基于强度条件的黄土结构性静力试验研究

田堪良，张慧莉，马 俊

（1.西北农林科技大学 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；2.中国科学院水利部 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；3.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；4.中国石油天然气股份有限公司西气东输管道分公司，上海 200122）

1 引 言

土体的结构是其强度、变形的内在决定因素。土的结构性对其工程性质的重要性已成为共识，沈珠江[1]认为，土结构性的研究是“21世纪土力学的核心问题”。黄土是一种典型的结构性土，其独特的结构性是其发生脆性破坏、湿陷的重要原因。为了探究黄土结构性对其力学特性的影响，许多学者也做了大量工作，高国瑞[2－4]研究指出，黄土中存在架空大孔隙是黄土具有湿陷性的内在原因。苗天德[5]、王兰民[6]和陈正汉[7]等采用电子显微镜、数字扫描电境和CT成像技术对黄土的微观结构变化和力学宏观表现进行了研究。近年来，许多研究者采用土力学的方法研究黄土的结构性，取得了丰硕的成果。谢定义等[8－10]研究者先后提出了反映黄土结构性的定量化参数，并将其引入土的变形本构关系和强度本构关系，使结构性土的研究具有了新的特色。邵生俊等[11－12]通过三轴试验，由原状土、重塑土和饱和土的主应力差比值提出了另一种结构性参数，并将结构性参数引入到原状黄土应力-应变关系分析中，建立了非饱和湿陷性黄土的本构模型。陈存礼等[13]根据同压力下原状、重塑及饱和黄土的孔隙比定义了一个结构性定量参数，并通过试验研究了原状黄土的结构性随压力及含水率变化的规律性。骆亚生等[14－15]基于三轴试验提出了反映黄土结构性的应变综合结构势参数，建立了对应于复杂应力条件的土结构性本构模型。

笔者在文献[16]中提出黄土颗粒之间的力由两种力组成，一种是联结力，属于短程力，包括土颗粒之间化学胶结力、分子引力以及吸力，这些力形成了黄土的联结结构强度；另一种力是摩擦力，属于远程力，是土体受力时土颗粒之间的联结力被克服后有相互错动、移位、重新排列的运动或趋势时才产生的阻止土体变形的力，包括颗粒之间的摩擦力、咬合力，这种力形成了黄土的摩擦结构强度，黄土的结构强度就是由联结结构强度和摩擦结构强度组成的。并提出了黄土联结结构强度、摩擦结构强度、压密强度以及压密变形的定量化概念。本文将在此基础上从强度的角度定量分析黄土的结构性，提出定量描述黄土结构性的基于强度条件的黄土静力结构性参数，通过三轴试验研究黄土的结构性及其变化规律。

2 基于强度条件的黄土静力结构性参数

黄土的结构性强弱可以通过结构破坏、弱化后强度变化的大小反映出来，因此，可通过原状黄土、重塑黄土及饱和重塑黄土静三轴试验得出的强度差异来分析原状黄土的结构性。

图1为原状黄土、重塑黄土和饱和重塑黄土静三轴试验应力-应变曲线，qo、qr及qs分别为某一应变ε时原状黄土、重塑黄土和饱和重塑黄土的强度值（σ1-σ3）。相同应变ε时，原状黄土的强度值qo最大，饱和重塑黄土的强度值qs最小。（qoqr）的大小反映了原状黄土的联结结构的强弱，以mε1=(qo-qr)/qs来反映原状黄土联结结构的强弱，称之为黄土的联结结构静力强度势参数。m1ε越大，表明原状黄土的联结结构性愈强，联结结构被完全扰动破坏后的强度损失越大，因此，m1ε反映了黄土联结结构所蕴藏的结构强度势。

(qr-qs)的大小反映了重塑黄土遇水后结构的弱化和结构强度的损失。可以 mε2=(qr-qs)/qs来表示重塑黄土摩擦结构性的强弱，称之为黄土的摩擦结构静力强度势参数。mε2越大，表明重塑黄土的摩擦结构性愈强，摩擦结构遇水弱化后强度损失越大，因此，mε2反映了黄土摩擦结构所蕴藏的静力强度势。

