黄土的初始结构性参数研究
2015-06-23秦鹏成邵生俊安中秋
秦鹏成,邵生俊,褚 峰,安中秋
(1.西安理工大学 岩土工程研究所,西安 710048;2.陕西省黄土力学与工程重点实验室,西安 710048)
黄土的初始结构性参数研究
秦鹏成1,2,邵生俊1,2,褚 峰1,2,安中秋1,2
(1.西安理工大学 岩土工程研究所,西安 710048;2.陕西省黄土力学与工程重点实验室,西安 710048)
以释放综合结构势的思想为基础,通过无侧限抗压强度试验,以原状土的无侧限抗压强度与其重塑饱和土的无侧限抗压强度的比值,定义了一个反映土初始结构性的参数。研究表明,该初始结构性参数能够反映干密度、含水量、液塑性、塑性指数、稠度即液性指数对黄土初始结构性的影响,表现出很好的灵敏性、稳定性及合理性。
综合结构势;重塑饱和土;无侧限抗压强度;初始结构性
描述黄土的基本物性主要有粒度、密度、湿度、结构性4个物性指标，这4个参数一起决定黄土的力学性质及其变化规律。在谢定义[1]提出综合结构势之前,研究者们对黄土的力学性质研究主要基于粒度、密度、湿度3个因素,即依据其颗粒形状、土粒级配、矿物成分、孔隙比、干密度、液塑限、含水率、饱和度等物理性质来研究黄土的力学性质。其中土的粒度包括土颗粒粗细、颗粒级配以及细颗粒土的矿物成分,其表示方法有液限、塑限及塑性指数。土的密度即土的密实程度,其表示方法有干密度、孔隙比、孔隙率。土的湿度即土的含水程度,其表示方法有含水率、饱和度及液性指数。此阶段对土结构性的认识只能从定性角度分析,使得分析黄土的应力-应变特性、抗剪特性等方面存在很大的局限性。因此研究土的结构性特别是对其定量化分析就显得尤为重要,沈珠江[2]将土结构性分析作为“21世纪土力学的核心”。
黄土结构性经历了从定性研究发展到现阶段的定量化研究。学术界基于定量化研究的三种力学方法为:综合结构势[1]、岩土破损力学[3]、四维空间理论[4],其中谢定义提出的综合结构势理论,是基于土力学方法,通过破坏土的结构性,使土充分释放结构势,来测定土的结构可稳性和结构可变性,此方法是研究土结构性定量化的最有效途径之一,得到了学术界的广泛认可。基于综合结构势,通过加荷、浸水、扰动充分释放结构势为基本出发点,学术界提出了多种结构性定量化参数,概括起来有11种结构性定量化参数,分别为:应变结构性参数，应力结构性参数，振次结构性参数，应力比结构性参数，孔隙比结构性参数，动应力结构性参数，动剪应力结构性参数，模量结构性参数，等向应力(或球应力)结构性参数，这9种属于在加荷作用下土变形过程的结构性参数；圆锥贯入度结构性参数，构度,后2种属于初始结构性参数。加荷变形过程结构性参数是动态变化的,在反映土的基本物性上存在一定的局限性,表现为初始结构性破坏以及次生结构性形成,且形成的强度不足以抵抗外加荷载的强度而最终破坏,此过程结构的可稳性(联结特征)和结构的可变性(排列特征)均起主要作用,结构的可稳性相对来说小于结构的可变性,应力-应变曲线表现为硬化型曲线;土的初始结构性参数主要表现为初始结构性的破坏,是个定值,能够反映土的基本物性,此过程结构的可稳性(颗粒联结特征)起关键性作用,结构的可变性(颗粒排列特征)要远远小于结构的可稳性,应力-应变曲线表现为软化型曲线。
土的结构性可以用颗粒的联结特征和颗粒的排列特征综合反映。使土的综合结构势充分释放出来可以通过扰动、加荷、浸水三种途径。扰动能破坏土的颗粒联结,导致颗粒联结强度降低;加荷有2种作用,既能改变土颗粒间的排列特征,又能改变土颗粒间的联结特征;浸水既能导致土中化学物质弱化、溶解、吸力联结丧失,水膜的楔入作用又可使土所固有的胀缩势得到充分释放。由于土的结构性是维持土自身结构状态不变的可稳性与结构变化的可变性的综合反映[5],所以土的颗粒联结特征即结构的可稳性可以通过原状土试样和扰动重塑土试样比值来反映;土的颗粒排列特征即结构的可变性可以通过饱和原状土试样和原状土试样比值来反映。干密度一定条件下,分别对扰动重塑土和饱和原状土施加荷载来释放结构势的方法在学术界得到了广泛的认可,研究者们通过在压缩试验仪、三轴剪切仪、真三轴试验仪、无侧限抗压强度试验仪及锥形稠度试验仪上分别对原状样、重塑样及饱和原状样施加荷载进行试验建立起了多种结构性参数[1,5-7];对扰动重塑饱和土施加荷载同样可以实现加荷、浸水、扰动使土的综合结构势充分释放,使土的结构性发生破坏的目的。笔者拟在无侧限抗压强度试验仪上基于饱和重塑土释放结构势的思想来研究黄土的初始结构性参数。
