黃土穩(wěn)定孔隙比原理的實(shí)驗(yàn)研究

1、黃土穩(wěn)定孔隙比原理的試驗(yàn)研究胡再?gòu)?qiáng)1，謝定義1，沈珠江2(1.西安理工大學(xué) 水電學(xué)院；2.南京水利科學(xué)研究院)摘 要：通過(guò)對(duì)人工制備土樣在充分?jǐn)_動(dòng)及飽和情況下進(jìn)行側(cè)限壓縮、三軸剪切試驗(yàn)及等應(yīng)力比三軸試驗(yàn)，驗(yàn)證和證明了充分?jǐn)_動(dòng)飽和黃土存在穩(wěn)定孔隙比并滿足穩(wěn)定孔隙比原理，為建立黃土結(jié)構(gòu)性本構(gòu)模型，揭示黃土結(jié)構(gòu)性對(duì)黃土力學(xué)特性的影響和作用提供了試驗(yàn)和理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：飽和黃土；穩(wěn)定空隙比；穩(wěn)定狀態(tài)原理基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(19772019)作者簡(jiǎn)介：胡再?gòu)?qiáng)(1964-)，男，陜西周至人，博士，西安理工大學(xué)副教授，主要從事黃土力學(xué)與工程的研究。黃土是第四紀(jì)沉積物，具有不同于同期的其他沉積

2、物的一系列內(nèi)部物質(zhì)成份和外部形態(tài)特征。黃土的結(jié)構(gòu)性是指黃土顆粒的排列方式和顆粒的膠結(jié)形式2，3。黃土骨架顆粒的排列方式是指黃土中孔隙的形態(tài)、大小和性質(zhì)，黃土的孔隙一般有團(tuán)粒之間的大孔隙架空孔隙和粒間孔隙等6。黃土中顆粒膠結(jié)主要是鹽類膠結(jié)及粘性膠結(jié)。由黃土的壓縮性質(zhì)、剪切特性、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及黃土所具有的濕陷性質(zhì)都可以看出黃土具有一定的結(jié)構(gòu)性，即有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度4，5。為建立能夠描述結(jié)構(gòu)性黃土的本構(gòu)模型，揭示黃土結(jié)構(gòu)性對(duì)黃土力學(xué)特性的影響和作用，必須對(duì)充分飽和黃土力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，基于上述觀點(diǎn)，對(duì)人工制備土樣在充分?jǐn)_動(dòng)及飽和情況下進(jìn)行了側(cè)限壓縮、三軸剪切試驗(yàn)及等應(yīng)力比三軸試驗(yàn)，驗(yàn)證和證明了充分?jǐn)_

3、動(dòng)飽和黃土存在穩(wěn)定孔隙比并滿足穩(wěn)定孔隙比原理。1 試樣制備制備充分?jǐn)_動(dòng)飽和黃土試樣時(shí)，先把風(fēng)干的原狀黃土用木碾在橡膠板上碾碎，過(guò)0.1mm的篩徑，除去大的不純雜質(zhì)。稱取一定數(shù)量的土樣，放入容器中加水，讓水慢慢滲入土中，繼續(xù)加水使水位超過(guò)土面。靜置一段時(shí)間，使土樣充分飽和，把土樣攪拌成泥漿狀態(tài)，再將泥漿狀態(tài)的土樣裝入制樣器中，制樣器的直徑為10cm，高度20cm。在放入泥漿前，要在制樣器的底部放上透水石和濾紙，裝上泥漿土樣后，再在土樣上放上濾紙和透水石。加上加壓蓋板，加一比較小的壓力讓其固結(jié)，所加壓力的大小看是否把土樣擠出制樣器。在較小的壓力下固結(jié)一段時(shí)間后，再把壓力增加到50kPa，使土樣在5

4、0kPa的壓力下固結(jié)。當(dāng)固結(jié)完成后，即可得到直徑10cm，及一定高度的圓柱形充分?jǐn)_動(dòng)的土樣。這時(shí)，就可用其制備壓縮試樣和三軸剪切試樣，壓縮和三軸剪切試樣制備完成后，再把它們放入飽和器中抽氣飽和。這樣就人工制成了充分?jǐn)_動(dòng)飽和黃土試樣。2 試驗(yàn)方案和方法利用充分?jǐn)_動(dòng)飽和黃土試樣進(jìn)行如下試驗(yàn)：(1)側(cè)限固結(jié)試驗(yàn)，所用儀器為南京水利科學(xué)院土工所的磅秤式側(cè)限壓縮儀，分別測(cè)定每級(jí)壓力下的固結(jié)系數(shù)，固結(jié)系數(shù)用時(shí)間平方根法確定，研究充分?jǐn)_動(dòng)飽和黃土的壓縮特性和求取固結(jié)系數(shù)；(2)三軸剪切試驗(yàn)，利用常規(guī)應(yīng)變?nèi)S儀進(jìn)行了固結(jié)排水剪，研究充分?jǐn)_動(dòng)飽和黃土的剪切特性及求取有關(guān)的力學(xué)參數(shù)；(3)等應(yīng)力比三軸試驗(yàn)，所用為

