重塑黄土的加载速率效应研究

魏宝华, 邓亚虹，孙 璇，慕焕东

(1.苏交科集团(甘肃)交通规划设计有限公司， 甘肃 兰州 730010；2.长安大学地质工程与测绘学院， 陕西 西安 710054；3.长安大学国土资源部岩土工程开放研究实验室，陕西 西安 710054；4.西北水利水电工程有限责任公司，陕西 西安 710065；5.西安理工大学，陕西 西安 710054)

重塑黄土的加载速率效应研究

魏宝华1,2, 邓亚虹2,3，孙 璇2,4，慕焕东5

(1.苏交科集团(甘肃)交通规划设计有限公司， 甘肃 兰州 730010；2.长安大学地质工程与测绘学院， 陕西 西安 710054；3.长安大学国土资源部岩土工程开放研究实验室，陕西 西安 710054；4.西北水利水电工程有限责任公司，陕西 西安 710065；5.西安理工大学，陕西 西安 710054)

为了揭示不同加载速率条件下重塑土的变形与强度特性对工程实践的影响，通过不同围压、含水率条件下重塑土样在4种加载速率条件下的三轴CU试验，对重塑土在不同状态下的加载速率效应进行分析，并从土的结构性入手对其与原状土加载速率效应的差异进行讨论。基于重塑土样的三轴试验成果，得到了加载速率对重塑土变形与力学特性的影响规律：重塑土的应力-应变曲线在不同加载速率条件下均表现出应变硬化特性；破坏强度随着加载速率的增大而表现出先增大后减小的特性，存在临界加载速率；随着加载速率的增大，黏聚力c先增大后减小，也存在临界加载速率，而内摩擦角φ则保持了小幅减小的趋势。

加载速率；重塑土；土的结构性；破坏强度；临界加载速率

加载速率效应可以认为是加载速率对于材料应力-应变特性的影响，对土的加载速率效应的普遍认知是随着加载速率的增大，土体的应力-应变曲线上移，刚度增大[1]。土体加载速率效应中的速率分为三类[2～4]：一类是非常快的加载速率变化过程或者在极短的时间内完成加载过程，这种情况主要针对土的动力或者瞬时强度问题；第二类是常规的加载速率变化范围，主要考虑土的排水是否顺畅情况对强度的影响；第三类则是很慢的加载速率或者一定范围内的时间停滞，主要考虑土的流变强度与土强度的时效性。

对于土的加载速率效应，国内外已有一定的研究成果[5～15]，其侧重点多集中在第一类加载速率效应和砂土与黏土的第二类加载速率效应。研究认为：在第一类加载速率条件下，土的刚度、强度均随着加载速率的增大表现出单调增加的特性；砂土与黏土在第二类加载速率条件下，刚度与强度的加载速率效应并不是一个单调的变化过程，而是存在一个临界加载速率。

对于黄土的加载速率效应，邓亚虹等[16]通过对不同状态下的西安原状黄土进行不同加载速率条件下的三轴CU试验，认为随着加载速率的增大原状黄土的刚度、强度以及黏聚力c均表现出先增大后减小的规律，存在一个临界加载速率；内摩擦角φ则单调减小；与此同时低围压、低含水率和高加载速率条件下原状黄土应力-应变曲线更易表现出应变软化现象。

随着西部大开发战略的进一步实施，黄土地区的工程建设日新月异，机场、地铁、高等级公路等项目不断上马，在此大背景下黄土的工程性质越来越为人们所重视。这其中大量的填方工程都就地取材使用黄土，施工时的施工速度以及排水条件在日益复杂的施工环境下已经成为最常见、最重要的考虑因素，因此对重塑黄土进行第二类加载速率效应的研究显得很有必要。本文基于不同条件下重塑黄土的三轴CU试验结果，讨论了加载速率对重塑黄土变形与强度特性的影响规律，同时结合前期原状黄土的成果[16]，从土的结构性着手对两者所表现出的差异进行了对比分析。