1 初始结构性参数的表达式
初始状态土结构性定量化研究,比较认同和普遍接受的有两个初始结构性参数:一是冯志焱[8]提出的圆锥贯入度结构性参数;另一个是邵生俊[5]提出的构度指标。基于谢定义提出的释放综合结构势为理论基础,本文以干密度相同条件下,对扰动重塑饱和土施加荷载来实现释放结构势的目的,进而达到通过扰动、浸水、加荷来破坏土的结构性。本文通过对相同干密度的原状土和重塑饱和土进行无侧限抗压强度试验,以原状土的无侧限抗压强度与重塑饱和土的无侧限抗压强度之比来综合反映土的结构可稳性和结构可变性。反映土初始状态的结构性参数定义如下:
(1)
式中:mis为土初始结构性参数,i，s分别为初始initial和结构性Structural的首字母;(pu)y、(pu)rs分别为原状土和重塑饱和土的无侧限抗压强度。
从式(1)看出:土的初始颗粒联结越强、初始颗粒排列越不稳定,重塑饱和后土的结构强度损失越大,得到重塑饱和土的无侧限抗压强度越小,土的初始结构性参数mis越大。初始结构性参数可以反映土在剪切过程中的初始结构性的损失,即初始结构性参数mis的大小与土结构性强弱有直接而灵敏的联系。
2 试验方案
试样取自西安月登阁场地和西安南郊场地。月登阁场地取土深度分别为12，15，22，25 m;南郊取土深度为20 m。将12，15，22，25,20 m黄土分别用黄土1、黄土2、黄土3、黄土4及黄土5表示。其中:12,15 m黄土属于Q3黄土;22,25,20 m黄土属于Q2黄土。5种黄土物性指标见表1所示。
试验设备为应变控制式三轴剪切仪改进成的应变式无侧限压缩仪。进行不同含水率条件下原状土和相同干密度重塑饱和土的无侧限抗压强度试验,试验剪切速率为0.828,轴向位移计每10格即0.1 mm测记轴向测力计读数。12，15，22，25，20 m深的原状土含水率(质量分数)设定为7个:0%，5%，10%，15%，20%，25%，饱和,用于反映含水率对初始结构性参数的影响。原状土和重塑饱和土采用直径39.1 mm,高80 mm的尺寸。低于天然含水率的原状土采用风干方法;高于天然含水率的原状土采用滴管滴定注水方法;重塑饱和土采用真空抽气饱和方法。达到所要求含水率后都需在保湿缸中保湿48 h以上。
表1 土的物性指标
3 黄土的无侧限抗压强度试验
分别对5种黄土(12，15，22，25，20 m)不同含水率(0%，5%，10%，15%，20%，25%，饱和)的原状土和对应的重塑饱和土进行无侧限抗压强度试验,得到如图1-3所示15 m(黄土2)、25 m(黄土4)、20 m(黄土5)黄土的应力-应关系曲线。由图可见，扰动饱和黄土的应力-应变关系曲线均呈弱软化型,干密度小的黄土2在应变为2.88%时出现不太明显的峰值强度即pu=5.36 kPa;而干密度大的黄土4、黄土5在应变分别为0.88%、1%时出现比黄土2大的峰值强度,表现为干密度小的重塑饱和黄土,其出现峰值强度所需要的轴向应变大(即时间长),峰值强度值小;干密度大的重塑饱和土,小轴向应变时即出现峰值,且峰值强度较大。黄土2为Q3黄土,黄土4,5为Q2黄土,说明对于重塑饱和土来说,Q2黄土的无侧限抗压强度比Q3黄土的无侧限抗压强度值大,且Q2黄土在小轴向应变时即出现峰值。从图中可以看出不同深度的原状黄土在不同含水率下,应力-应变曲线均呈强软化型,均在轴向应变不大于2%条件下,达到峰值强度即无侧限抗压强度pu,原状黄土在不同含水率下均表现为脆性破坏。图4为含水量与无侧限抗压强度的关系。从图4可以看出,不同深度的原状黄土均随含水量增大其无侧限抗压强度呈减小的变化规律,含水量从0%到15%过程中峰值强度即结构强度急剧减小,对湿度的敏感性很高;含水量从20%到25%时,峰值强度变化相对较小,对湿度敏感性不高。不同深度的黄土随含水量的增加,达到峰值强度所需的轴向应变总体上也是从大应变过渡到小应变,说明黄土的原生结构损失程度随含水量增大由小变大,增湿可以使黄土的综合结构势释放出来。可以看出原状饱和土的应力-应变曲线明显高于重塑饱和土,说明黄土颗粒排列特征彻底破坏即结构可变性丧失后,原状饱和土的结构强度依然明显高于重塑饱和土,说明原状黄土的颗粒联结特征即结构的可稳性起作用。进一步说明了湿度(增湿、减湿)是影响黄土结构强度的重要因素之一。
