效應(yīng)。

顯然，固結(jié)壓力并不是改變土體壓密程度的唯一驅(qū)動(dòng)力，反過(guò)來(lái)，能改變土體壓密狀態(tài)的過(guò)程可能都會(huì)影響傳統(tǒng)觀點(diǎn)中先期固結(jié)壓力所反映的“應(yīng)力歷史”。

2 土結(jié)構(gòu)性的動(dòng)態(tài)特征

如前文所述，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是土體抵抗變形的額外強(qiáng)度，是在漫長(zhǎng)的地質(zhì)環(huán)境演化中形成的，但這種強(qiáng)度是恒定的嗎？針對(duì)該問(wèn)題，本文以最常見(jiàn)的溫度變化與水分變化為切入點(diǎn)，以側(cè)限壓縮試驗(yàn)為依托，探索結(jié)構(gòu)性可能存在的動(dòng)態(tài)變化。

2.1 溫度的影響

我國(guó)是一個(gè)氣候多樣的國(guó)家，受此影響，自然界中的土?xí)惺懿煌潭鹊臏囟炔▌?dòng)，包括由此引發(fā)的凍融循環(huán)。那么，這會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)性產(chǎn)生哪些影響？

2.1.1 凍融循環(huán)與吉林西部鹽漬土

凍融循環(huán)作為一種強(qiáng)風(fēng)化過(guò)程，會(huì)強(qiáng)烈影響土的工程地質(zhì)性質(zhì)，故凍融循環(huán)是寒區(qū)工程建設(shè)不可回避的環(huán)境問(wèn)題(Roman， 1994； 王曉春等， 2000； 沈珠江， 2004)。吉林省西部的鎮(zhèn)賚地區(qū)是典型的季凍區(qū)，這里也是鹽漬土的重要分布區(qū)，課題組前期研究表明(王清等， 2016)，鹽漬土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度源自多場(chǎng)耦合作用下的水鹽遷移，鹽分在地表土層聚集甚至析出，從而將土顆粒膠結(jié)在一起。

課題組在研究鎮(zhèn)賚鹽漬土的側(cè)限壓縮特性時(shí)發(fā)現(xiàn)(彭煒， 2022)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增加(圖 6)，原狀土的結(jié)構(gòu)屈服壓力從最初的153kPa迅速下降至83kPa，降幅超45%。與此同時(shí)，土樣的壓縮系數(shù)a1-2則大幅提升，增幅超61%，兩者呈明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。壓縮系數(shù)a1-2反映的是試驗(yàn)前期土的壓縮性，當(dāng)荷載超過(guò)結(jié)構(gòu)連結(jié)的承受能力時(shí)，顆粒間的結(jié)構(gòu)連結(jié)開(kāi)始被破壞，隨著凍融循環(huán)次數(shù)越多，結(jié)構(gòu)性破壞程度加深以至于難于抵抗荷載作用，于是土顆粒也就更容易發(fā)生旋轉(zhuǎn)和位移，土體從相對(duì)的穩(wěn)定狀態(tài)過(guò)渡到亞穩(wěn)定狀態(tài)。

圖 6 原狀鹽漬土的結(jié)構(gòu)屈服壓力和壓縮系數(shù)與 凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系(彭煒， 2022)Fig. 6 The relationship between the structural yield pressure and compression coefficient of undisturbed saline soil and the number of freeze-thaw cycles(Peng， 2022)

課題組還發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)可影響土的粒度成分、孔隙分布和微觀結(jié)構(gòu)特征等諸多結(jié)構(gòu)性要素(陳亞婷， 2022)。由此可見(jiàn)，凍融循環(huán)對(duì)土結(jié)構(gòu)性的影響不可避免。凍土是我國(guó)乃至世界范圍內(nèi)土地資源的重要組成部分(程國(guó)棟， 1990)，而季節(jié)性凍土區(qū)的面積更是占國(guó)土面積的53.5%之多(徐斅祖等， 2010)，那么對(duì)于季凍區(qū)土體，其結(jié)構(gòu)性可能總是處于動(dòng)態(tài)變化之中。

2.1.2 高溫環(huán)境與廣東花崗巖殘積紅土

紅土在我國(guó)分布的范圍明顯受到自然氣候的控制，其分布主要在北緯23.5°以南或者說(shuō)是長(zhǎng)江以南的熱帶和亞熱帶地區(qū)(王清等， 2014)。這種緯度影響下的分布特征與高溫環(huán)境密不可分。

