黄土构度与基质吸力或压缩屈服变形间的关系*

郭瑞峰 邵 帅 邵生俊,2 沈晓钧 雒少江 朱学亮

(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;3.陕西省引汉济渭工程建设有限公司, 西安 710086)

0 概 述

早在1925年,土力学的奠基人太沙基就强调了考虑土的结构性对评价黏性土变形和强度特性的重要性。[1]土的结构性是指土的物质组成(主要指土粒、孔隙内液相和气相)的空间相互组合排列,是天然土经过沉积作用后形成的一种特殊的颗粒联结和复杂的排列方式显示的力学效用,它是描述土物理本质中比粒度、密度、湿度更为重要的一个基本属性指标。黄土是在地质时代第四纪期间,在干旱、半干旱地区沉积形成的特殊土,具有特殊的骨架结构,其结构性可用构度来定量描述。黄土的构度不仅与土的孔隙比、密度、含水率等基本物性指标有关,还与土骨架中土颗粒的空间排布结构及颗粒间的黏结特性有关。黄土结构性的研究对认识黄土工程性质具有极为重要的意义,因而人们对于黄土结构性的研究从未停止。黄土结构性的定量分析始于谢定义等,他们从土力学角度出发以压缩试验为基础,建立了一个定量表示土结构性参数 ,称为综合结构势。[2]此后,许多学者提出了各自的黄土结构性参数,如:邵生俊等基于三轴试验提出了主应力差结构性参数[3],陈存礼等在单轴压缩试验的基础上提出了孔隙比结构性参数[4],骆亚生等提出了复杂应力状态下的土结构性参数[5],冯志焱利用锥式贯入仪下沉量提出了结构性参数[6],等等。这些结构性参数均以综合结构势思想为基础,从不同宏观角度对黄土的结构性进行了定量描述,但它们或描述了黄土在变形过程中结构性的变化规律,或描述了黄土不同团粒结构性的随机变化规律,而没有描述与黄土基本物性相关的初始结构性。邵生俊等通过原状土、重塑土和饱和原状土的无侧限抗压强度,基于综合结构势提出了构度指标mu[7],其表达式为:

(1)

式中:mu为结构性参数构度指标;quo、qur、qus分别为原状土、重塑土、原状饱和土的无侧限抗压强度;m1反映了土体结构性的可稳性;m2反映了土体结构性的可变性。

该构度指标表征了土的初始结构性。邵生俊等通过对黄土构度随含水率和塑限差值的变化规律,构度随塑限、液限的变化规律以及构度随液性指数的变化规律的分析,揭示了构度与粒度、密度、湿度之间的本质联系。[8]王丽琴等在对构度和物理指标定性分析的基础上对其进行了定量分析,提出了构度与基本物理量的定量关系。[9]王丽琴等还以侧限压缩试验及单轴抗压强度试验为基础分析了黄土构度与压缩屈服强度之间的关系。[10]蒋明镜等进行了非饱和重塑土与结构性黄土的等向压缩离散元模拟,并与室内试验结果进行了对比,分析了其宏微观力学机理,表明非饱和黄土的孔隙比随平均主应力的增大先缓慢下降,在达到屈服压力后出现压缩变形快速发展。[11]罗爱忠等通过对3种不同初始结构性黄土的侧限压缩试验, 在增湿及压缩应力条件下对黄土的宏观力学特性及其结构变化特征进行研究。[12]陈存礼等用非饱和土三轴剪切渗透仪,在等向应力条件下对原状黄土进行增湿—加载,加载—增湿及加载—增湿—加载3个系列加载增湿路径试验,分析了吸力对压缩变形和加载屈服特性的影响,探讨增湿时应力对变形及屈服特性的影响。[13]但非饱和黄土的构度与基质吸力之间的关系以及基质吸力与压缩屈服强度之间的定量分析对黄土的工程性质的影响还有待研究。为进一步认识构度、基质吸力、压缩屈服及压缩变形三间的定量关系,将探索构度与基质吸力的定量关系;建立构度与压缩屈服应力、构度与压缩屈服变形之间随构度变化的关系式,为定量分析构度提供新的方法和思路。

1 黄土单轴抗压强度试验

试样取自西安6处黄土场地:

