陳 茜，駱亞生，程大偉

(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌712100)

土的結(jié)構(gòu)性是其強(qiáng)度、變形的內(nèi)在決定因素.在土結(jié)構(gòu)性研究的三大基本途徑(細(xì)觀形態(tài)學(xué)途徑、固體力學(xué)途徑和土力學(xué)途徑)中，土力學(xué)方法因具有很大的潛力和良好的發(fā)展前景，為業(yè)界學(xué)者所青睞.R.Brewer［1］研究發(fā)現(xiàn)了土的結(jié)構(gòu)要素的完整性，特別是土的結(jié)構(gòu)單元的定向排列和分布特征.N.K.Tovey［2］利用液氮凍干技術(shù)和電鏡掃描膠帶剝離技術(shù)等研究了原狀土的結(jié)構(gòu)性，提出了土結(jié)構(gòu)的微觀圖像定量分析的方法.Yong R.N.等［3］指出不同層次的微結(jié)構(gòu)在受力時(shí)表現(xiàn)出不同的力學(xué)行為.M.Kavvadas等［4］以適用于重塑土的Cam-Clay模型為基礎(chǔ)構(gòu)建了結(jié)構(gòu)性土的模型.謝定義、齊吉琳［5-6］提出了反映結(jié)構(gòu)性的定量化參數(shù)，并將其引入土的變形本構(gòu)關(guān)系和強(qiáng)度本構(gòu)關(guān)系，使土結(jié)構(gòu)性的研究具有新的特色.陳存禮等［7］根據(jù)同壓力下原狀土、重塑土和飽和土的孔隙比定義了一個(gè)結(jié)構(gòu)性定量化參數(shù)，并通過(guò)試驗(yàn)研究了原狀黃土的結(jié)構(gòu)性隨壓力及含水率變化的規(guī)律性.駱亞生等［8-9］提出了反映土結(jié)構(gòu)性的應(yīng)變綜合結(jié)構(gòu)性參數(shù)，并將其推廣到動(dòng)力條件下，提出土的動(dòng)結(jié)構(gòu)性參數(shù)，建立了對(duì)應(yīng)于復(fù)雜應(yīng)力條件的土結(jié)構(gòu)性本構(gòu)模型.邵生俊等［10］通過(guò)三軸試驗(yàn)，由原狀土、重塑土和飽和土的主應(yīng)力差比值提出了另一種結(jié)構(gòu)性參數(shù)，并將結(jié)構(gòu)性參數(shù)引入到原狀黃土應(yīng)力應(yīng)變研究中.三軸壓縮試驗(yàn)是一種較完善的測(cè)定土體抗剪強(qiáng)度的方法，其試樣的應(yīng)力較為明確和均勻.但是采用該方法也存在變量太多，很難厘清不同變量對(duì)結(jié)構(gòu)性的影響程度，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)性參數(shù)的計(jì)算造成一定的麻煩的問(wèn)題，且由于起始狀態(tài)土體的主應(yīng)力差、主應(yīng)變均為0，造成采用主應(yīng)力差表示的結(jié)構(gòu)性參數(shù)在此狀態(tài)下無(wú)法求解.

本研究對(duì)三軸試驗(yàn)條件下結(jié)構(gòu)性參數(shù)進(jìn)行分析，給出采用割線模量表示的結(jié)構(gòu)性參數(shù).然后，基于三軸試驗(yàn)土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系建立結(jié)構(gòu)性參數(shù)的單變量模型，對(duì)甘肅省劉家峽某地黃土進(jìn)行試驗(yàn)，以探討三軸試驗(yàn)條件下結(jié)構(gòu)性參數(shù)變化規(guī)律.

1 三軸試驗(yàn)條件下結(jié)構(gòu)性參數(shù)單變量模型

三軸試驗(yàn)條件下結(jié)構(gòu)性參數(shù)可由對(duì)應(yīng)于相同應(yīng)變條件下原狀土、重塑土和飽和土各自主應(yīng)力差的比值來(lái)表示，表達(dá)式為

式中:mε1為基于主應(yīng)力差考慮的土結(jié)構(gòu)性參數(shù);(σ1-σ3)y為主應(yīng)變 εy1時(shí)原狀土體的主應(yīng)力差;(σ1-σ3)r為主應(yīng)變 εr1時(shí)重塑土體的主應(yīng)力差;(σ1-σ3)s為主應(yīng)變?chǔ)舠1時(shí)飽和原狀土體主應(yīng)力差.