圖 7 溫度升高時(shí)(a)游離氧化鐵含量與(b)主要粒徑區(qū)間含量變化(馬琳， 2007)Fig. 7 Changes of (a) free iron oxide content and (b) particle contens of main size range(Ma， 2007)

課題組在研究廣東花崗巖殘積紅土的重塑樣時(shí)發(fā)現(xiàn)(馬琳， 2007； 王清等， 2016)，隨著溫度的升高，土中游離氧化鐵含量有明顯提升(圖 7a)。紅土中的無(wú)定形氧化鐵在30℃以下的溫度環(huán)境中，老化速率很低； 40℃時(shí)，游離鐵的老化率迅速增加，并且水鐵礦在10～14d開(kāi)始老化，可形成赤鐵礦、針鐵礦或兩者混合晶型的氧化鐵； 當(dāng)溫度提高到50℃時(shí)， 15d的老化率可達(dá)51.77%。

與此同時(shí)，如圖7b所示，當(dāng)不加分散劑時(shí)(馬琳， 2007)，紅土中的黏粒含量很低，隨著溫度的升高，黏粒含量從2%降至0，而0.05～0.01mm粒徑區(qū)間含量很高，并且從52%提高至55%； 添加分散劑后，黏粒含量從2%直接提升到28%， 0.05～0.01mm粒徑區(qū)間含量從52%降至17%?？梢?jiàn)，在游離氧化鐵對(duì)黏粒的膠結(jié)與包裹作用下，松散黏粒聚集成粒徑更大的結(jié)構(gòu)單元體(圖 2)，在分散劑的作用下，聚集的黏粒才被“釋放”。然而，隨著溫度的升高，黏粒含量還是會(huì)降低，盡管分散劑會(huì)在一定程度上破壞游離氧化鐵的膠結(jié)作用，但游離氧化鐵含量提高時(shí)，仍然會(huì)有黏粒被其膠結(jié)在一起，且0.05～0.01mm粒徑區(qū)間含量的上升趨勢(shì)十分接近(圖 7b)，可見(jiàn)其連結(jié)力較強(qiáng)。

綜上所述，無(wú)論對(duì)于吉林西部鹽漬土還是廣東花崗巖殘積紅土，課題組都通過(guò)試驗(yàn)證明，伴隨溫度的變化，土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也會(huì)產(chǎn)生一定程度的改變。

2.2 含水率的影響

氣候的差異還常常體現(xiàn)在風(fēng)與降雨的作用，其結(jié)果是導(dǎo)致自然界中土體干濕狀態(tài)的持續(xù)變化。因此，含水率又會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)性產(chǎn)生何種影響？

課題組在研究吉林西部乾安鹽漬土的壓縮特性時(shí)發(fā)現(xiàn)(李興華， 2022)，在壓密條件相同的情況下，隨著含水率的增加土體的結(jié)構(gòu)屈服壓力會(huì)明顯下降(圖 8)，相應(yīng)的壓縮系數(shù)則明顯提升，兩者之間同樣存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。課題組在研究鎮(zhèn)賚鹽漬土?xí)r還發(fā)現(xiàn)(彭煒， 2022)，飽和原狀樣的結(jié)構(gòu)屈服壓力比原狀樣低近40%。可見(jiàn)，含水率的變化會(huì)劇烈影響鹽漬土的力學(xué)特性。

圖 8 重塑鹽漬土的結(jié)構(gòu)屈服壓力和壓縮系數(shù)與 含水率的關(guān)系(李興華， 2022)Fig. 8 Relationship between structural yield pressure， compressibility coefficient and water content of remolded saline soil(Li， 2022)

含水率的增加對(duì)結(jié)構(gòu)性的影響主要體現(xiàn)在以下兩方面(李興華， 2022)：一方面，黏粒周?chē)碾p電層變厚，黏粒之間的靜電引力減弱，而靜電斥力相對(duì)增大，此消彼長(zhǎng)間，顆粒更容易發(fā)生相對(duì)位移，弱結(jié)合水在一定程度上潤(rùn)滑作用加強(qiáng)，含水率超過(guò)最優(yōu)含水率時(shí)結(jié)構(gòu)屈服壓力的驟降便與此相關(guān)； 另一方面，隨著含水率的增加，土中的NaHCO3結(jié)晶會(huì)有所溶解，伴隨水解作用破壞原有的化學(xué)鍵，使得鹽分膠結(jié)也被削弱，同時(shí)，土的分散性(陳劍平等， 2021)也會(huì)因Na+離子含量的增加而加劇，使得黏粒團(tuán)聚體更容易解體。