黄土所蕴藏的联结结构势和摩擦结构势之和即为黄土所蕴藏的总的结构势，可以用黄土的联结结构静力强度势和摩擦结构静力强度势之和即mε=mε1+mε2来反映黄土所蕴藏的总的结构强度势，称之为黄土的结构静力强度势参数。mε既包含了黄土的联结结构静力强度势，又包含了黄土的摩擦结构静力强度势，综合反映了黄土结构性的强弱，可作为一个定量描述黄土结构性的参数。

图1 原状黄土、重塑黄土和饱和重塑三轴试验应力-应变曲线Fig.1 Stress-strain curves of intact loess,remolded loess and saturated remolded loess

3 试验土样与试验方法

试验所用黄土土样均取自陕西杨凌的渭河Ⅱ级阶地，取土深度为3.5～4.0 m，属于Q3黄土。试验土样的物理性质指标见表1。

试样分为原状试样、重塑试样和水泥结构性试样，重塑试样和水泥结构性试样分为3种干密度：1.26、1.4、1.5 g/cm3，采用分层压样法制备，对应的饱和含水率分别为42.5%、34.5%、29.8%，用水膜转移法或风干法按要求调节试样的含水率，饱和样采用抽气饱和的方法进行饱和。

试验采用固结不排水（测孔隙压力CU），剪切速率为每分钟应变为0.3%。

4 基于强度条件的黄土结构性分析

4.1 黄土联结结构静力强度势分析

图2所示分别为不同含水率ω的原状黄土和水泥人工结构性黄土的联结结构静力强度势参数曲线。从图中可以看出：①随着应变的增大，原状黄土和水泥人工结构性黄土的联结结构静力强度势参数在小应变（ε1＜3%）时快速减小，应变较大时减小速度放缓，最后趋于平稳，表明联结结构在受力初期损伤破坏比较快、比较大，也表明原状黄土和水泥人工结构性黄土的结构损伤破坏主要发生在小应变阶段即应变ε1＜3%的阶段，三轴应力条件下在较小的荷载作用下黄土的联结结构就很容易被损伤破坏；②在同一含水率下不同围压的联结结构静力强度势参数曲线均处在一较窄的条带范围内即联结结构静力强度势参数数值比较接近，表明联结结构静力强度势参数受围压的影响较小，本文所提出的联结结构静力强度势参数对不同围压有较好的归一性。

图3所示为原状黄土与人工结构性黄土联结结构静力强度势参数平均值（4个围压的平均值）曲线。由图可以看出：含水率为ω=17.8%的不同密度和水泥含量的人工结构性黄土的联结结构静力强度势参数曲线与含水率为ω=17.8%及ω=26%的原状黄土的联结结构静力强度势参数曲线具有相似的形态，而且人工结构性黄土的联结结构静力强度势参数曲线基本上均处在这两条原状黄土联结结构静力强度势参数曲线之间，这表明采用水泥作为胶结材料模拟原状黄土的联结结构强度是可行的。

表2为不同状态下黄土的联结结构静力强度势参数mε1的最大值（4个围压的平均值曲线的最大值）。可以看出，不同含水率时原状土的联结结构静力强度势参数存在明显差异，含水率越小，联结结构静力强度势参数越大，表明，含水率是影响黄土联结结构静力强度的主要因素，含水率越小，联结结构性越强；相同含水率条件下，干密度为ρd=1.26 g/cm3时，人工结构性黄土的联结结构静力强度势参数mε1随水泥含量的增加而增大，表明，水泥含量越高，土颗粒之间的胶结力越强，黄土的联结结构性越强。

Fig.2 黄土联结结构静力强度势参数曲线(ρd= 1.26 g/cm3)Fig.2 Curves of link structural static strength potential parameter for loess (ρd= 1.26 g/cm3)

图3 原状黄土与人工结构性黄土联结结构静力强度势参数(平均值)曲线Fig.3 Curves of link structural static strength potential parameter (averages) for intact loess and artificial structural loess