考慮到(σ1- σ3)y，(σ1- σ3)r和(σ1- σ3)s為對(duì)應(yīng)于相同主應(yīng)變?chǔ)?的應(yīng)力，則式(1)可簡(jiǎn)化為

式中:Edy為主應(yīng)變?chǔ)?時(shí)原狀土體的割線模量;Edr為主應(yīng)變?chǔ)?時(shí)重塑土體的割線模量;Eds為主應(yīng)變?chǔ)?時(shí)原狀飽和土體的割線模量.式(2)是基于割線模量表達(dá)的結(jié)構(gòu)性參數(shù)，避免了由于起始狀態(tài)土體的主應(yīng)力差、主應(yīng)變均為0，造成采用主應(yīng)力差表示的結(jié)構(gòu)性參數(shù)在此狀態(tài)下無(wú)法求解.考慮到三軸條件下土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，即

式中:a，b為試驗(yàn)常數(shù).根據(jù)對(duì)式(1)的定義，(σ1-σ3)y，(σ1-σ3)r和(σ1- σ3)s對(duì)應(yīng)的原狀土體主應(yīng)變?chǔ)舮1、重塑土體主應(yīng)變?chǔ)舝1和飽和原狀土體主應(yīng)變?chǔ)舠1三者相等，等于主應(yīng)變?chǔ)?，即

則

式中:ay，by，ar，br，as，bs分別為原狀土體、重塑土體和飽和土體的三軸試驗(yàn)常數(shù).將式(5)-(7)代入式(2)，則可獲得以ε1為單變量的結(jié)構(gòu)性參數(shù)模型:

由于涉及的單變量是主動(dòng)作用，所以用式(8)表示土結(jié)構(gòu)性參數(shù)可以直觀地反映主動(dòng)作用對(duì)土體結(jié)構(gòu)性的影響.此外，采用單變量表示土結(jié)構(gòu)性參數(shù)，可以簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，利于實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算.

2 三軸試驗(yàn)下結(jié)構(gòu)性參數(shù)

2.1 試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)

黃土土樣來(lái)自甘肅省劉家峽某地，其天然含水率為10.8%，干密度 1.31 g·cm-3，飽和含水率為39%.試驗(yàn)設(shè)備為常規(guī)三軸剪切儀，采用固結(jié)排水試驗(yàn)(CD).固結(jié)圍壓分別取 100，200，400 kPa，采用滴水配水法，土樣含水率分別為11%，15%，19%，23%和飽和含水率.試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1.

由圖1可見(jiàn)，在剪切過(guò)程中黃土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系易受應(yīng)力狀態(tài)(圍壓)和水濕狀態(tài)的影響.當(dāng)初始固結(jié)圍壓小及含水率較低時(shí)，其強(qiáng)度特性近似超固結(jié)土，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈弱硬化或軟化型，并有剪脹現(xiàn)象.當(dāng)固結(jié)圍壓大或含水率高時(shí)，在固結(jié)階段，膠結(jié)咬合作用遭部分或完全破壞，其強(qiáng)度特性近似正常固結(jié)土，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈強(qiáng)硬化型，并有剪縮現(xiàn)象.由于重塑土的排列結(jié)構(gòu)已經(jīng)遭到破壞，故剪切過(guò)程中，重塑土表現(xiàn)出的抵抗剪切破壞能力明顯變低.

圖1 原狀土和重塑土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

用式(3)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到的擬合參 數(shù)如表1所示.

表1 試驗(yàn)擬合參數(shù)一覽表

續(xù)表

2.2 三軸試驗(yàn)下結(jié)構(gòu)性參數(shù)變化規(guī)律

將表1數(shù)據(jù)擬合參數(shù)代入式(8)中，可以得到不同圍壓時(shí)三軸試驗(yàn)條件下的結(jié)構(gòu)性參數(shù).圖2為不同圍壓下土樣結(jié)構(gòu)性參數(shù)曲線.

圖2 不同圍壓下土樣結(jié)構(gòu)性參數(shù)曲線

由圖2可見(jiàn)，在相同圍壓條件下，對(duì)應(yīng)于相同的應(yīng)變，結(jié)構(gòu)性參數(shù)均隨含水率增大而減小.其原因在于黃土的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度來(lái)自土顆粒間膠結(jié)力、機(jī)械力(如摩擦力)、雙電層力及毛細(xì)管張力等土顆粒間的結(jié)合力，土中膠結(jié)物、黏結(jié)物及水分的存在，常使黃土的結(jié)構(gòu)要素間產(chǎn)生顯著的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)，而使黃土具有一定的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度.對(duì)黃土浸水增濕，土中含水率增大，會(huì)造成膠凝物質(zhì)間由于水膜楔入而距離拉大，膠結(jié)力減弱;溶劑化液膜增厚而顆粒間摩擦力降低;雙電層中離子濃度降低，排斥力將占優(yōu)勢(shì);毛管張力引發(fā)的法向應(yīng)力將迅速減小甚至完全消失［6-7］.因此，浸水增濕會(huì)削弱黃土的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度.從而造成結(jié)構(gòu)性參數(shù)均隨含水率增大而減小.