對(duì)于吉林西部鹽漬土，在干旱時(shí)土顆粒間的強(qiáng)結(jié)合水連結(jié)和鹽分膠結(jié)均較強(qiáng)，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，抵抗變形能力很強(qiáng)； 在雨季，隨著土體中含水率的增加，結(jié)合水膜迅速增厚，結(jié)構(gòu)連結(jié)變?nèi)醵稚⑿栽鰪?qiáng)，使得地表十分泥濘，積水十分渾濁，工程性質(zhì)迅速劣化。這種極端的工程特性驗(yàn)證了含水率對(duì)結(jié)構(gòu)性的巨大影響。但是，不同成因土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)含水率的變化有著差異響應(yīng)，如紅土中游離氧化鐵膠結(jié)形成的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度便具有較強(qiáng)的抗水性。

自然環(huán)境下，降雨、蒸發(fā)、滲流、地下水的升降、甚至凍融循環(huán)引起的水的相變，均會(huì)引起含水率的改變甚至干濕循環(huán)，土的結(jié)構(gòu)性也隨之動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

2.3 結(jié)構(gòu)連結(jié)與壓密程度的耦合變化

土的結(jié)構(gòu)連結(jié)是物質(zhì)場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)-環(huán)境場(chǎng)(C-M-E)的耦合結(jié)果(王清等， 2016)，土的壓密效果或顆粒排列也在三場(chǎng)的影響下不斷變化，因此，土的壓密程度與結(jié)構(gòu)連結(jié)也可能存在關(guān)聯(lián)。根據(jù)前文分析，首先以溫度和含水率的變化為例：

2.3.1 溫度變化的影響

對(duì)于原狀土，凍融循環(huán)對(duì)土體的最終作用效果取決于凍脹過(guò)程中有效應(yīng)力增大對(duì)土的塑性壓縮與冰晶生長(zhǎng)對(duì)土顆粒結(jié)構(gòu)連結(jié)的破壞之間的相對(duì)關(guān)系(齊吉琳等， 2006)。對(duì)于重塑土，相同的凍融循環(huán)條件可能使松散土的孔隙比降低，密實(shí)土的孔隙比上升，從而使松散土和密實(shí)土的孔隙比共同趨向一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)(Viklander， 1998；Shen et al.，2022)。松散與密實(shí)代表著土顆粒間接觸點(diǎn)的少與多，也反映了土骨架傳遞應(yīng)力的能力。可見(jiàn)，凍融循環(huán)作用不一定弱化土的強(qiáng)度，還有可能提高土的強(qiáng)度。還有研究表明(邵玉嫻等， 2011)：溫度影響著黏性土的吸附結(jié)合水量、液塑限、膨脹性和滲透性等多種水理性質(zhì)。尤其是膨脹性，其本身就代表著土顆粒排列疏松與緊密的轉(zhuǎn)換能力。顯然，溫度的變化會(huì)對(duì)土的壓密程度和結(jié)構(gòu)連結(jié)同時(shí)產(chǎn)生影響。

2.3.2 含水率變化的影響

如前文所述，蒸發(fā)過(guò)程會(huì)對(duì)土有收縮密實(shí)作用(圖 5)，實(shí)際上，在含水率持續(xù)降低過(guò)程中，孔隙溶液濃度也會(huì)迅速增加、土顆粒的擴(kuò)散層隨之變薄，也會(huì)加速土顆粒間的聚集，土顆粒間的結(jié)構(gòu)連結(jié)亦隨之增強(qiáng)。隨著含水率增加，土體也會(huì)產(chǎn)生膨脹變形，膨脹作用一方面削弱土顆粒間的結(jié)構(gòu)連結(jié)，同時(shí)又使土顆粒的排列變得更加松散。另外，地下水的不斷升降引起的循環(huán)荷載(李廣信， 2004)、滲透水流的水壓和滲透固結(jié)力(王清等， 1996)、干縮引起的毛細(xì)水作用力等均會(huì)影響土顆粒的排列特征。

2.3.3 土的結(jié)構(gòu)連結(jié)與壓密效果的相互影響

結(jié)構(gòu)連結(jié)的產(chǎn)生具有較強(qiáng)的時(shí)間效應(yīng)。結(jié)構(gòu)連結(jié)可以在土層沉積穩(wěn)定后隨著時(shí)間的推移逐漸形成，也可以在沉積過(guò)程中產(chǎn)生，如結(jié)合水連結(jié)。一方面，龔曉南等(2000)曾指出荷載有利于膠結(jié)作用的發(fā)揮，本文中海積軟土超固結(jié)比隨深度的變化(圖 1d)也印證了這一規(guī)律； 另一方面，結(jié)構(gòu)性的生成反過(guò)來(lái)又可削弱后續(xù)的壓密效果，如吹填土在強(qiáng)夯過(guò)程中產(chǎn)生的“橡皮土”也充分說(shuō)明這一問(wèn)題。