5、應(yīng)力控制式三軸儀，等應(yīng)力比三軸試驗(yàn)為排水剪，驗(yàn)證黃土的穩(wěn)態(tài)孔隙比原理及求取有關(guān)的計(jì)算參數(shù)。試驗(yàn)對(duì)充分?jǐn)_動(dòng)飽和黃土在各級(jí)固結(jié)壓力下計(jì)算固結(jié)系數(shù)cv時(shí)，采用了時(shí)間平方根法，等應(yīng)力比三軸試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力比=3/1，分別取值為0.0、0.3、0.75、1.0四個(gè)應(yīng)力比。并且在應(yīng)力比=0.0的條件下，進(jìn)行了卸載和再壓過(guò)程。3 試驗(yàn)結(jié)果及分析充分?jǐn)_動(dòng)飽和黃土在各級(jí)固結(jié)壓力下的固結(jié)系數(shù)見(jiàn)表1。表中同時(shí)給出了原狀黃土、原狀飽和黃土、人工制備結(jié)構(gòu)性黃土以及人工制備結(jié)構(gòu)性飽和黃土的固結(jié)系數(shù)。圖1及圖2示出了人工制備黃土、人工制備飽和黃土及充分?jǐn)_動(dòng)飽和黃土的固結(jié)系數(shù)與壓力關(guān)系曲線，對(duì)原狀黃土、原狀飽和黃土有關(guān)的規(guī)律性見(jiàn)

6、文獻(xiàn)4，5所述。表1 黃土室內(nèi)側(cè)限固結(jié)試驗(yàn)的固結(jié)系數(shù)固結(jié)壓力/kPa原狀黃土固結(jié)系數(shù)/(cm2/s)原狀飽和黃土固結(jié)系數(shù)/(cm2/s)人工制備結(jié)構(gòu)性黃土固結(jié)系數(shù)/(cm2/s)人工制備結(jié)構(gòu)性飽和和黃土的固結(jié)系數(shù)/(cm2/s)擾動(dòng)飽和黃土固結(jié)系數(shù)/(cm2/s)500.0540.0550.0750.0540.0261000.0510.0520.0770.0400.0232000.050.0230.0800.0350.0233000.0530.0220.0790.0230.0254000.0480.0190.0820.0190.0278000.0220.0170.0270.0220.01916

7、000.0210.0180.0330.0200.023表中：原狀黃土及人工制備結(jié)構(gòu)性黃土的=14.0%，d=12.9kN/m3。圖1 原狀黃土的固結(jié)系數(shù)與壓力關(guān)系曲線圖2 人工制備黃土的固結(jié)系數(shù)與壓力關(guān)系曲線從原狀黃土、原狀飽和黃土、充分?jǐn)_動(dòng)飽和黃土在不同固結(jié)壓力與固結(jié)系數(shù)的關(guān)系中可以發(fā)現(xiàn)，在壓力低于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)(其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分別為500kPa、49kPa)，固結(jié)系數(shù)值較高且都基本接近一常數(shù)；當(dāng)固結(jié)壓力接近結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，固結(jié)系數(shù)急劇降低，最后都趨近于各自擾動(dòng)飽和樣的固結(jié)系數(shù)值，而充分?jǐn)_動(dòng)飽和黃土的固結(jié)系數(shù)在各級(jí)壓力基本為一常數(shù)。圖3及圖4給出了充分?jǐn)_動(dòng)飽和黃土的軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變及體應(yīng)變與軸向應(yīng)變之

8、間的關(guān)系。從中可以發(fā)現(xiàn)，在小圍壓和大圍壓情況下，它們的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系都表現(xiàn)為硬化型，體積應(yīng)變隨著周圍固結(jié)壓力和軸向應(yīng)力的增加而增大。這說(shuō)明對(duì)于充分?jǐn)_動(dòng)飽和黃土可消除土體結(jié)構(gòu)性的影響，在研究其力學(xué)性質(zhì)時(shí)，可不考慮土體的結(jié)構(gòu)性對(duì)其力學(xué)特性的影響。把不同應(yīng)力比下的試樣的孔隙比e與球應(yīng)力m畫(huà)在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上，可得到不同應(yīng)力比下試樣的孔隙比與試樣的球應(yīng)力的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖5所示。并且在應(yīng)力比=0.0的條件下，進(jìn)行了卸載，得到了回彈和再壓曲線。由得到的充分?jǐn)_動(dòng)飽和黃土的壓密曲線可見(jiàn)，在應(yīng)力比為零的孔隙比e與logm成直線關(guān)系，并且回彈和再壓曲線也成直線關(guān)系。不同應(yīng)力比下的孔隙比e與logm也成直線關(guān)系，并與