图1 15 m黄土的应力-应变曲线
图2 25 m黄土的应力-应变曲线
图3 20 m黄土的应力-应变曲线
图4 pu-w关系曲线
4 初始结构性的变化规律
4.1 初始结构性参数与含水率的关系
5种黄土根据不同含水率(质量分数)(0%，5%，10%，15%，20%，25%、饱和)下原状土和相同干密度下重塑饱和土的无侧限抗压强度,由式(1)定义的初始结构性参数,得出初始结构性参数mis随含水率的变化曲线如图5所示。黄土的初始结构性参数mis随含水量的增加而减小,说明湿度对黄土的初始结构性影响大,在较低含水率时(本文w=15%以下),初始结构性参数随含水量的增加迅速减小,初始结构势损失大,衰减大;在较高含水率时,初始结构性参数随含水量的增加而缓慢减小,初始结构势损失较小,衰减较缓慢。由于12，15，22，25 m黄土属于同一场地的土,且12，15 m属于Q3黄土,22，25 m属于Q2黄土,Q3黄土的初始结构性参数在不同含水率下大于Q2黄土的初始结构性参数,特别是在较低含水率下,两者差值幅度大,在较高含水率时两者差值较小。20 m黄土属于西安南郊场地土,两个场地由于土的生成环境、历史条件,土颗粒的矿物成分、形成年代等不同,导致土的初始结构性也不同,所以南郊的Q2黄土和月登阁的Q2黄土初始结构性参数差值较大。由于Q3黄土的架空空隙大,结构的颗粒排列特征即结构的可变性较大,较Q2黄土处于不稳定状态,遭到浸水破坏后,结构势损失大,初始结构性参数大,进一步说明Q3黄土比Q2黄土对水灵敏。
图5 mis-w关系曲线
4.2 初始结构性参数与塑限-含水率的关系
由于5种黄土的塑限wp平均在20%左右,从初始结构性参数mis与含水率w关系曲线看出:土的含水率大于等于塑限时,土的初始结构性参数小且随含水量的增大变化幅度小,对水灵敏度小；当土的含水率小于塑限时,土的初始结构性参数较大且随含水量的减小变化幅度大,土的初始结构性参数表现出大幅度增加,对水灵敏度高。从初始结构强度损失方面得出：含水率较小时,初始结构性参数随含水率的增加减小幅度大,初始结构强度损失也大;含水率较大时,初始结构性参数随含水率增加减小幅度小,初始结构强度损失也较小。
4.3 初始结构性参数与密度的关系
黄土的密度可以用干密度、孔隙比、孔隙率表示,本文通过初始结构性参数与干密度关系曲线来反映干密度对初始结构性的影响,如图6所示。初始结构性参数随干密度的增加而减小,在含水量较低时,初始结构性参数随干密度增加减小幅度大,对干密度敏感度高;在含水量较大时(图6-c)初始结构性参数随干密度增加减小缓慢,对干密度的敏感度低。在相同含水率下,干密度小的土,其初始结构性参数大,由于12，15 m黄土属于Q3黄土,Q3黄土的干密度小,孔隙比大,密实度低,土的颗粒联结特征对应的结构可稳性和颗粒排列特征对应的结构可变性均较强,其在加荷、浸水、扰动作用下,释放的综合结构势大,初始结构强度损失大,对应的初始结构性参数大;22，25，20 m黄土属于Q2黄土,干密度大,密实度大,颗粒间的空隙小,颗粒的联结强度低,且颗粒排列在颗粒联结丧失后处于较稳定状态,黄土的初始结构性较弱,对应的初始结构性参数小。在较低湿度下,干密度对黄土的初始结构性影响大;在较高湿度下,干密度对黄土的初始结构性影响小,称为次要影响因素,而含水量相对为主要因素。
图6 mis-ρd的关系曲线
4.4 初始结构性参数与稠度的关系
土的稠度可以用液性指数IL来表示,表明土的软硬状态(坚硬状态、塑性状态、流塑状态),土的稠度综合反映了土本身的粒度和湿度,土的初始结构性参数随液性指数的变化规律如图7所示。土的初始结构性参数随着液性指数的增大逐渐减小,液性指数较小即含水率w
5 结论
1) 黄土结构性参数的研究主要分为2种:一种是研究黄土在加荷作用下变形过程中结构性参数的变化规律,是动态变化的。一种是研究黄土初始结构性的定量化指标,是定值。
2) 运用谢定义教授提出的综合结构势思想,在干密度相同条件下,对重塑饱和土施加荷载可以使土的综合结构势充分释放出来,以原状土的无侧限抗压强度与重塑饱和土的无侧限抗压强度比值定义了一个反映黄土初始状态的初始结构性参数,该参数综合反映了土的颗粒联结特征和颗粒排列特征,即综合反映土的结构可稳性和结构可变性。
图7 mis-IL的关系曲线