課題組在廣西填方紅土的擊實(shí)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)(鮑碩超等， 2012)，紅土可被擊實(shí)的最大干密度與含水率密切相關(guān)：當(dāng)含水率低于最優(yōu)含水率時(shí)，顆粒難以有效克服粒間連結(jié)，故相對(duì)位移和重新排列的阻力較大； 當(dāng)含水率超過(guò)最優(yōu)含水率時(shí)，顆粒雖易于滑動(dòng)，但又難以有效克服顆粒間的靜電斥力使土顆粒充分接觸。作為我國(guó)南方的主要工程載體，紅土“壓不實(shí)”的特點(diǎn)還受黏粒與游離氧化鐵含量影響(圖 9)。

黏粒含量較多時(shí)(圖 9a)，代表著黏粒所能吸附的結(jié)合水含量更高，同時(shí)眾多黏粒也使結(jié)合水連結(jié)更強(qiáng)，擊實(shí)能更多地用于克服結(jié)合水膜的連結(jié)而產(chǎn)生一定損失； 游離氧化鐵是紅土結(jié)構(gòu)連結(jié)的主要來(lái)源，盡管擊實(shí)能可部分破壞游離氧化鐵的膠結(jié)作用、將絮凝及團(tuán)聚體打散，但當(dāng)游離氧化鐵含量更高時(shí)(圖 9b)，其抵抗變形與破壞的能力依舊會(huì)增強(qiáng)。

由此可見(jiàn)，對(duì)于黏性土，荷載對(duì)具有不同程度結(jié)構(gòu)連結(jié)的土來(lái)說(shuō)，其壓密效果并不相同。當(dāng)不考慮結(jié)構(gòu)連結(jié)時(shí)(圖 10a)，荷載作用下土顆粒間接觸點(diǎn)逐漸增多并趨于穩(wěn)定，顆粒可充分接觸，壓縮變形量很大； 當(dāng)存在結(jié)合水連結(jié)時(shí)(圖 10b)，土顆?？赏ㄟ^(guò)相對(duì)位移來(lái)調(diào)整位置，但由于結(jié)合水膜的存在，荷載僅可改變其薄厚，卻難以使土顆粒緊密接觸，因此壓縮變形量降低； 最后，若除結(jié)合水連結(jié)外，還存在其他的膠結(jié)(圖 10c)，如游離氧化鐵、游離氧化鋁膠結(jié)等，土顆粒間的相互作用力進(jìn)一步加強(qiáng)，甚至可驅(qū)使分散的黏粒聚集成穩(wěn)定的黏粒團(tuán)聚體，荷載很難整體破壞其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此壓縮變形量最低。

圖 9 紅土擊實(shí)干密度與(a)黏粒含量和(b)游離氧化鐵含量關(guān)系(鮑碩超等， 2012)Fig. 9 Relationship between compacted dry density of red soil and (a) clay content and (b) free iron oxide content(Bao et al.， 2012)

圖 10 相同荷載P作用下黏性土的某一剖面分別在(a)無(wú)結(jié)構(gòu)連結(jié)、(b)考慮結(jié)合水連結(jié)以及 (c)考慮結(jié)合水和其他膠結(jié)共同作用時(shí)的差異壓密示意圖Fig. 10 Schematic of differential compaction effect of a section of cohesive soil under the same load P with(a) no structural connection， (b) bound water connection and (c) combined action of bound water and other cements

顯然，不同強(qiáng)度和性質(zhì)的結(jié)構(gòu)連結(jié)會(huì)對(duì)荷載有著差異化的“抵抗”作用，即便按傳統(tǒng)觀點(diǎn)判斷為“欠固結(jié)”或“正常固結(jié)”的土：前者可能在結(jié)構(gòu)連結(jié)的影響下放緩變形，使得“欠固結(jié)”程度降低； 后者可能在結(jié)構(gòu)連結(jié)的支撐下勉強(qiáng)達(dá)到“正常固結(jié)”?？梢哉f(shuō)，結(jié)構(gòu)連結(jié)的影響是不可避免的。固結(jié)壓力和結(jié)構(gòu)連結(jié)的作用效果是難以區(qū)分的，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與顆粒排列既可同步變化，又相互影響。