1 土的结构性

谢定义等[17]通过长期对土结构性的研究，认为所谓土的结构性，就是土的结构抵抗外力作用不被破坏，以及一旦遭到破坏所表现出的力学效应，也是对土骨架的加固作用保持结构不变和结构不能抵抗外力作用后调整的演变的性能。土结构性的上述特性可以分别从土颗粒的联结和排列两个方面来反应，结构的联结特征称为结构的可稳性，结构的排列特征称为结构的可变性。一般认为土体在扰动、加荷或者浸水之后，其结构可稳性会逐渐丧失，与此同时其可变性会伴随发挥。结构可稳性较大而可变性相对较小的土在受力过程中易表现出应变软化的性质，反之则易表现出应变硬化的性质。

2 试验设计

2.1试样基本物理指标

本次试验所用土样取自西安市大雁塔附近某场地基坑，取土深度9.0～9.5 m，土性为黄土，褐黄色、孔隙发育、含有钙膜以及零星结核。通过基本土工试验[18]得到土样的基本物理力学指标如表1所示。

表1 土样基本物理指标Table 1 Physical properties of the sample

2.2试验方案

试验仪器采用南京土壤仪器厂生产的SLB-1型应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪，该仪器可以进行等应力、等应变控制的UU、CU、CD等试验。在试验过程中，计算机可以实时绘制曲线，并保存数据以备分析。

本次试验方案结合前期原状土的试验方案，考虑不同状态下土力学特性的差异，设计3个含水率(17%，20%，23.5%)。考虑到工程实际可能涉及的加载速率范围以及试验仪器的限制因素，设计4个加载速率(0.125，0.25，1.25，2.5%/min)。考虑到工程实际情况的影响深度范围，设计3个围压(100，200，300 kPa)的试验方案共计36个。按照原状土的天然干密度分别制作3种含水率的重塑土样，在保湿皿中静置24 h养护使其内部水分散布均匀，试样规格为39.1 mm圆柱样。对上述试样分别进行三轴CU试验，来进行加载速率对重塑黄土变形与强度特性影响的研究。

3 试验结果与分析

3.1应力-应变曲线

图1～图3是根据试验结果绘制的不同试样的应力-应变曲线，由于试样的破坏模式一致，限于篇幅，仅展示围压100 kPa、含水率23.5%时试样的破坏形态，如图4所示。

图1 含水率23.5%试样应力-应变曲线Fig.1 Stress-strain curve for water content of 23.5%

图2 含水率20%试样应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curve for water content of 20%

图3 含水率17%试样应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curve for water content of 17%

图4 含水率23.5%、围压100 kPa试样破坏形态Fig.4 Damage pattern for water content of 23.5% and confining pressure of 100 kPa

由应力-应变曲线可以看出，与原状土试验成果[16]一致，重塑土的刚度在本次试验条件下随着加载速率的增大亦表现出先增大后减小的规律，应力-应变曲线先上移随后下移，存在一个临界加载速率；并且随着围压的增大，曲线变密，加载速率的影响降低。但是，重塑土的应力-应变曲线在试验条件下均表现出应变硬化的特性，没有明显的峰值，对应于此所有的试样均呈现“塑性鼓胀破坏”模式，没有明显的宏观破裂面，这与原状土在低围压、低含水率、高加载速率条件下应力-应变曲线呈现应变软化，对应试样为剪切破坏明显不同。

两者出现上述差异，主要是由于原状土与重塑土两者结构性的不同。对于原状土而言，其可稳性与可变性同时存在，在不同条件下两者之间的不同发挥程度决定了应力-应变曲线的形态；对于重塑土而言，其可稳性相对较小，结构性主要由可变性来承担。原状土在低围压、低含水率、高加载速率的试验条件下，其可稳性得到了较大程度的发挥，相对应的可变性受到一定程度的抑制，故而应力-应变曲线表现出应变软化的形态；重塑土的结构性主要是可变性承担，因而在各种试验条件下其应力-应变曲线均为应变硬化的形态。

