原状黄土结构性及其定量化参数研究
土的结构性是土颗粒空间排列和粒间联结作用的 力学效应 ,这种结构性对于土力学性质的影响首先为 Terzaghi 所认识 ,并被 Skempton 证实 。结构性土具有一 定的结构强度 ,它是土保持原始基本单元结构形式不 被破坏的能力 ,由土的原始结构强度和土粒间固化联 结键强度组成 。原状黄土在沉积过程中形成了大孔隙 骨架结构 ,颗粒间接触点处经过长期的物理化学作用 而逐渐形成了胶结 。实验观察表明 ,由土颗粒和集合 体团粒组成的骨架和骨架间较多的孔隙构成原状黄土 的特殊显微结构 ,从而也使原状黄土一般都具有结构 性和结构强度 ,即具有较高的抗压和抗剪能力 。一旦 固化联结键被破坏 ,如浸水 、扰动等 ,就会发生承载力 降低 、湿陷和强度弱化等现象 。结构性黄土不同于超 压密土 ,它易受应力状态和浸水的影响 。随着围压增 大超过某一限度后结构性将被破坏 ;随着含水率增大 , 水膜增厚 ,胶结物溶解 , 结构性逐渐减弱 ,强度也在降 低[1～5 ] 。
邵生俊 ,周飞飞 ,龙吉勇
(西安理工大学 岩土工程研究所 ,陕西 西安 710048)
摘 要 :较详细地考察了黄土结构性的研究现状 ,在三轴试验的基础上 ,提出了一个既能反映土粒微观排列的结构性 ,又能反映土 粒间由于特殊的胶结结构而综合表现出的宏观力学特征 ,从而可以开展对土的结构性进行研究的结构性参数 mσ 。在分析大量试 验数据的基础上 ,证明了结构性参数的合理性 ,灵敏性和稳定性 ,揭示了 mσ 与影响土结构性的因素之间的变化规律 ,使黄土的结构 性定量化研究有了一个新的基础 。 关键词 :原状黄土 ;结构性 ;定量化参数 中图分类号 : TU 444 文献标识码 :A 文章编号 :1000 - 4548 (2004) 04 - 0531 - 06 作者简介 :邵生俊 (1964 - ) ,男 ,博士 ,教授 ,博士生导师 ,陕西省黄土力学与工程重点实验室副主任 ,主要从事土动力学与黄土力学 研究 。
mσ
=
(σ1 (σ1
-
σ3 ) y σ3 ) r
·((σσ11
-
σ3 ) y σ3 ) s
。
(1)
从式 (1) 可以看出 :土的原始联结越强 ,扰动重塑
后的强度损失越大 ,土的结构性参数越大 ;浸水作用下
结构性破坏越大 ,饱和原状样的强度损失越大 ,土的结
构性参数也越大 。随着应变发展 ,原状样的结构性逐
Ξ 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (1017207) ;陕西省自然科 学基金资助项目 (2001c52)
收稿日期 :2003 - 08 - 22
532
岩 土 工 程 学 报
2004 年
状土对水的敏感性越强 ,则综合结构势越大 ,反映土的 结构性越强 。该结构势实际上间接反映了土的灵敏度 和土的湿陷性 。但是 ,压缩试验受侧限变形的局限性 , 不能反映剪切变形发展结构性的变化 ,且是人工制备 土 ,与原状黄土有实质的区别 。对于原状黄土特殊的 结构 ,十分有必要进行深入研究 。
谢定义等认为扰动 、加荷和浸水是改变原状土结 构的主要作用 ,通过重塑 、扰动和浸水饱和可使原状土 的结构势充分释放出来 。因此 ,通过人工制备结构性 土 、重塑土和饱和土的压缩试验 ,测试了它们的压缩变 形过程 ,并由原状结构性土和相同密度及含水率下重 塑土的变形量比较反映胶结结构的作用和空间排列变 化的影响 ,由原状结构性土及其饱和土变形量的比较 反映浸水胶质溶解和水膜失效的影响 。从而基于压缩 变形构造了一个反映结构性的定量化参数 ———综合结 构势 。原状土的胶结作用和空间排列稳定性越强 ,原
响 。原状土含水率分别为 2 % ,8. 5 % ,15 %和 18 % ,从
而反映含水率对结构性和结构性参数的影响 。采取原
状土的天然含水率为 8. 5 % ,干密度约为 1. 30 gΠcm3 。
含水率为 2 %的原状土采用天然原状土风干的方法制
备 。含水率为 15 %和 18 %的原状样采用天然原状土
vide a good foundation for the deep research on the structural properties of loess.