由圖2可知:當(dāng)圍壓或含水率不太大(如σ3=100 kPa或w≤15%)時(shí)，結(jié)構(gòu)性參數(shù)隨應(yīng)變?cè)龃蠖f減，且遞減速度具有先陡后緩的特點(diǎn);當(dāng)圍壓或含水率較大(如σ3=300 kPa，且w≥19%)時(shí)，結(jié)構(gòu)性參數(shù)隨應(yīng)變?cè)龃蠖f增，且遞增速度具有先陡后緩的特點(diǎn).這些變化特性印證了文獻(xiàn)［11］的結(jié)論.即主動(dòng)作用(應(yīng)力或應(yīng)變)的存在，將使土體部分顆粒的聯(lián)結(jié)中出現(xiàn)微隙和位移(滑動(dòng)位移)，隨著主動(dòng)作用繼續(xù)增大，微隙和位移也隨之進(jìn)一步增大、增多，甚至土體顆粒的團(tuán)粒遭到破碎和碎裂，直至初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度遭到完全的破壞.同時(shí)，土體顆粒間的相互移動(dòng)和壓密也形成新的次生結(jié)構(gòu).在這個(gè)原生結(jié)構(gòu)被破壞、次生結(jié)構(gòu)形成的過(guò)程中，如果前者影響遠(yuǎn)超過(guò)后者，則土體將會(huì)衰化或軟化，直至最終被破壞;如果后者影響大于前者，則土體將進(jìn)一步被壓實(shí)或硬化.顯然，當(dāng)圍壓或含水率不太大時(shí)，結(jié)構(gòu)性參數(shù)隨應(yīng)變的變化所表現(xiàn)出來(lái)的特征屬于原生結(jié)構(gòu)破壞的影響遠(yuǎn)超過(guò)次生結(jié)構(gòu)形成的情形，此條件下土體趨向衰化或軟化;當(dāng)圍壓和含水率較大時(shí)，結(jié)構(gòu)性參數(shù)隨應(yīng)變的變化規(guī)律所表現(xiàn)出來(lái)的特征屬于次生結(jié)構(gòu)形成的影響遠(yuǎn)超過(guò)原生結(jié)構(gòu)破壞的情形，此時(shí)土體趨向進(jìn)一步被壓實(shí)或硬化，這與2.1節(jié)相同條件下原狀土體剪切過(guò)程的試驗(yàn)現(xiàn)象相吻合.

三軸試驗(yàn)結(jié)果的分析表明:土體的力學(xué)性質(zhì)由土體自身的結(jié)構(gòu)所決定，而作用在土體上的外部條件(如圍壓、含水率等)的變化會(huì)改變土體的結(jié)構(gòu)特性.

3 結(jié)論

1)對(duì)三軸試驗(yàn)條件下結(jié)構(gòu)性參數(shù)進(jìn)行化簡(jiǎn)得到了采用割線模量表示的結(jié)構(gòu)性參數(shù)，其積極意義在于避免了由于起始狀態(tài)土體的主應(yīng)力差、主應(yīng)變均為0，造成基于主應(yīng)力差描述的三軸試驗(yàn)條件下結(jié)構(gòu)性參數(shù)在此狀態(tài)下均無(wú)法求解的現(xiàn)象.

2)構(gòu)建了以主應(yīng)變?yōu)閱巫兞棵枋龅耐馏w結(jié)構(gòu)性參數(shù)模型，采用主動(dòng)作用為單變量描述的土體結(jié)構(gòu)性參數(shù)的積極意義，一方面在于它可以直觀地反映主動(dòng)作用對(duì)土體結(jié)構(gòu)性的影響;另一方面，采用單變量表示土結(jié)構(gòu)性參數(shù)，可以簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，利于實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算.

3)甘肅省劉家峽某地黃土進(jìn)行三軸試驗(yàn)，探討三軸試驗(yàn)條件下結(jié)構(gòu)性參數(shù)的變化規(guī)律.試驗(yàn)結(jié)果表明:土體的力學(xué)性質(zhì)由土體自身的結(jié)構(gòu)所決定，而作用在土體上的外部條件(如圍壓、含水率)的變化會(huì)改變土體的結(jié)構(gòu)特性.

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