考虑时间效应的人工制备结构性土应变软化特性影响研究

李 灿，周海清，宋强辉，2，汪儒鸿

(1.中国人民解放军陆军勤务学院 军事设施系 岩土力学与地质环境保护重庆市重点实验室， 重庆 401331; 2.重庆地质矿产研究院， 重庆 400042)

工程实践和理论研究表明，未受扰动的天然土体均具有一定的结构性。土体的结构性指土粒本身的形状、大小和特征，土粒在空间的排列形式、孔隙状况及粒间接触和联结特征的总和[1]，是在土体沉积历史中形成的，受到物理、化学和生物等复杂作用的影响[2-3]，因此，天然结构性土的力学特性包含了相应重塑土不具备的所有特性[4]。沈珠江院士[5]认为，随着结构性工程问题的凸显，21世纪土力学的核心问题是土体结构性的数学模型。结构性土力学特性的影响在很早以前就得到认知[6]，土结构性和孔隙比与应力历史一样对天然沉积土的力学特性有非常重要的影响[7-9]。在松散堆积体边坡的破坏型式中，以花岗岩残积土边坡为代表的结构性土质边坡破坏作用特别巨大，它发生得非常迅速，破坏前没有明显的变形征兆，缺乏灾变预兆，因此结构性土的研究也一直是岩土领域研究中的重难点[10]。

室内土工试验使用的重塑土破坏了土体原有的结构性，采用室内重塑土试验结果应用于工程实际问题往往误差较大。为了更好地符合工程实际问题，应对天然结构性土开展研究，但是在取样和制样方面存在较多的困难，且试样的均一性差，取样时不可避免地对原状土造成扰动，如取土器与土样的摩擦、外力作用下的变形、温度变化和应力释放以及后期的试样运输、储存、切样[11]，这些因素都会导致破坏土的原有结构，对天然结构性土研究带来很大困难。因此在室内制备出力学特性与原状土相同的结构性试样显得尤为重要，对结构性的定量研究有重大意义。

目前人工制备结构性土的方法[12-14]主要是：在原状土料中加入少量水泥和盐粒以形成颗粒间的胶结作用和大孔隙组构以模拟天然黏土的结构性[15]；也有在粉质黏土中加入水泥粉末，同时加入盐粒[16]或冰片[17]的方法；在原始黄土料中人工形成颗粒间的CaCO3胶结作用和大孔隙制备结构性黄土样[18]；Malandraki提出了混有少量高岭土砂的高温灼烧法[19]。

制备结构性黄土样经常用控制水泥含量来模拟结构性的强弱，目前研究人员对水泥含量、干密度、孔隙比、含水率对土的结构性影响已经做了系列工作[20-21]，但对水泥硬化时间研究甚少。如刘邦安[17]根据工况及试验内容不同凝期为24、48、60 h，李建红[22]在试验中保证水泥水化时间为 3 d，李晓强[23]将混有水泥的试验在水中饱和48 h，刘恩龙将土样养护7 d。

鉴于考虑人工制备结构性土室内试验对于试样的养护时间还没有系统性的研究，本文将研究不同养护时间对试样应变软化特性的影响，为后续人工制备结构性土室内试验研究奠定基础。

1 试验方案设计与试验过程

1.1 试验用土

黄土作为一种分布较广泛的特殊土，具有结构性的特殊性质[24]。本试验所用的土料为天然黄土粉末，采用液塑限联合测定仪测定土的液限和塑限，比重使用比重瓶进行测定，其物理性质指标：ωP=17.3，ωL=31.1，ρd.MAX=1.91，ωop=12.5。

将土料充分风干后过0.1 mm的标准筛，然后加入一定含量的硅酸盐水泥，配合成混合料，为了使颗粒间形成良好的胶结，水泥也过0.1 mm的标准筛，添加的水泥含量为总质量的5%。

1.2 试样制备方法

试验严格按照土工试验方法标准GB/T 50123—1999的要求，将按质量比配合好的混合料配置成初始含水率ω=10%的土样，浸润一晚，采用标准击实器，将所需质量的土料分5层击实，层与层之间需用刀片划割，避免试样出现分层现象影响试验，最终统一制成干密度为1.5 g/cm3的三轴标准试样。

1.3 三轴压缩试验

将装有标准试样的饱和器放入饱和罐进行抽气饱和并养护。本试验根据养护时间不同一共分为5组，每组含若干个试样，养护时间分别1、3、7、15、30 d。

达到要求养护时间后，将试样从饱和器中取出，按照试验操作要求进行三轴压缩试验，试验过程见图1。将每组试样分别在100、150、200 kPa的围压中进行多次不固结不排水三轴压缩试验。

2 试验结果分析

在进行养护30 d试样饱和器剥离时，由于水泥水化时间长，水泥强度得到有效发挥，试样与饱和器壁紧贴，剥离时失败率很高，试样难以完整地从饱和器中取出；取出的试样硬度大，强度高，整体性质偏向于岩石，与天然结构性土性质差异较大，因此不再考虑养护30 d的情况。

