湿压剪条件下黄土结构性演化特性研究

罗爱忠,邵生俊,方　娟,王思骅

(1 贵州工程应用技术学院 土木建筑工程学院,贵州 毕节 551700；2 西安理工大学 岩土工程研究所,陕西 西安 710048)



湿压剪条件下黄土结构性演化特性研究

罗爱忠1,2,邵生俊2,方娟1,王思骅1

(1 贵州工程应用技术学院 土木建筑工程学院,贵州 毕节 551700；2 西安理工大学 岩土工程研究所,陕西 西安 710048)

[摘要]【目的】 分析增湿及剪切条件下黄土结构性的演化发展特性。【方法】 在初始含水率为10%，15%，18%，22%，44%(饱和)以及固结围压为50，100，200，300 kPa条件下对黄土进行三轴剪切试验，测定并分析应力结构性参数、应力比结构性参数与综合应变的关系。【结果】 黄土应力结构性参数和应力比结构性参数均能够反映出在整个应力加载过程中压剪作用对土结构性渐变演化特性的影响。但是在初始剪切阶段应力结构性参数的变化规律受试验条件的影响相对较大，在低固结围压、低含水率情况下，应力结构性参数随着综合应变的增加总体呈现出先上升后下降，之后趋于稳定的变化趋势；在固结围压及含水率较高的情况下，应力结构性参数随着综合应变的增加而逐渐减小。在增湿及剪切条件下，应力比结构性参数随综合应变的增加呈现单调衰减的趋势，且二者之间的关系曲线光滑，规律性较强；应力比结构性参数与综合应变之间呈指数函数关系。【结论】 与应力结构性参数相比，应力比结构性参数能有效且完整地描述增湿和压剪应力作用下黄土结构性演化的整个过程。

[关键词]黄土；结构性；演化特征；增湿压剪；本构模型

土中颗粒的组成、颗粒的排列与组合、颗粒间的作用力导致了天然沉积黏土形成了不同的结构，土结构性的存在，对土的强度、渗透性及宏观应力应变特性带来很大的影响，这种土结构性对其力学特性的影响首先被Terzaghi[1]所认识。黄土属于一种典型的非饱和结构性土，由于其特殊的环境及沉积历史，其结构性宏观力学特性显示出了与一般结构性土所不同的性质。为了研究黄土变形过程中其结构性的变化，谢定义等[2]通过侧限压缩试验研究了增湿及压缩应力条件下土结构性发展的变化规律。但在岩土工程中，土结构破坏一般是以剪切破坏为主，在黄土结构性剪切破坏的过程中，将土的结构性定量化有助于分析结构性变化对土宏观力学行为及变形性状的影响。针对黄土在各种应力状态下的结构性演变特性，邵生俊等[3]、冯志焱[4]分别提出用构度参数和静力触探结构性参数描述土体的初始结构性，谢定义等[5]、邵生俊等[6-7]、邓国华等[8]、陈存礼等[9]、骆亚生等[10]分别提出了用应变结构性参数、应力结构性参数、应力比结构性参数、孔隙比结构性参数等来描述结构性黄土的损伤演化过程。笔者针对结构性对黄土力学特性的影响也展开了相关的研究[11-15]。

在土体结构性的研究中，人们将其分为初始结构性、加载结构性来研究，这种研究方法在一定程度上得到了简化，但对于土结构性的连续发展规律解释不足。本研究采用三轴剪切试验，分析不同含水率和固结围压条件下黄土应力结构性参数、应力比结构性参数与综合应变的关系，探讨湿压剪条件下黄土结构性的演化特性。

1黄土结构性演变特性分析

1.1研究方案及黄土的基本物理特性

为了研究黄土的结构性在湿压、湿剪和压剪等外部环境变化下的渐变演化规律，寻求一个能直接反映初始到变形全过程结构性本质的综合结构势参数，使它与土的变形-强度-结构性规律相联系，本研究采用三轴剪切试验进行分析。试验黄土的基本物理特性如表1所示。试验土样的含水率(w)分别控制为10%，15%，18%，22%，44%(饱和)；试验固结围压(σc)分别设置为50，100，200，300 kPa。