3.2破坏强度

试验中重塑土的应力-应变曲线均呈应变硬化状态，将应变量达到15%时的强度定义为重塑土的破坏强度[19]。表2为重塑土的破坏强度值，图5为不同围压时加载速率对于重塑土破坏强度的影响。

表2 100 kPa围压下试样破坏强度Table 2 Fracture strength under the confining pressure of 100 kPa

由此可以看出，与原状土的试验结果[16]一致，本次试验条件下，每组试样破坏强度在加载速率1.25%/min时均达到相应的峰值，小于此值时，破坏强度随着加载速率的增大而增大，而当加载速率大于此值时，破坏强度反而有一定程度的减小，存在明显的临界加载速率。与此同时，试验范围内重塑土的含水率越低，加载速率对破坏强度的影响越大。但在相同条件下加载速率对原状黄土的强度影响范围在70～640 kPa，而对重塑黄土的强度影响范围则是在15～60 kPa。这就说明无论是结构的可稳性还是可变性，在随着加载速率增大的过程中，其对于强度的贡献并不是单调的，而是存在一个临界加载速率，且原状土结构性对于加载速率的敏感性要大于重塑土结构性。

CU试验中当加载速率比较小时，孔隙水压有足够的时间散布均匀，随着加载速率的增大，由于土在动荷载作用下的变形滞后效应和缺乏良好的排水条件，土的破坏强度出现增长[1]。本次试验结果说明，在一定的加载速率范围内这种增长并不是单调的，存在一个临界加载速率，超过此值时土的破坏强度反而有一定程度的减小，说明加载速率超过临界值后土体的应力、应变集中以及触变作用加强，因而导致了土体破坏强度又有一定程度的降低。

图5 不同围压时加载速率对破坏强度的影响Fig.5 Influence of loading rate on fracture strength under different confining pressures

3.3抗剪强度指标

根据应力平面法求得重塑土的抗剪强度参数见表3，图6显示加载速率对黏聚力c和内摩擦角φ的影响。

表3 试样抗剪强度指标值Table 3 Shear strength parameters of the sample

图6 加载速率对黏聚力c，φ的影响Fig.6 Influence of loading rate on c and φ

由表3和图6可以看到，在本文试验条件下，当加载速率达到1.25%/min时，3种含水率的黏聚力c分别达到各自的峰值32.8，60和82.9 kPa，加载速率小于此值时c随着加载速率的增大而增大；加载速率达到2.5%/min时，c分别降为28.1，54.3和82 kPa；在加载速率仅0.125%/min时，3种含水率下内摩擦角φ分别为8.6，6.6，13.5，其后随着加载速率的增大φ有所减小，降幅分别为1.9，0.5，3.4。与此同时，含水率越小，抗剪强度指标对加载速率的变化越敏感。由此可知，在加载速率对重塑土抗剪强度的影响因素上，黏聚力与摩擦力并不是同步发挥的，主要影响趋势由黏聚力决定，摩擦力在小范围内施加影响。

与原状土比较，加载速率对重塑土抗剪强度参数的影响规律基本一致。这就说明无论是在可稳性和可变性因条件而决定相互之间发挥程度的原状土上，还是在以可变性为主的重塑土上，抗剪强度指标对于加载速率的反应机制是一样的。

4 结论

(1)加载速率对重塑土应力-应变曲线形态没有影响，其均呈现应变硬化，试样破坏模式为“塑性鼓胀破坏”，没有明显的破裂面。

(2)加载速率对重塑土破坏强度的影响并不是单调的，而是存在临界值。小于此值时破坏强度随着加载速率的增大而增大，大于此值时破坏强度反而会有一定程度的降低。

(3)加载速率对重塑土抗剪强度指标c和φ的影响明显不同。黏聚力c随着加载速率的增大表现出先增大后减小的规律，存在临界加载速率；内摩擦角φ随着加载速率的增大表现出小幅减小的规律。由此可以看出，在加载速率对抗剪强度的影响上，黏聚强度c与摩擦强度σtgφ并不是同步发挥的。