表2 黄土联结结构静力强度势参数mε1的最大值Table2 Maximum values of mε1

4.2 黄土摩擦结构静力强度势分析

图4所示分别为不同含水率的原状黄土的摩擦结构静力强度势参数曲线。从图中可以看出：① 当含水率很小（ω=5%）时，随着应变的增大，黄土的摩擦结构静力强度势参数在小应变（1ε＜1%）时快速增加，达到峰值后，随着应变的增大又快速减小，当应变1ε＞5%后减小速度放缓、最后趋于平稳。这是由含水率很小时，黄土颗粒之间的摩擦力很大，摩擦强度也很大，在较小的力作用下结构难以被破坏，随着轴力的增大，结构才逐渐损伤破坏，摩擦结构强度才逐渐发挥出来，摩擦结构静力强度势参数mε2也逐渐达到最大。随后，摩擦结构的不断损伤破坏，摩擦结构静力强度势参数mε2开始减小，并趋于平稳。②当含水率较大（ω=17.8%）时，摩擦结构静力强度势参数随着应变的增加由小应变时的逐渐减小到趋于平稳，再到后来略有增大。这表明当含水率较大时，黄土的摩擦结构强度较小，在小应变（轴向力较小）时，摩擦结构损伤破坏快速较大，摩擦结构静力强度势参数随着应变的增加减小较快，随着颗粒的相互错动、重新排列，形成了新的相对更加稳定的摩擦结构，摩擦结构的损伤破坏速度放缓，摩擦结构静力强度势参数趋于平稳，但随着应变的增大，轴向力也不断增大，新的摩擦结构又被逐渐损伤破坏，破坏速度也略有增加，所以，摩擦结构静力强度势参数又随应变的增大逐渐略有增大。③同一含水率下不同围压的摩擦结构静力强度势参数曲线同样均处在一较窄的条带范围内即摩擦结构静力强度势参数数值比较接近，表明摩擦结构静力强度势参数受围压的影响较小，本文所提出的摩擦结构静力强度势参数对不同围压有较好的归一性。

图5为不同含水率的重塑黄土的摩擦结构静力强度势参数平均值（4个围压的平均值）曲线。可以看出：不同含水率时重塑黄土的摩擦结构静力强度势参数存在明显差异，含水率越小，摩擦结构静力强度势参数越大；摩擦结构静力强度势参数在小应变时差值较大，随着应变的增加差值减小，且趋于平稳。这表明，含水率同样也是影响黄土摩擦结构强度的主要因素，含水率越小，摩擦结构强度越大，摩擦结构性越强。

图4 重塑黄土摩擦结构静力强度势参数曲线(ρd=1.26 g/cm3）Fig.4 Curves of friction structural static strength potential parameter for remolded loess (ρd=1.26 g/cm3)

图5 不同含水率重塑黄土摩擦结构静力强度势参数平均值曲线（ρd=1.26 g/cm3）Fig.5 Curves of friction structural static strength potential parameter for remolded loess under different water contents (ρd=1.26 g/cm3)

4.3 黄土结构静力强度势分析

图6(a)、6(b)分别为不同含水率条件下的原状黄土结构静力强度势参数曲线。从图中可以看出：①随着应变的增大，原状黄土的结构静力强度势参数在小应变（ε1＜4%）时快速减小，应变较大时减小速度放缓，最后趋于平稳。这表明：黄土结构的损伤破坏主要发生在小应变阶段，结构损伤破坏的速度随着应变的增加逐渐减缓，结构性逐渐减弱。②同一含水率、不同围压下原状黄土结构静力强度势参数曲线同样均处在一较窄的条带范围内即结构静力强度势参数数值比较接近，表明结构静力强度势参数受围压的影响较小，本文所提出的结构静力强度势参数对不同围压有较好的归一性，显示出较好的稳定性。

图6(c)为水泥人工结构性黄土的结构静力强度势参数曲线。可以看出：随着应变的增大，结构静力强度势参数mε在小应变（ε1＜2%）时快速减小，应变较大时减小速度放缓，最后略有增加，这种后期略有增大的趋势也是由于摩擦结构静力强度势参数的变化趋势所引起的。②不同周围压力下人工结构性黄土的结构静力强度势参数曲线同样均处在一较窄的条带范围内（除σ3=100 kPa的结构静力强度势参数曲线稍高外）即结构静力强度势参数数值比较接近。表明水泥人工结构性黄土的结构静力强度势参数对不同围压有较好的归一性，同样显示出较好的稳定性。