Key words :intact loess ; structural properties ; quantitative parameter
应该认识到结构性是决定黄土力学特性的一个最 为根本的内在因素 ,它和其它描述物理性质的量 ,如粒
度 、密度和湿度 ,将成为变形 、强度等力学特性变化的 主要依据 。但是 ,仅仅认识到结构性对土宏观变形和 力学特性影响是不够的 ,而应该更深入地对黄土的结 构性本身进行研究 。近年来随着对黄土结构性研究的 深入 ,对结构性的研究正在由定性研究向定量化研究 迈进 ,出现了一些考虑土结构性影响的结构性参数 ,而 这些参数的研究集中在一般粘性土和人工制备的结构 性土 。
第 26 卷 第 4 期 2004 年 7 月
岩 土 工 程 学 报
Chinese J ournal of Geotechnical Engineering
Vol . 26 No. 4 J uly , 2004
原状黄土结构性及其定量化参数研究
Structural prop ertie s of lo e ss and its quantitative p ara meter
基于以上的认识,依据它们 的应力应变曲线 ,可以得到给定应变条件下不同结构
状态土各自的主应力差 (σ1 - σ3 ) y 、(σ1 - σ3 ) r 和 (σ1 σ3 ) s 来反映扰动 、浸水和加荷作用下土的结构性变化 。
其中 , (σ1 - σ3 ) y 表示天然沉积黄土剪切过程结构性
较小 ( w = 2 % ,8. 5 %) 时 ,其结构性明显 ,破坏形式受 侧向压力影响较大 。围压较小时 ,应力应变曲线呈软 化型 ,曲线明显地分为三段 。第一段反映结构保持完 好状态下的变形 ,基本上呈变形线性单调增大阶段 ,具 有一定的剪缩体变 ;第二段代表结构大量破损阶段 ,颗 粒之间产生滑移 ,尽管伴随大孔隙结构的塌陷 ,但剪切 带正逐渐产生 ,已开始出现剪胀现象 ;到了第三段 ,剪 切带已形成 ,且剪切带有增厚的趋势 ,剪缩和剪胀处于
erties of soil . At the same time ,based on the analysis of plentiful test results , not only the rationality , sensitivity and stability of the fabric index , but also the variation of quantitative parameter mσ and the influence factors of soil structure have been revealed and verified. These works will pro2
SHAO Sheng2jun ,ZHOU Fei2fei ,LONGJi2yong
(Institute of Geo2engineering , Xi’an University of Technolgy , Xi’an 710048 ,China)
Abstract : This paper gives a detailed observation of the structural properties of intact loess . Based on the results of triaxial compression tests of in2
在固结排水三轴剪切的条件下 ,随着应变发展 ,原 状土体内部颗粒排列和胶结结构不断发生调整 ,原生 结构逐渐破坏 ,次生结构逐渐生成 。原生结构在压剪 作用下的抗力构成主要表现为胶结产生的抗力 ,水膜 吸力作用产生的抗力以及嵌固摩擦作用产生的抗力三 部分 。通过原状土重塑扰动和浸水饱和可分别使原状 土由胶结作用 、土粒空间排列 、水膜吸力作用所表现出 的结构势释放 。综合比较分析原状土 、重塑土和饱和 原状土剪切变形过程中抗剪应力变化 ,可以揭示结构 性随剪切变形的发展 。因此黄土的结构性参数应该是 动态变化的 ,并且在相当程度上涵盖粒度 、密度和湿度 等影响土力学性质的因素 。结构性参数的最终表达式 应该是粒度 、湿度 、密度 、应变和应力等的函数 。