表 1　供试黄土的基本物理性质

1.2黄土的应力结构性参数及应力比结构性参数的变化规律

为了反映湿压、湿剪、压剪等对结构性土强度及变形的综合影响，采用由体应变和剪应变确定的综合应变，从而建立结构性参数与综合应变的关系。综合应变定义如下：

(1)

式中：εD为综合应变，εv为体应变，εs为剪应变。

1.2.1应力结构性参数与综合应变的关系综合结构势的核心是将黄土原生结构的损伤和次生结构的生成结合起来，通过原状土、重塑土及饱和土之间的力学差异来反映土结构的可稳性和可变性。邵生俊等[3]提出的应力结构性参数以三轴试验为基础，考虑了三轴应力路径中剪切应力的作用对土结构性的影响，根据综合结构势中结构可稳性和可变性的2个方面，将应力结构性参数定义为：

(2)

式中：mσ为应力结构性参数，m1表征结构可变性，m2表征结构可稳性，q0、qr和qs分别为同一综合应变εD所对应的原状黄土、重塑黄土及饱和黄土的剪应力。

依据式(2)，根据文献[11]的数据，得到黄土不同固结围压(σc)及含水率(w)条件下的应力结构性参数与综合应变的关系如图1所示。由图1可以看出，应力结构性参数能够反映出整个应力加载过程中压剪作用对土结构渐变演化特性的影响，黄土的应力结构性参数与综合应变的关系具有一定的规律性，但是在剪切初始阶段，应力结构性参数变化受试验条件的影响相对较大。在低固结围压、低含水率情况下，在较小综合应变的范围(εD小于2%)，应力结构性参数随着综合应变的增加总体呈现一个近似线性增长的过程，达到某一峰值后，随着综合应变的继续增加，应力结构性参数急剧下降。在固结围压及含水率较高的情况下，由于初始湿度及固结围压对土体结构的影响，在剪切过程中应力结构性参数变化的规律性不明显，但总体上来看，应力结构性参数随着综合应变的增加而逐渐减小。

图 1　不同含水率(w)及固结围压(σc)条件下黄土应力结构性参数与综合应变的关系

由图1还可以看出，含水率是应力结构性参数变化发展的关键性因素。含水率对应力结构性参数的衰减变化具有一定的影响。随着含水率的增大，应力结构性参数出现统一的衰减。这与以往人们对黄土水敏性特性的研究结论一致[5]。

1.2.2应力比结构性参数与综合应变的关系由于应力结构性参数只考虑了三轴应力路径中，剪切应力的发展对土结构性的影响，而对于土材料而言，球应力的作用同样会引起土结构的损伤，甚至于会发生破坏。另外，用应力结构性参数来反映土结构性的损伤演化发展时，随着剪切变形的发展，结构性损伤演化曲线出现了先增长后减小的现象。基于这样的认识，邓国华等[8]提出了应力比结构性参数的概念，应力比实际上表征了三轴剪切过程中单位球应力所对应的剪应力的大小，反映了单位球应力作用下土结构抵抗外部荷载的能力。随着应力比的增大，单位球应力作用下土结构抵抗外部荷载的能力增大，土体抵抗变形的能力也随之增强。应力比结构性参数的定义为：

(3)

式中：mη为应力比结构性参数，m1表征结构可变性，m2表征结构可稳性，η0、ηr和ηs分别为同一综合应变εD所对应的原状黄土、重塑黄土及饱和黄土的应力比。

在一般三轴应力条件下，土结构的损伤演化不仅与土所受的剪应力相关，还与其所受的球应力相关，依据式(3)，整理的黄土不同固结围压及含水率条件下的应力比结构性参数与综合应变的关系如图2所示。