黄土1,取自西安市曲江新区陡坎,取土深度为4.0～4.5 m,属Q3黄土;黄土2,取自西安市曲江新区另一陡坎,取土深度为3.5～4.5 m,属Q3黄土;黄土3,取自泾西安河岸坡顶,取土深度为10～12 m,属Q2黄土;黄土4,取自西安泾河另一岸坡,取土深度为3～4 m,属Q3黄土;黄土5,取自西安白鹿塬田间土坡,取土深度为4～5 m,属Q3黄土;黄土6,取自西安白鹿塬边坡,取土深度为6～8 m,属Q2黄土。

对黄土1～6做物性试验,每个试验均做2组平行试验。如平行试验结果差异不大,则取平均值作为最终指标值;若差异较大,则将其废弃重做,直至符合要求为止。试验用黄土的基本物理性质指标如表1所示。

表1 黄土的基本物理性质指标

e0为土体的初始孔隙比;Gs为土粒相对密度;ρd为土的干密度;w0为土体的初始含水率;wL为土的液限;wp为土的塑限;IP为土的塑性指数。

试验对所取6个场地的黄土试样做了不同含水率(2%、5%、10%、15%、18%、20%、25%、28%、饱和)、不同状态(原状、重塑)下的单轴抗压强度试验,重塑黄土的压实度为80%左右。试样尺寸为直径为39.1 mm,高为80 mm;土样的不同含水率状态采用滴定法加水和晾干法制备。为保证试样含水率的均匀性,滴定加水或晾干至设定含水率时将试样放置在一个密闭的保湿缸中养护3 d左右。试验所得的不同含水率下6个场地原状黄土和重塑黄土的单轴抗压强度如图1所示。可知:随着含水率的增大,无论是原状土还是重塑土,其单轴抗压强度均在不断减小。这说明湿度状态的差异对不同黄土的抗剪切作用效用明显,且不同含水率原状土的单轴抗压强度均大于重塑土的强度。较低含水率时黄土5与其重塑土的单轴抗压强度差较大,黄土4与其重塑土的单轴抗压强度差较小;随着含水率的增大,黄土5的单轴抗压强度衰减较快,黄土4的单轴抗压强度衰减较缓慢。

a—原状黄土; b—重塑黄土。

2 试验结果分析

2.1 含水率与构度的关系

根据文献[9]定义的构度表达式:

(2)

式中:mw为浸水灵敏度;md为扰动灵敏度;quo为原状黄土的单轴抗压强度;qus为饱和黄土的单轴抗压强度。

由于黄土的扰动势随含水率的变化基本保持不变,故黄土的构度主要随浸水灵敏度而变化。即对于同一取土位的土样,扰动灵敏度md为定值;浸水灵敏度随含水率的变化显著。依据式(2)计算不同含水率时黄土的构度,结果见表2所示。

表2 不同含水率下黄土的构度

根据式(2)计算得到的构度mu随含水率的变化关系曲线如图2所示。

图2表明:黄土的构度随着含水率的增大而减小。含水率小于20%左右时,黄土构度的变化幅度大且含水率越小变化幅度越大;含水率大于20%左右时,黄土构度变化趋于平缓。说明黄土的含水率达到20%时,初始结构破坏显著,结构性降低。

2.2 基质吸力与构度的关系

利用改进后的FGJ-20型非饱和土固结仪对Q2黄土3、黄土6及Q3黄土4、黄土5的原状土样的土-水特征曲线(SWCC)进行测定,如图3所示。得到不同质量含水率(5%、10%、15%、18%、20%、25%、28%)下的基质吸力s。结合不同含水率黄土的构度指标绘出构度-基质吸力的相关性如图4所示。

图4表明:黄土的构度随着基质吸力的增大而增大。基质吸力小于50 kPa时,黄土构度的增长速率大,基质吸力大于50 kPa时,黄土构度的增长速率相对减缓。说明基质吸力越大,含水率越低,黄土的初始结构性越强。

通过分析构度随含水率、密度、塑性指数、液性指数等构成的综合物理量的定量变化,建立了构度与综合物理量的关系式。用基本物理指标构造了一个综合物理量Z,得出了由综合物理量确定构度的算式[9]:

mu=Aeβz+1

(3)