3 土結(jié)構(gòu)性的概念表達(dá)

3.1 固結(jié)壓力

.1.1 應(yīng)力歷史

固結(jié)壓力的作用效果是土體壓密，相同荷載作用下，土層的自身性質(zhì)(如干密度(胡偉等， 2009)、液限(Drnevich et al.，1989)、粒度成分(Fawad et al.，2003；Yu et al.，2020)等)、環(huán)境因素(如溫度、干縮作用和滲流固結(jié)等)與結(jié)構(gòu)連結(jié)都會(huì)影響土顆粒排列的松緊程度從而造成先期固結(jié)壓力的差異。即便對(duì)于同一種土，在穩(wěn)定的環(huán)境，恒定有效應(yīng)力下的蠕變(魏道垛等， 1980)也可使土體的先期固結(jié)壓力增加。因此，所有促使土顆粒排列松緊程度改變的因素都可能導(dǎo)致先期固結(jié)壓力數(shù)值產(chǎn)生不同幅度的動(dòng)態(tài)變化，因此先期固結(jié)壓力與應(yīng)力歷史可能無(wú)法完全對(duì)應(yīng)。先期固結(jié)壓力一般針對(duì)原狀土而言，但重塑土在制備過(guò)程中，人為施加的壓力同樣可以壓密土樣，這也是許多重塑土的側(cè)限壓縮曲線可以觀察到明顯拐點(diǎn)的原因。

3.1.2 固結(jié)壓力的評(píng)價(jià)

以往的研究常假設(shè)重塑土沒(méi)有結(jié)構(gòu)性，因而將原狀土高出重塑土壓縮曲線的差值作為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的一種體現(xiàn)，然而，原狀土的側(cè)限壓縮曲線一定高于重塑土嗎？如圖 11所示，針對(duì)吉林西部鎮(zhèn)賚鹽漬土，課題組研究發(fā)現(xiàn)(張學(xué)飛， 2017)，初始孔隙比相同，原狀土的壓縮曲線前期反而在重塑土壓縮曲線的下方，其壓縮系數(shù)a1-2高于重塑土。傳統(tǒng)視角下，對(duì)于本文的重塑土而言是不存在先期固結(jié)壓力的，但本文重塑土樣的壓縮曲線又具備明顯的抗壓縮特征：壓縮曲線前段平緩、后段陡峭且具有明顯的拐點(diǎn)，并且拐點(diǎn)比原狀樣更為明顯。原因在于，制備重塑鹽漬土試樣時(shí)，重塑土在壓密作用力、水分與黏粒的相互作用、鹽分的膠結(jié)作用以及土顆粒之間的咬合鑲嵌作用下也會(huì)具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，進(jìn)而不同程度地影響重塑土的壓縮與回彈性能。由此可見(jiàn)，原狀樣與重塑樣壓縮曲線的差值并不一定反映結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖 11 鎮(zhèn)賚鹽漬土原狀樣與重塑樣側(cè)限壓縮曲線對(duì)比 (張學(xué)飛， 2017)Fig. 11 Comparison of confined compression curves between undisturbed and remolded samples of Zhenlai saline soil(Zhang， 2017)

相比之下，圖 11中原狀樣之所以抵抗變形的能力不夠強(qiáng)，是因?yàn)檠芯繀^(qū)的原狀土在農(nóng)業(yè)上稱為“蒜瓣土”，其裂隙發(fā)育(孔元元等， 2016)易呈塊狀松散(圖 12)，含有大量的蟲(chóng)孔和砂柱。這些破壞了原狀土結(jié)構(gòu)的整體性，加強(qiáng)了非均質(zhì)性，由于裂隙的影響，即便存在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，也難以發(fā)揮作用，而重塑土的土顆粒排列更加均勻，荷載作用下應(yīng)力可更有效地傳遞。因此，原狀土的結(jié)構(gòu)性不一定強(qiáng)于重塑土，非均質(zhì)性作為土的基本特征，其對(duì)先期固結(jié)壓力的“干擾”普遍存在。

圖 12 鎮(zhèn)賚原狀鹽漬土土中的砂柱、蟲(chóng)孔與裂隙 (張學(xué)飛， 2017)Fig. 12 Sand column， wormhole and fissure in undisturbed saline soil in Zhenlai(Zhang， 2017)