tact loess , a quantitative parameter of structural properties , which can not only reflect the microstructure and arrangement of the particles but also the microcosmic mechanic characteristics due to the particular coherent structure of soil particles , has been proposed to explore the structural prop2
天然沉积的原状黄土未经扰动 、加荷或浸水作用 时 ,其原结构保持不变 ,表现为具有一定的结构性 。使 土的结构性发生变化或破坏的途径可以是扰动 、加荷 和浸水 。扰动能破坏土的联结作用和已形成的稳定空 间排列 ,使土颗粒间的胶结作用表现出的结构势彻底 释放出来 ;加荷能使土骨架受到压剪作用 ,弱联结 、不 稳定的部位首先破坏 ,逐渐发挥次联结和稳定部位的 抵抗作用 ,但终究既改变了土颗粒的排列方式 ,又改变 了土颗粒的联结特征 ;浸水既可使土中的化学物质弱 化 、溶解 , 吸力联结丧失 , 水膜楔入又可使土发生膨 胀[6～7] 。即通过加荷 、浸水和扰动作用使天然原状土 体的结构发生改变 ,通过原状土 、重塑土和饱和土的三 轴剪切试验 ,寻求建立反映结构性的定量化指标 。
滴定注水的方法制备 ,先对试样加水 ,然后在保湿缸中
洛川剖面黄土的结构性及其力学特征研究
洛川剖面黄土的结构性及其力学特征研究一、研究背景黄土这种自然界的伟大创造，自古以来就以其独特的魅力和神奇的力量，让人们为之倾倒。
它既是大自然的馈赠，也是人类文明的摇篮。
然而随着社会的发展和人口的增长，黄土的生态环境正在遭受严重的破坏。
为了保护这片神奇的土地，我们有必要深入研究其结构性和力学特征，以便更好地利用和保护这一宝贵的资源。
洛川剖面位于陕西省洛川县境内，是黄土高原的一个重要剖面。
这里地势平坦，地貌类型丰富多样，黄土层厚薄不一，结构复杂多变。
因此对于洛川剖面黄土的结构性和力学特征的研究，具有很高的科学价值和实际意义。
在过去的几十年里，我国的黄土研究取得了显著的成果，为我们提供了丰富的理论依据和实践经验。
然而由于各种原因，我们在黄土领域的研究仍然存在一些不足之处。
例如对于黄土的微观结构和力学特性的研究还不够深入，对于黄土在不同环境条件下的变形规律和稳定性分析还有待完善。
因此开展洛川剖面黄土的结构性及其力学特征研究，对于提高我国黄土研究的水平，促进黄土资源的可持续利用具有重要的现实意义。
1. 黄土在人类历史和现代社会中的重要性；黄土这种看似普通却又无比重要的自然物质，自古以来就在人类的生活中扮演着重要角色。
它不仅是我们祖先生活的基础，也是我们现代社会的重要资源。
黄土的广泛分布和丰富储量，使其在农业、建筑、环保等领域都有着不可替代的作用。
然而黄土的特殊结构性和力学特征，使得它在人类历史和现代社会中的重要性更加凸显。
黄土不仅承载着我们的记忆，更是塑造了我们的文明。
从古代的长城、秦始皇兵马俑，到现代的高速公路、高楼大厦，黄土都在其中扮演着关键的角色。
每一块砖石、每一粒沙砾，都是黄土的结晶，都是历史的见证。
黄土的存在，让我们有了生活的依托，也让我们有了追求进步的动力。
黄土的力学特征也是其独特魅力的一部分，它的强度和稳定性，使得它能够在各种恶劣环境中屹立不倒。
无论是风吹雨打，还是地震洪水，黄土都能坚守自己的岗位，保护着我们的家园。
马兰黄土变形性及微观结构特征研究