式中:mu为黄土的初始结构性构度指标;e为自然常数;A为不同地区沉积黄土不同时代的修正系数;β为常数,等于-0.1;z为综合物理量;w、wp、ρd、ρsat、IL、Ip分别为黄土的含水率、塑限、干密度、饱和密度、液性指数和塑性指数;ρw为水的密度。

为了更好地描述黄土构度与基质吸力的关系,Lu等将Tayler等在1989年提出的土-水特征曲线的表达式(式(4))中体积含水率改用质量含水率表示,得出黄土的土-水特征曲线方程[14],见式(5)。

θ=θr+(θs-θr)[1+(αs)q]n

(4)

式中:θ为体积含水量;θr体积含水量残余值;θs为饱和含水率对应的体积含水量;s为基质吸力;α、n为试验参数。

(5)

式中:wr为质量含水率;e为土体的孔隙比;m为试验参数;Gs为土的相对密度。

根据式(3)、式(5)间与含水率的关系,整理推导出由基质吸力直接计算黄土构度指标的关系式:

(6)

式中:A为不同地区黄土不同沉积时代的系数,对西安Q3黄土,A=10.7,对西安Q2黄土,A=2.9,β=-0.1;α、n、m分别为0.047、1.074 3和-0.469 6。

式(6)表明:黄土的构度随含水率的增大、基质吸力的减小而减小;随干密度增大而减小。

2.3 实例验证

为验证所得的基质吸力与构度的定量计算经验式是否适用于相应地区对应沉积时期其他场地的黄土,在西安地铁5号线,马腾空段黄土场地不同深度取样,分别取两个Q2和Q3试验用黄土,称为Q2黄土1、Q2黄土2、Q3黄土1、Q3黄土2。分别做天然含水率下原状、重塑及原状饱和土样的无侧限抗压强度试验,利用式(1)求得相应的构度 ;同时测试得到计算所需的黄土的基本物理指标及通过各自的土水特征曲线得到相应的基质吸力s和残余质量含水率wr,根据相应的地区和沉积年代选择对应系数A,通过式(6)计算构度,结果见表3。

表3 马腾空段黄土计算参数及构度

表3表明:马腾空段黄土场地黄土实测值构度与计算构度比较相近,说明所得出的基质吸力s与黄土构度指标mu间的经验计算式比较合适。

3 压缩应力、压缩变形与构度的关系

依据黄土的等向压缩试验,测试确定出等向压缩屈服应力py与构度指标mu的关系,如图5所示。中、晚更新世Q2、Q3黄土的压缩屈服应力随构度指标的变化式如式(7)、式(8)所示:

py=(0.56mu+2.5)pa

(7)

py=(0.13mu+0.32)pa

(8)

在压缩剪切作用下,黄土的构度随综合塑性应变增大而减小,压缩屈服应力也逐渐减小。非饱和黄土的比容与压缩应力对数(v-lnp)间的关系曲线如图6所示。

图6 非饱和黄土的比容与压缩屈服应力对数之间的关系

(9)

结合式(7)、(8)、(9)可得出Q2、Q3黄土的构度-压缩屈服-压缩变形的关系分别为:

Q2黄土:

(10)

Q3黄土:

(11)

4 结束语

1)黄土的构度变化与干密度、塑限、液限、孔隙比、含水率等土的基本物性指标都有相关性,其中含水率对黄土构度的影响最大,构度随含水率的增大呈指数减小。

2)黄土的构度与基质吸力s有关;引入土-水特征曲线的拟合函数模型,以质量含水率代换体积含水率指标,通过含水率对构度的影响,在综合物理量与构度的定量关系上,建立了区分时代(Q2、Q3)利用基质吸力直接计算构度指标的关系式。经过初步检验,说明该式具有适用性和合理性。

3)依据等向压缩试验,测试确定了等向压缩屈服应力与构度的关系,建立了晚更新世Q2、Q3黄土的压缩屈服应力随构度的变化规律。

4)通过黄土的压缩屈服应力与构度的关系和黄土加载压缩应力与非饱和结构性黄土的等向压缩屈服应力的关系,建立了Q2、Q3黄土的构度-压缩屈服-压缩变形的关系式。