(4)由于重塑土与原状土的结构性不同，导致两者的加载速率效应在大规律一致的情况下，又有一定程度的差异性。

由此，对于类似CU试验工况的有关固结不排水试验以及工程(第二类加载速率效应)，在数据分析以及参数选取上，都要结合实际情况，对加载速率的影响因素进行必要的考虑，才能得到更加准确的效果。

[1] 谢定义.土动力学[M].北京：高等教育出版社，2011.[XIE D Y. Soil Dynamics[M]. Beijing: Higher Education Press, 2011.(in Chinese)]

[2] O′Reilly M P, Brown S F, Overy R F. Viscous effects observed in tests on an anisotropically normally consolidated silty clay[J]. Geotechnique, 1989,39(1): 153-158.

[3] Vulliet L, Samtani N, Desai C S. Material parameters for an elasto-viscoplastic law[C]∥ European Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. 1991:281-284.

[4] Imai G, Tanaka Y, Saegusa H. One-dimensional consolidation modeling based on the Isotach law for normally consolidated clays[J]. Soils and Foundations, 2003,43(4): 173-188.

[5] Carroll W F. Dynamic bearing capacity of soils. Vertical displacement of spread footing on clay: static and impulsive loadings[R]. Techniacl Report No.3-599. Mississippi: US Army Crops of Engineers, Waterways Experiment Station, Vicksburg, Report 5, 1963.

[6] Whitman R V, Healy K A. Shear strength of sands during rapid loadings[J]. Transactions, ASCE, 1963, 128(1): 1553-1594.

[7] Vesic A S. Analysis of ultimate loads of shallow foundations[J]. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE, 1973, 99(SM): 45-73.

[8] 彭芳乐,李福林,李建中，等.砂土应力-应变关系的加载速率效应分析[J]. 岩土力学,2007, 28(增刊1)：16-20.[PENP F L, LI F L, LI J Z,etal. Loading rate effects on stress-strain relation of sandy soils[J]. Rock and Soil Mechanics,2007,28(Sup 1):16-20.(in Chinese)]

[9] 彭芳乐,李福林,李建中,等.加载速率变化条件下砂土的黏塑特性及本构模型[J].岩石力学与工程学报，2008,27(8)：1576-1585.[PENP F L, LI F L, LI J Z,etal. Viscoplastic behaviors and constitutive modeling of sands under change of loading rates[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(8):1576-1585. (in Chinese)]

[10] 李建中,彭芳乐,龙冈文夫.黏土的粘塑性特性试验与三要素本构模型[J].岩土力学，2005, 26(6)：915-919.[LI J Z, PENG F L, TATSUOKA Fumnio. Viscoplastic properties of Clay and constitutive model[J]. Rock and Soil Mechanics, 2005, 26(6):915-919. (in Chinese)]

[11] 陈铁林,周成,沈珠江.结构性黏土压缩和剪切特性试验研究[J]. 岩土工程学报, 2004, 26(1)：31-35.[CHEN T L, ZHOU C, SHEN Z J. Compression and shear test structured clay[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2004, 26(1): 31-35. (in Chinese)]

[12] 李建中,徐力生.低含水率黏土的加载速率效应与蠕变变形[J].煤田地质与勘探，2008, 36(1)：41-43.[LI J Z, XU L S. Load-rate effect and creep deformation of clay with low water content[J]. Coal Geology & Exploration, 2008, 36(1):41-43. (in Chinese)]

[13] 周杰,周国庆，赵光思,等.高应力下剪切速率对砂土抗剪强度影响研究[J]. 岩土力学，2010, 31(9)：2805-2810.[ZHOU J, ZHOU G Q, ZHAO G S,etal. Analysis of influence of shear rate on shear strength of sand under high stress[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(9): 2805-2810. (in Chinese)]