图7为原状黄土与人工结构性黄土的结构静力强度势参数平均值（4个围压的平均值）曲线。可以看出：含水率为ω=17.8%的不同密度和水泥含量的人工结构性黄土的结构静力强度势参数曲线与含水率为ω=17.8%及ω=26%的原状黄土的结构静力强度势参数曲线具有相似的形态，而且两个含水率条件的原状黄土的结构静力强度势参数曲线处在人工结构性黄土的结构静力强度势参数曲线所在的条带内，表明采用水泥作为胶结材料模拟原状黄土的结构性是可行的。

图7 原状黄土与人工结构性黄土（ω = 17.8%）结构静力强度势参数平均值曲线Fig.7 Curves of structural static strength potential parameter (average) for intact loess and artificial structural loess (ω = 17.8%)

表3为不同状态下黄土的结构静力强度势参数mε的最大值（4个围压的平均值曲线的峰值）。从表中可以看出：①含水率是影响黄土结构强度的主要因素，含水率越小，结构强度越大，结构性越强。②相同含水率条件下，干密度为ρd=1.26 g/cm3时，人工结构性黄土的结构静力强度势参数mε随着水泥含量的增加而增大，表明水泥含量越高，土颗粒之间的胶结力越强，土的结构性越强，结构静力强度势参数mε的值就越大。

不同围压下某一应变时的黄土的结构静力强度势参数能够准确反映该状态下结构损伤破坏后结构强度的损失变化趋势；某一状态下黄土的结构静力强度势参数的最大值能够代表黄土结构性的强弱，mε值越大，表明黄土的结构性越强。

表3 黄土结构静力强度势参数mε的最大值Table3 Maximum values of mε

5 基于强度条件的黄土静力结构性参数的讨论

基于强度条件的黄土结构性参数是通过黄土结构损伤破坏后土体强度损失的大小来反映黄土结构性强弱的。在力的作用下或在力与水的共同作用下，黄土的结构会被损伤破坏、弱化，土体的强度就会损失（减小），这部分损失或减小的强度就是联结结构强度和摩擦结构强度。由于土体的强度、结构强度均与土体的应力状态有关，主要受围压的影响，因此，为了准确反映黄土结构性强弱，基于强度条件的黄土结构性参数均采用相同压力状态下饱和重塑黄土的强度（压密强度）作为标尺来衡量黄土结构损伤破坏、弱化后土体强度损失的大小，即通过黄土的联结结构静力强度势参数mε1来反映黄土联结结构性的强弱、通过黄土的摩擦结构静力强度势参数mε2来反映黄土摩擦结构性的强弱、通过黄土的结构静力强度势参数mε来综合反映黄土结构性的强弱。饱和重塑黄土的强度最小、最稳定，正是由于采用了饱和重塑黄土的强度（压密强度）作为标尺，才使得相同状态的黄土在不同围压下所得到的基于强度条件的黄土结构性参数具有较好一致性、稳定性。

6 结 论

（1）原状黄土的含水率越小，黄土颗粒之间的联结力和摩擦力均越大，联结结构静力强度势参数mε1、摩擦结构静力强度势参数mε2以及结构静力强度势参数mε均越大，其结构性越强；结构性越强，结构破坏后土体强度损失越大，反之，越小。

（2）黄土结构的损伤破坏主要发生在小应变阶段，随着应变的增加结构损伤破坏的速度逐渐放缓，因此，结构性参数开始减小较快，最后逐渐趋于平稳或略有增大。

（3）人工结构性黄土的结构静力强度势参数mε随着水泥含量的增加而增大，表明水泥含量越高，土颗粒之间的胶结力越强，土的结构性越强，结构静力强度势参数mε的值就越大。

（4）采用水泥作为胶结材料，通过调节人工结构性黄土的水泥含量和含水率来模拟原状黄土的结构性是可行的。

（5）基于强度条件的黄土结构性参数对不同围压有较好的归一性，显示出较好的稳定性。

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