图1 试验仪器及过程

试样的破坏状态见图2，可以发现养护1 d的试样，土体表面无明显裂隙，土体有一定的变形，呈现鼓胀破坏的特点；养护3～15 d的试样，多呈现纵向或斜向劈裂型破坏，具有明显脆性破坏的特征。其中养护3 d的试样表面裂隙更多，呈现出复杂的破坏状态，而养护7 d和养护15 d的试样表面裂隙相对较少。

图2 三轴试样破坏状态

不同养护时间的试样在不同围压条件下的偏应力-轴向应变曲线如图3所示。

图3 偏应力-轴向应变曲线

从以上试验结果可知，在不固结不排水试验中，试样表现出的变形规律为：随着围压增大，偏应力增加。养护1 d的试样在150 kPa和100 kPa围压下的最大偏应力差值较小。养护3 d的试样在200 kPa和 150 kPa围压下的最大偏应力差值较小，在150 kPa和 100 kPa围压下的最大偏应力差值较大。养护7 d和15 d的试样随着围压增大，最大偏应力均匀增加，150 kPa围压下残余强度略高于100 kPa围压下的试样。

从偏应力增长的趋势来看，养护1 d的试样在不同围压下增长趋势不同，围压越高，增长越快。养护3 d、7 d和15 d的试样不同围压下增长趋势大致相同。

由图3分析可知，每组试样都体现了应变软化特性，可以明显看出，养护时间不同，应变软化程度也不同，为量化描述应变软化程度，提出应变软化系数，其数值等于各围压下人工结构性土偏应力-轴向应变曲线得到的峰值强度与残余强度之比，其中峰值强度取试样的最大偏应力，残余强度取试样轴向应变达到15%左右时的偏应力。

各养护时间的试样在不同围压下应变软化系数如图4所示。由图4可见，试样的养护时间越长，应变软化系数越高，即应变软化程度越大，结构性越明显。同一养护时间不同围压下的应变软化系数变化不大，但养护7 d和15 d时，围压150 kPa应变软化系数较高。

将同一围压下，不同养护时间的试样放在一起进行比较，如图5所示。

图4 应变软化系数-围压曲线

对图5分析可知：随着养护时间的延长，试样的强度增加，试样到达最大偏应力时间更长，所需应变更多。养护1 d的试样偏应力峰值后下降较缓，养护15 d的试样偏应力峰值后下降很快，而养护3 d和7 d的试样偏应力峰值后下降趋势相对养护15 d的较缓，相对养护1 d的较陡。

3 应变软化系数分析

应变软化系数与养护时间的规律见图6(a)。应变软化系数增长规律基本一致，为了方便表达应变软化系数与养护时间的关系，针对不同的围压，采用线性拟合方法进行拟合，拟合结果见式(1)和图6(b)。在养护时间不超过15 d时符合真实发展情况，养护时间超过15 d后，试样性质发生变化，不再能够合理模拟天然结构性土，因此只考虑到最长养护15 d的情况；最短养护1 d的情况。从拟合结果可以看出，在围压100 kPa下，方程斜率较小，即应变软化系数增长较其他围压下(150 kPa、200 kPa)较缓，在围压150 kPa和200 kPa下斜率相差较小，应变软化系数增长趋势相近。

围压100 kPa：y=2.19+0.35x(1≤x≤15)

围压150 kPa：y=2.08+0.43x(1≤x≤15)

围压200 kPa：y=1.93+0.40x(1≤x≤15)

(1)

人工制备结构性土是为了模拟天然结构性土，本研究通过合理选取养护时间，以达到最佳模拟结构性土的效果。养护1 d的试样，强度太低，有一定的应变软化特性，应变软化系数为2.2～2.5，能体现一部分结构性，但离天然结构性土还有一定差距。养护15 d的试样，强度太高，应变软化特性十分明显，应变软化系数为7.5～8.5，试样开始有偏于岩性的趋势，不适合模拟天然结构性土。而养护3 d和7 d的试样，强度适中，应变软化特性较明显，应变软化系数为3.5～5，笔者认为养护3～7 d能够较好地模拟天然结构性土。

图6 应变软化系数-养护时间曲线

4 结论

由于在对原状土取样的过程中，对原状土的扰动是不可避免的，因此人工制备结构性土的室内试验研究显得尤为必要。本文结合室内三轴压缩实验，考虑时间效应的影响，即考虑不同养护时间对人工结构性土力学特性进行分析研究，所得结论如下：

1) 养护时间对人工制备结构性土的强度和结构性影响较大，养护时间越长，强度和结构性越高；

2) 应变软化系数能较好地反应土体的结构性特征，通过线性拟合得到了不同围压下养护时间和应变软化系数关系；

3) 为了更好地模拟天然结构性土，需要合理选取养护时间，在标准抽气饱和条件下，笔者认为3～7 d较为合适；

目前许多学者提出了反应结构性的定量化参数，并将其引入本构关系中。为了更全面地研究人工制备结构性土与原状土的关系及其本构关系，有必要进一步引进结构性参数，用不同养护时间的人工制备结构性土样模拟原状土，探究不同养护时间与结构性参数之间的关系。