9、應(yīng)力比為零時(shí)的關(guān)系曲線平行，且相差很小。這說(shuō)明充分?jǐn)_動(dòng)飽和黃土也滿足穩(wěn)定孔隙比和穩(wěn)定狀態(tài)原理，這一唯一性原理最早由Rendulic提出，并由Henkel完整地表述過(guò)7，即充分?jǐn)_動(dòng)飽和黃土的孔隙比與有效應(yīng)力狀態(tài)之間存在唯一關(guān)系，可表示為圖3 充分?jǐn)_動(dòng)飽和黃土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線圖4 充分?jǐn)_動(dòng)飽和黃土體應(yīng)變與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線es=e1-cclog(m/m1-cd/log2log1+(/f)2(1)式中：m=1/3(1+2+3);=s/m為剪切比。s=1/(1-2)2+(2-3)2+(3-1)21/2(2)式中：es為穩(wěn)定孔隙比；e1為初始孔隙比；cc是壓縮指數(shù)；cd可以稱為剪縮系數(shù)，其含義為由等向

10、壓縮狀態(tài)(=0)到破壞狀態(tài)(=f)所引起的孔隙比減小量。當(dāng)采用橢圓屈服面模型時(shí)，cd=(cc-cs)log2,cs為回彈指數(shù)。土體的孔隙狀態(tài)符合上述公式時(shí)可以稱為穩(wěn)定狀態(tài)，相應(yīng)的孔隙比稱為穩(wěn)定孔隙比。劍橋模型學(xué)派把剪切破壞時(shí)的孔隙比趨向于穩(wěn)定不變時(shí)的狀態(tài)稱為臨界狀態(tài)1。這一臨界狀態(tài)可以看作穩(wěn)定狀態(tài)在=f條件下的特例。定義了穩(wěn)定狀態(tài)以后，可以進(jìn)一步把同一應(yīng)力狀態(tài)下孔隙比大于穩(wěn)定孔隙比的狀態(tài)(e>es)稱為欠壓縮狀態(tài)，而把孔隙比小于穩(wěn)定孔隙比的狀態(tài)(e<es)稱為超壓縮狀態(tài)。不難想到，欠壓縮狀態(tài)和超壓縮狀態(tài)的概念實(shí)際上是土力學(xué)發(fā)展早期針對(duì)一維固結(jié)狀態(tài)的欠固結(jié)狀態(tài)和超固結(jié)狀態(tài)的推廣1。圖

11、5 充分?jǐn)_動(dòng)飽和黃土壓縮曲線圖6 充分?jǐn)_動(dòng)飽和黃土壓密曲線通過(guò)試驗(yàn)曲線確定上式中的壓縮指數(shù)cc和回彈指數(shù)cs。按照剪縮系數(shù)cd為等向壓縮狀態(tài)到破壞狀態(tài)所引起的孔隙比減小量，當(dāng)采用橢圓屈服面模型時(shí)，剪縮系數(shù)cd=(cc-cs)log2。由充分?jǐn)_動(dòng)飽和黃土三軸固結(jié)排水剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得到其孔隙比e與平均壓力p的關(guān)系曲線如圖6所示，它和等應(yīng)力比三軸試驗(yàn)結(jié)果(圖5)比較接近，兩者都表現(xiàn)出減縮量較小，并且進(jìn)一步證明對(duì)于充分?jǐn)_動(dòng)飽和黃土的孔隙比與有效應(yīng)力狀態(tài)之間存在唯一關(guān)系，即滿足穩(wěn)定孔隙比和穩(wěn)定狀態(tài)原理。4 結(jié)論試驗(yàn)結(jié)果表明充分?jǐn)_動(dòng)飽和黃土可消除土體結(jié)構(gòu)性的影響，在研究其力學(xué)性質(zhì)時(shí)，可不考慮土體的結(jié)構(gòu)性對(duì)其

12、力學(xué)特性的影響，這說(shuō)明充分?jǐn)_動(dòng)飽和黃土滿足穩(wěn)定孔隙比和穩(wěn)定狀態(tài)原理，即充分?jǐn)_動(dòng)飽和黃土的孔隙比與有效應(yīng)力狀態(tài)之間存在唯一關(guān)系，同時(shí)為建立黃土結(jié)構(gòu)性本構(gòu)模型奠定了試驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。參 考 文 獻(xiàn)：1 沈珠江.廣義吸力和非飽和土的統(tǒng)一變形理論J.巖土工程學(xué)報(bào)，1996，18(2)：1-9.2 劉祖典，胡再?gòu)?qiáng).我國(guó)黃土力學(xué)與工程近況與展望J.地下空間，1999，19(5)：732-737.3 謝定義，齊吉林，張振中.考慮土結(jié)構(gòu)性的本構(gòu)關(guān)系J.土木工程學(xué)報(bào)，2000，33(4)：35-41.4 胡再?gòu)?qiáng)，沈珠江，謝定義. 非飽和黃土的結(jié)構(gòu)性研究J.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000，(6).775-779.5 胡再?gòu)?qiáng)，沈珠江，謝定義. 非飽和黃土的顯微結(jié)構(gòu)與濕陷性J.水利水運(yùn)科學(xué)研究，2000，(2)：68-71