图 2　不同含水率(w)及固结围压(σc)条件下黄土应力比结构性参数与综合应变的关系

建立应力比结构性参数时不仅要考虑三轴压缩过程中剪切应力对土结构性渐变演化发展的作用，同时也应该考虑球应力对土结构渐变演化发展的影响。采用剪应力与球应力的比值(应力比)来反映其综合影响，这种方法对剪切过程中土结构性的变化规律描述具有一定的优越性和合理性，在变形上考虑了体积应变与剪切应变对结构性参数的影响后，所建立的应力比结构性参数与定义的综合应变之间的关系，其更能反映出各种应力路径变化过程中压剪、湿剪、湿压等作用对土结构性发展渐变演化特性的影响。

基于剪应力的应力结构性参数在描述土三轴剪切过程中结构性损伤演化规律时出现一个峰值，该点所代表的意义与实际剪切过程中结构性演化有所不符，也与当前人们对土结构性的认识规律不相符；此外，土的剪切过程实际上是土承受球应力和剪应力共同作用的过程，而应力比刚好又表征了单位球应力条件下剪应力，在偏平面上可以表征土的抵抗外部荷载作用及其结构的渐进破坏程度；综合应变的发生从定性上来讲对土结构的损伤实际上是一个衰减的过程。由图2可知，在增湿及剪切应力条件下，应力比结构性参数随综合应变的增加呈现递减的趋势，且曲线光滑，规律性较强。总体而言，在描述黄土的湿压、湿剪及压剪作用过程中土的结构损伤变化规律时，应力比结构性参数与综合应变的关系具有一定的优势，这样一个单调衰减的过程有助于在土体结构性与强度变形关系的研究中对土在任意的应力状态下进行定量化，从而对土体任意时刻外部荷载作用过程中的渐进破坏程度进行定量的分析研究，从而为实践中工程结构及地基边坡土体稳定性量化的研究提供指导作用。

1.3应力比结构性参数的数学描述

综合以上分析可以看出，与应力结构性参数相比，采用应力比结构性参数与综合应变之间的关系来描述土结构损伤演化规律具有较大的优势。 依据三轴压缩应力条件下应力比结构性参数与综合应变的试验分析关系，建立了黄土的应力比结构性参数与含水率、综合应变之间的数学描述，其关系可以用下式表示：

mη=f(w,εD)。

(4)

式中：mη为应力比结构性参数，w为初始含水率，εD为综合应变。

根据应力比结构性参数(mη)与综合应变(εD)之间的变化规律，可以得到二者之间的关系式：

mη=a1exp(-b1εD)+c1。

(5)

式中：εD为综合应变，a1、b1和c1为与含水率及土类相关的参数。

依据图2可得到不同含水率下黄土的a1、b1和c1，绘制黄土参数a1、b1和c1与含水率的关系图，结果见图3。从图3可以看出，对于黄土，参数a1和c1都随着含水率的增大呈现递减的趋势，而参数b1随着含水率的增加呈递增的趋势。在不同含水率和固结围压下，应力结构性参数曲线变化有差异，但总体呈降低趋势，这说明了随着综合应变的发展，剪切过程中黄土的结构性损伤演化变化趋势是相同的，所不同的恰恰是变化衰减比例的不同。c1一定程度上代表了黄土的初始结构性大小，可以看出，对于湿陷性黄土，增湿对其结构性的影响有一致性，也说明了湿度的变化是土结构性渐变演化发展变化的一个重要方面。

图 3　参数a1、b1、c1与黄土含水率的关系

依据图3的分析结果，可以得到对于不同的黄土，参数a1、b1及c1可以通过如下的关系式进行计算：

a1=-0.436 3w+17.974，

(6)

b1=0.162 0w-0.933 1，

(7)

c1=-0.104 9w+3.981 1。

(8)

2应力比结构性参数的有效性与完整性分析

2.1应力比结构性参数预测的有效性

依据应力比结构性参数随综合应变变化发展的规律，以及相应的数学描述和相关参数变化规律，运用式(5)给出的拟合公式，预测分析了黄土的结构性参数演化规律，结果如图4所示。从图4可以看出，式(5)所描述的应力比结构性参数随综合应变增加而变化的规律与试验结果完全一致。表明应力比结构性参数预测有一定的有效性。