3.1.3 土體結(jié)構(gòu)控制論

正如裂隙面對(duì)巖體物理力學(xué)性狀所起的控制作用(陳劍平， 2022)，土體中或許也存在類似的“結(jié)構(gòu)控制論”。當(dāng)裂隙發(fā)育時(shí)，滲透傾向于沿裂隙的優(yōu)勢(shì)通道進(jìn)行，滲透性更可成倍增加； 空間上，裂隙處的結(jié)構(gòu)連結(jié)尤為薄弱甚至缺失，故變形破壞亦更容易沿裂隙展開(kāi)。因此，土中的裂隙亦是結(jié)構(gòu)性的產(chǎn)物，是結(jié)構(gòu)連結(jié)薄弱部分與強(qiáng)力部分的空間分化。若土體整體上結(jié)構(gòu)連結(jié)薄弱，土顆粒排列松散，反而有利于土的均質(zhì)程度的提高，此時(shí)裂隙也難發(fā)育。

在微觀尺度上，裂隙可看作顆粒排列的連續(xù)缺失或孔隙的連續(xù)線性發(fā)育； 在宏觀尺度上，裂隙可視作固相組分非均質(zhì)性與各向異性的一種表現(xiàn)。那么在不同的荷載條件下，裂隙可以加速展開(kāi)，也可逐漸閉合甚至消失，正如圖 11中原狀土在加荷后期孔隙比反超重塑土，這是因?yàn)橥恋膲嚎s過(guò)程即是初始結(jié)構(gòu)的破壞過(guò)程，也是次生結(jié)構(gòu)的發(fā)展過(guò)程。因此，裂隙對(duì)土體工程特性的控制程度，需結(jié)合研究尺度和受力條件來(lái)綜合判定。

圖 13 土的結(jié)構(gòu)性要素Fig. 13 Structural elements of soil

3.2 土結(jié)構(gòu)性的要素

從廣義上看，任何壓密狀態(tài)的土均具有結(jié)構(gòu)性(Ouria， 2017)，甚至砂性土也可有結(jié)構(gòu)性(劉小生等， 1993)，使其能開(kāi)挖形成較陡的邊坡(蔣明鏡等， 1999)。土結(jié)構(gòu)性的形成一般包含內(nèi)因和外因兩方面(譚羅榮等， 1982； 龔曉南等， 2000)，內(nèi)因是指土的物質(zhì)成分，包括固體顆粒相、液相、氣相及其可能包含的其他組分； 外因則主要是荷載、時(shí)間以及外界溫度、濕度與其他風(fēng)化作用等。由此可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)性是多種復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程的耦合作用結(jié)果，具有明顯的多源性。無(wú)論是原狀土還是重塑土，都是工程的載體，工程實(shí)踐更關(guān)注其力學(xué)表現(xiàn)。因此本文從力的作用效果出發(fā)，對(duì)土結(jié)構(gòu)性的要素劃分如下(圖 13)。

3.2.1 顆粒排列特征

顆粒排列特征的核心要素是土顆粒排列的緊密程度，可細(xì)分為以下幾方面：

(1)幾何要素：該要素決定著土顆粒間是否能更緊密地貼合與接觸，具體是指顆粒的形狀、方向、表面特征等。相比球形顆粒，不規(guī)則形狀的土顆粒通過(guò)一定角度接觸，理論上可以實(shí)現(xiàn)形狀上的“互補(bǔ)”排列。

(2)粒度要素：該要素是土自身組成的體現(xiàn)。粒度組成一方面與原生礦物、次生礦物在尺寸上相關(guān)聯(lián)，如長(zhǎng)石、石英的尺寸往往較大，屬于砂粒組； 另一方面不同的粒度級(jí)配所能達(dá)到的壓密效果不同。

(3)孔隙與裂隙要素：土由固相組分與填充在孔隙和裂隙中的液相、氣相組分構(gòu)成，因此孔隙與裂隙也可反映土顆粒等固相組分在三維空間的排列。

3.2.2 結(jié)構(gòu)連結(jié)特征

結(jié)構(gòu)連結(jié)特征的核心要素是土顆粒或結(jié)構(gòu)單元體之間的相互作用。根據(jù)前文分析，綜合考慮結(jié)構(gòu)連結(jié)的類型與物質(zhì)來(lái)源提取以下幾類要素：

(1)土顆粒之間的相互作用：一是土顆粒間的咬合、鑲嵌與摩擦作用力，該作用力與顆粒排列的幾何要素相對(duì)應(yīng)，往往隨著荷載的施加而發(fā)揮作用，該作用同樣適用于砂土與粉土； 二是黏粒本身也可作為膠結(jié)物，原因在于黏粒一般呈片狀，其平面常帶負(fù)電荷，斷面常帶正電荷。