3) 本文定义的初始结构性参数能够反映干密度、含水量、液塑性、塑性指数、稠度即液性指数对黄土初始结构性的影响,表现出很好的灵敏性、稳定性及合理性。
4) 原状黄土和重塑饱和土的无侧限抗压强度试验的应力-应变曲线均表现出软化型。
5) 初始结构性参数随含水量的增加而减小,随塑限与含水率差值的增加而增大,随干密度的增加逐渐减小,随液性指数的增加而减小。
6) 在相同条件下,Q3黄土的初始结构性参数比Q2黄土的初始结构性参数大。
7) 初始结构性参数与粒度、密度、湿度一起作为土的初始基本物性指标,在工程应用上具有很大的实用价值和发展潜力。
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(编辑：贾丽红)
Loess Initial Structural Index and Its Research
QIN Pengcheng1,2,SHAO Shengjun1,2,CHU Feng1,2,AN Zhongqiu1,2
(1.InstituteofGeotechnicalEngineering,Xi'anUniversityofTechnology,Xi'an710048,China;2.ShaanxiProvinceKeyLaboratoryofLoessMechanicsandEngineering,Xi'an710048,China)
Soil structural essence includes physical property indexes,Quantitative structural research deals with the study of the structural parameters of soil deformation processes under load,and the study of soil initial structural parameters.In this paper,on the basis of the release of comprehensive structure potential,the ratio of unconfined compressive strength of the undisturbed soil to the unconfined compressive strength of remolded saturated soil was obtained by unconfined compressive strength test,and used to define soil initial an index reflecting structure.Studies have shown that,the initial structural parameter can reflect the influence of dry density,water content,liquid plastic,plastic index,consistency (liquidity index) on the initial structure of loess,showing good sensitivity,stability and rationality.
comprehensive structure potential;remodeling saturated soil;unconfined comcompressive strength;initial structure
1007-9432(2015)06-0707-06
2015-06-05
国家自然科学基金资助项目：黄土的结构性力学特性及其变形与渐进破坏分析方法研究(41272320)；陕西省黄土力学与工程重点实验室重点科研计划项目(2010JS084)
秦鹏成(1987-)，男，河南林州人，硕士生，主要从事黄土力学与工程方面的研究工作，(E-mail)18292838583@163.com，(Tel)18292838583
邵生俊(1964-)，男，教授，博导，主要从事黄土力学、黄土动力学等研究。(E-mail)sjshao@xaut.edu.cn
TU43
A
10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.06.014
