黃土穩(wěn)定孔隙比原理的實驗研究

1、黃土穩(wěn)定孔隙比原理的試驗研究胡再強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：通過對人工制備土樣在充分擾動及飽和情況下進行側(cè)限壓縮、三軸剪切試驗及等應(yīng)力比三軸試驗，驗證和證明了充分擾動飽和黃土存在穩(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)性對黃土力學(xué)特性的影響和作用提供了試驗和理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：飽和黃土；穩(wěn)定空隙比；穩(wěn)定狀態(tài)原理基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(19772019)作者簡介：胡再強(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)性對黃土力學(xué)特性的影響和作用，必須對充分飽和黃土力學(xué)性質(zhì)進行研究，基于上述觀點，對人工制備土樣在充分擾動及飽和情況下進行了側(cè)限壓縮、三軸剪切試驗及等應(yīng)力比三軸試驗，驗證和證明了充分擾

3、動飽和黃土存在穩(wěn)定孔隙比并滿足穩(wěn)定孔隙比原理。1 試樣制備制備充分擾動飽和黃土試樣時，先把風干的原狀黃土用木碾在橡膠板上碾碎，過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)加水使水位超過土面。靜置一段時間，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)。當固結(jié)完成后，即可得到直徑10cm，及一定高度的圓柱形充分擾動的土樣。這時，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擾動飽和黃土試樣。2 試驗方案和方法利用充分擾動飽和黃土試樣進行如下試驗：(1)側(cè)限固結(jié)試驗，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，分別測定每級壓力下的固結(jié)系數(shù)，固結(jié)系數(shù)用時間平方根法確定，研究充分擾動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，利用常規(guī)應(yīng)變?nèi)S儀進行了固結(jié)排水剪，研究充分擾動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，所用為

5、應(yīng)力控制式三軸儀，等應(yīng)力比三軸試驗為排水剪，驗證黃土的穩(wěn)態(tài)孔隙比原理及求取有關(guān)的計算參數(shù)。試驗對充分擾動飽和黃土在各級固結(jié)壓力下計算固結(jié)系數(shù)cv時，采用了時間平方根法，等應(yīng)力比三軸試驗時的應(yīng)力比=3/1，分別取值為0.0、0.3、0.75、1.0四個應(yīng)力比。并且在應(yīng)力比=0.0的條件下，進行了卸載和再壓過程。3 試驗結(jié)果及分析充分擾動飽和黃土在各級固結(jié)壓力下的固結(jié)系數(shù)見表1。表中同時給出了原狀黃土、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擾動飽和黃土的固結(jié)系數(shù)與壓力關(guān)系曲線，對原狀黃土、原狀飽和黃土有關(guān)的規(guī)律性見

6、文獻4，5所述。表1 黃土室內(nèi)側(cè)限固結(jié)試驗的固結(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、充分擾動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)強度時(其結(jié)構(gòu)強度分別為500kPa、49kPa)，固結(jié)系數(shù)值較高且都基本接近一常數(shù)；當固結(jié)壓力接近結(jié)構(gòu)強度時，固結(jié)系數(shù)急劇降低，最后都趨近于各自擾動飽和樣的固結(jié)系數(shù)值，而充分擾動飽和黃土的固結(jié)系數(shù)在各級壓力基本為一常數(shù)。圖3及圖4給出了充分擾動飽和黃土的軸向應(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。這說明對于充分擾動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，可不考慮土體的結(jié)構(gòu)性對其力學(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畫在半對數(shù)坐標紙上，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，見圖5所示。并且在應(yīng)力比=0.0的條件下，進行了卸載，得到了回彈和再壓曲線。由得到的充分擾動飽和黃土的壓密曲線可見，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)力比為零時的關(guān)系曲線平行，且相差很小。這說明充分擾動飽和黃土也滿足穩(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7，即充分擾動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 充分擾動飽和黃土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線圖4 充分擾動飽和黃土體應(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。當采用橢圓屈服面模型時，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)派把剪切破壞時的孔隙比趨向于穩(wěn)定不變時的狀態(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)的概念實際上是土力學(xué)發(fā)展早期針對一維固結(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 充分擾動飽和黃土壓縮曲線圖6 充分擾動飽和黃土壓密曲線通過試驗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，當采用橢圓屈服面模型時，剪縮系數(shù)cd=(cc-cs)log2。由充分擾動飽和黃土三軸固結(jié)排水剪試驗數(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)力比三軸試驗結(jié)果(圖5)比較接近，兩者都表現(xiàn)出減縮量較小，并且進一步證明對于充分擾動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)論試驗結(jié)果表明充分擾動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，可不考慮土體的結(jié)構(gòu)性對其

12、力學(xué)特性的影響，這說明充分擾動飽和黃土滿足穩(wěn)定孔隙比和穩(wěn)定狀態(tài)原理，即充分擾動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，同時為建立黃土結(jié)構(gòu)性本構(gòu)模型奠定了試驗和理論基礎(chǔ)。參 考 文 獻：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，1996，18(2)：1-9.2 劉祖典，胡再強.我國黃土力學(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，2000，33(4)：35-41.4 胡再強，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，2000，(6).775-779.5 胡再強，沈珠江，謝定義. 非飽和黃土的顯微結(jié)構(gòu)與濕陷性J.水利水運科學(xué)研究，2000，(2)：68-71