(2)水的連結(jié)作用：體現(xiàn)在不同形態(tài)水的連結(jié)作用，包括依托黏粒的結(jié)合水連結(jié)、在砂土和粉土中也可出現(xiàn)的毛細(xì)水連結(jié)以及凍土中的冰連結(jié)。

(3)化學(xué)膠結(jié)作用：該作用源自土顆粒與水以外物質(zhì)的膠結(jié)，相對(duì)而言，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度形成時(shí)間較長(zhǎng)，膠結(jié)能力較強(qiáng)。主要包括：①鹽類膠結(jié)，可以是水中析出的水溶鹽，如碳酸鹽、硫酸鹽、氯鹽，也可以是難溶鹽，如黃土中的碳酸鈣對(duì)土顆粒起膠結(jié)作用，當(dāng)含水量升高時(shí)會(huì)部分溶解，使其膠結(jié)能力下降甚至失穩(wěn)破壞，從而產(chǎn)生黃土的濕陷性； ②游離氧化物膠結(jié)，連結(jié)作用較強(qiáng)，且具有一定的抗水性，如二氧化硅、氧化鐵、氧化鋁等； ③再結(jié)晶作用，在土顆粒接觸處在上覆壓力的長(zhǎng)期作用下形成再結(jié)晶的連結(jié)； ④其他物質(zhì)的膠結(jié)連結(jié)，如有機(jī)質(zhì)。

本文將顆粒排列的緊密程度納入結(jié)構(gòu)性的范疇，認(rèn)為土顆粒間的相互接觸本身就是結(jié)構(gòu)性的一種體現(xiàn)，探討了宏觀作用力的壓密效果與微觀土顆粒的排列、原狀土與重塑土在壓密效果上的結(jié)構(gòu)性統(tǒng)一。將咬合、鑲嵌與摩擦作用力歸結(jié)為結(jié)構(gòu)連結(jié)，從而實(shí)現(xiàn)了粗粒土與細(xì)粒土在結(jié)構(gòu)性概念上的統(tǒng)一。同時(shí)，重塑土之所以常被認(rèn)為無(wú)結(jié)構(gòu)性，正是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)連結(jié)的性質(zhì)和強(qiáng)弱不同，重塑過(guò)程往往破壞的是化學(xué)膠結(jié)(圖 13)， 這種連結(jié)往往具有一定脆性破壞的特征； 而土顆粒之間的相互作用與水的連結(jié)作用以及壓密引起的更加緊密的顆粒排列， 均可使重塑土獲得結(jié)構(gòu)性。因此， 所有引起土的顆粒排列和結(jié)構(gòu)連結(jié)特征改變的因素，均會(huì)一定程度上影響其力學(xué)特性。

3.3 結(jié)構(gòu)屈服壓力的表達(dá)與思考

為了描述結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)土體力學(xué)特性的影響，一般認(rèn)為結(jié)構(gòu)性土的“先期固結(jié)壓力”應(yīng)為結(jié)構(gòu)屈服壓力，即(李作勤， 1982； 王國(guó)欣等，2003)：

σk=Pc+q

(1)

式中：σk代表結(jié)構(gòu)屈服壓力；q與Pc分別代表結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與傳統(tǒng)意義上的先期固結(jié)壓力?？紤]到重塑土在壓縮曲線也可出現(xiàn)拐點(diǎn)，沈珠江院士提出可用結(jié)構(gòu)應(yīng)力比代替超固結(jié)比(沈珠江， 1998)。李作勤(1984)認(rèn)為冰川退化、地震、土層剝蝕、潮汐、滲流、地下水位起伏、水分蒸發(fā)與次固結(jié)作用等多種因素均可使土體密度增大而具有超壓密的強(qiáng)度和變形特性，因此提出：

σk=Pc+ΔPc+q

(2)

式中： ΔPc為附加壓密產(chǎn)生的抗壓強(qiáng)度增量。然而，由圖 13所示的結(jié)構(gòu)要素可知，諸多因素可以提高土的壓密效果，也可以削弱土的壓密效果，在微觀尺度上表現(xiàn)為土顆粒之間接觸部位的差異和接觸點(diǎn)的數(shù)目增減。因此，本文嘗試用“附加排列效應(yīng)，ΔPa”代替“ΔPc”，在意義上代表自重荷載以外的、多種因素引起的、可改變土顆粒排列效果的作用力之和，其值可正、可負(fù)，即ΔPa可以使土顆粒的排列變得松散，也可以變得致密； 其余參數(shù)含義相同。基于式(2)，本文建議的結(jié)構(gòu)屈服壓力的表達(dá)式為：