2.2应力比结构性参数描述土结构性的完整性

黄土本身的颗粒性状、孔隙性状、湿度状态及组成物矿物成分等因素的不同，使得土体具有不同的原生结构，因而也就具有不同的初始结构性。应力比结构性参数不仅可以反映加载过程中的土体结构性变化发展，也可以描述土结构性的完整性，将初始结构性与变形全过程中的结构性联系起来。

图 4不同含水率黄土应力比结构性参数与

综合应变的关系预测

Fig.4Simulation curves of stress ratio structural

parameter under different water contents

依据应力比结构性参数描述加载过程中土结构性演化发展的合理性及准确性，以及建立的应力比结构性参数(mη)与综合应变(εD)的关系式(5)，在初始综合应变为0时，确定的应力比结构性参数具有一定的物理意义，换言之如果式(5)中令初始应变为0，就可以得到该种土的初始结构性。由式(5)计算可知，当综合应变等于0时，含水率为10%，15%，18%，22%黄土对应的初始应力比结构性参数分别为16.686，13.855，11.754，10.348。由图5可以看出，黄土的应力比结构性参数初始值(mη 0)随含水率的增加而降低，黄土的应力比结构性参数初始值与含水率之间呈良好的线性关系，可以通过如下的关系式描述：

mη 0=a2w+b2。

(9)

式中：a2和b2为与材料相关的参数，不同的区域黄土材料的参数不同，本研究中黄土的材料参数a2和b2取值分别为-0.541 2，0.219 6。

图 5　黄土应力比结构性参数初始值与含水率的关系

3结论

1)基于结构性黄土的常规三轴试验数据，提出了综合应变的概念，并给出了相应的定义。

2)通过比较应力结构性参数与应力比结构性参数在描述土结构性损伤演化特性时的不同，论证了通过应力比结构性参数与综合应变之间的关系在描述土结构性渐变演化特性时具有优越性，并建立了应力比结构性参数与综合应变之间的关系式。

3)通过经验公式预测，验证了应力比结构性参数描述黄土结构性损伤演化特性的有效性及完整性。

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Structural evolution of collapse loess under moisture and compression-shearing stress

LUO Ai-zhong1,2，SHAO Sheng-jun2，FANG Juan1，WANG Si-hua1

(1SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,GuizhouUniversityofEngineeringScience,Bijie,GuiZhou551700,China;2InstituteofGeotechnicalEngineering,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi710048,China)

Abstract:【Objective】 This study analyzed the structural development process of collapse loess under moisture and compression-shearing stress.【Method】 The tri-axial shearing tests of collapse loess were carried out with initial water contents of 10%,15%,18%,22%,and 44% (saturation),and confining pressures of 50,100,200,and 300 kPa.The stress structural parameter,stress ratio structural parameter and comprehensive strain were measured and their relationships were analyzed.【Result】 The structural evolution of loess was reflected by stress structural parameter and stress ratio structural parameter.But stress structural parameter was significantly affected by experimental condition at the initial loading stage.When the pressure and water content were low,stress structural parameter increased firstly before decreasing to a stable level as the increase of stress.When the pressure and water content were high,stress structural parameter decreased as the increase of stress.Stress ratio structural parameter decreased as the increase of stress and the relationship curve was smooth with strong regularity.There was an exponential relationship between stress ratio structural parameter and compressive strain.【Conclusion】 Stress ratio structural parameter provided a complete description of the throughout structural development process under moisture and compression-shearing.

Key words:loess;structural;development evolution law;moisture and compression-shearing;constitutive model

DOI：网络出版时间:2016-01-0810:2210.13207/j.cnki.jnwafu.2016.02.032

[收稿日期]2014-06-17

[基金项目]国家自然科学基金项目(41272320)；贵州省自然科学基金项目(黔科合J字LKB[2012]13号)；贵州省教育厅自然科学重点项目(黔教合KY字[2013]179)

[作者简介]罗爱忠(1980-)，男，贵州毕节人，副教授，博士，主要从事岩土力学及岩土工程防灾减灾与防护研究。

[中图分类号]TU41

[文献标志码]A

[文章编号]1671-9387(2016)02-0228-07

E-mail:aizhongluo@126.com