[14] 黄文熙.土的工程性质[M].北京：中国水利水电出版社, 1983.[HUANG W X. Soil Engineering Property[M]. Beijing: China Water Power Press, 1983. (in Chinese)]

[15] 齐剑锋,栾茂田,聂影，等.饱和黏土剪切变形与强度特性试验研究[J].大连理工大学学报，2008, 48(4)：551-556.[QI J F, LUAN M T, NIE Y,etal. Experimental study of shear and strength behavior of saturated clay[J]. Journal of Dalian University of Technology, 2008, 48(4): 551-556. (in Chinese)]

[16] 邓亚虹,魏宝华,王晗,等.原状黄土变形与强度特性的加载速率效应[J].中国公路学报，2016, 29(7)：22-29.[DENG Y H，WEI B H，WANG H,etal. Laoding rate effect on deformation and strength characteristics of undisturbed loess[J]. China Journal of Highway and Transport, 2016, 29(7): 22-29. (in Chinese)]

[17] 谢定义,齐吉琳.土结构性及其定量化参数研究的新途径[J].岩土工程学报,1999, 21(6)：651-656.[XIE D Y，QI J L. Soil structure characteristics and new approach in research on its quantitative parameter[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1999, 21(6): 651-656. (in Chinese)]

[18] 中华人民共和国行业标准编写组.土工试验规程(SL237—1999)[S].北京:中国水利水电出版社, 1999.[The Professional Standards Compilation Group of People’s Republic of China. Specification of Soil Test (SL237—1999)[S]. Beijing: China Water Power Press, 1999. (in Chinese)]

[19] 陈仲颐,周景星,王洪瑾.土力学[M].北京：清华大学出版社,1994.[CHEN Z Y, ZHOU J X, WANG H J. Soil Mechanics[M]. Beijing：Tsinghua University Press,1994. (in Chinese)]

责任编辑：张明霞

Astudyoftheloadingrateeffectondisturbedloess

WEI Baohua1,2, DENG Yahong2,3, SUN Xuan2,4, MU Huandong5

(1.TransportationPlanningandDesignCo.,Ltd.,JiangsuTransportationInstitute(Gansu),Lanzhou,Gansu730010,China; 2.SchoolofGeologicalEngineeringandGeomatics,Chang’anUniversity,Xi’an,Shaanxi710054,China; 3.OpenResearchLaboratoryforGeotechnicalEngineeringofMinistryofLandResources,Chang’anUniversity,Xi’an,Shaanxi710054,China; 4.NorthwestWaterResourcesandHydropowerEngineeringCo.，Ltd.，Xi’an,Shaanxi710065,China;5.Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi710054,China)

In order to reveal the impact of deformation and mechanical characteristics of disturbed loess at different loading rates on engineering practice, the loading rate effect of disturbed loess under different conditions are analyzed in this paper by conducting triaxial shear tests of four loading rates under different confining pressures and water content. The difference between the results for disturbed loess and undisturbed loess is discussed based on soil structure. The rule of influence of loading rates on the deformation and mechanical characteristics is obtained. The stress-strain curves show the strain hardening at all the loading rates. There is a critical loading rate in the influence of loading rate on the fracture strength. The fracture strength increases with the increasing loading rate when the loading rate is less than the critical value, but decreases with the increasing loading rate when it exceeds the critical value. With the increasing loading rate, the cohesioncand shear strength have the same rule and critical loading rate, but the friction angleφdecreases slightly.

loading rate; disturbed loess; soil structure; fracture strength; critical loading rate

TU411.7

A

1000-3665(2017)05-0086-06

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.05.14

2017-03-20;

2017-04-24

国家自然科学基金项目资助(41372327)

魏宝华(1990-)，男，硕士研究生，主要从事公路勘察及岩土力学研究工作。E-mail:312888752@qq.com