σk=Pc+ΔPa+q

(3)

式中：Pc與ΔPa一同在宏觀上反映土體的壓密效果，在微觀上反映土顆粒的排列特征，二者難以區(qū)分；q代表結(jié)構(gòu)連結(jié)。從結(jié)構(gòu)屈服壓力的角度合并體現(xiàn)了顆粒排列和結(jié)構(gòu)連結(jié)，式(3)是結(jié)構(gòu)屈服壓力的一般概念表達(dá)形式。

若考慮前述的溫度、含水率與荷載等等諸多環(huán)境因素的影響，以及顆粒排列與結(jié)構(gòu)連結(jié)的相互作用，則土體的結(jié)構(gòu)屈服壓力可動(dòng)態(tài)表示為：

σ′k=f(Pc+ΔPa，q)

(4)

此時(shí)的結(jié)構(gòu)屈服壓力σ′k是顆粒排列和結(jié)構(gòu)連結(jié)兩方面的函數(shù)，兩者將對(duì)結(jié)構(gòu)屈服壓力數(shù)值產(chǎn)生綜合影響，在不同的工況與環(huán)境條件下，土的結(jié)構(gòu)性強(qiáng)弱與力學(xué)表現(xiàn)可能不同。因此，無(wú)論是針對(duì)具體的工程建設(shè)，還是特定地質(zhì)條件下形成的不良物理地質(zhì)作用(劉國(guó)昌， 1993)，均應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)性的變化可能帶來(lái)的不利影響，從而開(kāi)展有針對(duì)性的分析與研究。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合課題組多年研究成果，從土體反常的“超固結(jié)”現(xiàn)象入手，首先探討了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與固結(jié)壓力的作用效果，隨后分析了兩者可能存在的動(dòng)態(tài)變化與相互作用，最后聚焦于力的作用效果，基于側(cè)限壓縮試驗(yàn)，嘗試給出了土結(jié)構(gòu)性的概念表達(dá)。初步取得如下認(rèn)識(shí)：

(1)土體與應(yīng)力歷史不符的“超固結(jié)”并不反常。土顆粒間的化學(xué)膠結(jié)與固化連結(jié)可形成土體抵抗變形的額外強(qiáng)度，即結(jié)構(gòu)強(qiáng)度； 固結(jié)壓力的作用效果是使土體壓密，但其并非是促使土體壓密程度提高的唯一驅(qū)動(dòng)力。按傳統(tǒng)方法判斷，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與壓密土體的其他過(guò)程均可使土體表現(xiàn)為“超固結(jié)”。

(2)土體壓密與結(jié)構(gòu)連結(jié)的作用效果是相互耦合的，兩者即可同步變化，又可相互影響。土的結(jié)構(gòu)性在自然界中本身就是動(dòng)態(tài)變化的，原狀土與擾動(dòng)土實(shí)際上是一個(gè)相對(duì)的狀態(tài)，不同物質(zhì)成分、不同環(huán)境、不同荷載條件下的土體，其結(jié)構(gòu)屈服壓力與力學(xué)表現(xiàn)并不相同。因此，先期固結(jié)壓力Pc與應(yīng)力歷史并不能完全對(duì)應(yīng)。先期固結(jié)壓力本質(zhì)上是土體壓密效果的一種體現(xiàn)。

(3)結(jié)構(gòu)性是土體的廣義屬性，主要體現(xiàn)在顆粒排列的緊密程度與結(jié)構(gòu)連結(jié)兩大部分。顆粒排列的最終效果是壓密，包括幾何要素、粒度要素以及孔隙與裂隙要素； 結(jié)構(gòu)連結(jié)的本質(zhì)是相互作用，主要來(lái)自土顆粒之間的相互作用、水的連結(jié)作用以及多種化學(xué)膠結(jié)作用。無(wú)論是重塑土還是原狀土，差別在于結(jié)構(gòu)性的強(qiáng)弱而不在于結(jié)構(gòu)性的有無(wú)。

(4)本文嘗試給出了結(jié)構(gòu)屈服壓力σk的表達(dá)形式，即σk=Pc+ΔPa+q，ΔPa代表附加排列效應(yīng)，是指自重荷載以外改變土顆粒排列特征的綜合作用力。其中：Pc與ΔPa共同反映顆粒排列特征，q為反映結(jié)構(gòu)連結(jié)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。對(duì)土結(jié)構(gòu)性的相關(guān)研究與分析有一定的價(jià)值。