马兰黄土变形性及微观结构特征研究王冠民;刘沛林;王蓬;姜振泉;钱自卫【摘要】简要介绍了马兰黄土力学强度、变形性及微观结构特征。
采用单轴压缩试验及电镜扫描方法，对原状及重塑黄土样的物理力学性质及微观结构特征进行了研究。
结果表明，马兰黄土原状土样和重塑土样均表现出很强的塑性变形特点，且其塑性变形性随含水量的增大而更加明显；相近稠度状态条件下，重塑土样较原状土样产生的变形量更大，表明原状土样具有一定的结构强度；单轴压缩试验前，原状马兰黄土呈支架大孔微胶结结构，颗粒之间多为点-点、点-棱接触；试验后，微观结构转为镶嵌微孔微胶结结构，支架架空结构发生破坏，土体变得致密。
【期刊名称】《建井技术》【年(卷),期】2013(000)005【总页数】3页(P30-32)【关键词】马兰黄土;单轴压缩;变形性;微观结构【作者】王冠民;刘沛林;王蓬;姜振泉;钱自卫【作者单位】陕西彬长矿业有限公司煤化工分公司，陕西咸阳，713500;陕西彬长矿业有限公司煤化工分公司，陕西咸阳，713500;陕西彬长矿业有限公司煤化工分公司，陕西咸阳，713500;中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州，221116; 徐州中矿井巷注浆防治水新技术有限公司，江苏徐州，221008;中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州，221116; 徐州中矿井巷注浆防治水新技术有限公司，江苏徐州，221008【正文语种】中文【中图分类】TD163+.1陕西彬长矿区位于黄陇侏罗系煤田中部，是全国13个特大型煤炭基地之一。
目前矿区尚处于开发初期，一些矿井正在建设和规划中。
彬长矿区矿井建设的制约因素之一，是深厚的新生界松散土层［1］。
马兰黄土是该地区典型的新生界松散土层，呈厚层状，褐黄色含砂粘土和浅黄色粉质粘土间隔分布，单层厚度3～8m。
含砂粘土较致密，块状结构，具少量裂隙；粉质粘土呈半固态，土质疏松，具大孔隙，垂直节理发育，遇水易水解破坏。
井筒掘进揭露的围岩，存在垂向离层崩裂的潜在威胁，变形控制难度较大。
袖珍贯入仪确定土结构性及其定量化参数研究
收 稿 日期 ：０２ ０ —１ ２０ — ６ １． 基 金 项 目 ： 家 自然科 学 基 金 资 助 项 目（ ９ ７ １５） 国 ４ ６ ２６
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天津大 学学报
第 ３ 卷 第 ６期 ２０ ５ ０ ２年 １ 月 １
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ Ｔ ＡＮ Ｉ Ｉ Ｊ Ｎ ＵＮＩ ＶＥＲ Ｉ Ｙ Ｖｏ ． ５ Ｎｏ ６ Ｎｏ ． ２ ｘ２ ＳＴ １３ ． ｖ 【】
袖 珍 贯 入 仪 确 定 土 结构 性 及 其 定 量 化 参 数 研 究
题 的优 越 性 ， 对土 结构 定 量研 究 具有 良好 的适 用 性．
由分 别定 量 化 到综 合 定 量 化 的条 件 下 ， 议 最 好 用 简 建 单可 靠 的方 法 ， 土 的变 形强 度 特性 人 手 ， 从 直接 寻 求一 个合 理 、 稳定 并 适 用 于 各 类 土 的结 构 性 指 标 ． 于 此 ， 基 提 出 了一种 土 结构 性 参 数研 究 的 新 思 路 — — 微 型贯
提 出 了一种 研 究土 结 构 性 参 数 的思 路 ， 以综 合 结 构 势 作为 土 的结 构性 参 数 ， 给 出 了一 种 表 示 土 的综 合 结 并
构势 的 表达 式 ：
ｍ。＝．． ／ｓ ｓｓ 。
式 中 ：。 Ｓ 和 Ｓ Ｓ 、 分别 为 原状 样 、 塑 样 和 饱 和样 在 某 重
沈 珠 江 院 士 打破 了 土 力 学 研 究 中 的一 些 传 统 观 点 ， 土 的结 构 特 性 定 量 地 引 入 到 变 形 强 度 规 律 的研 将 究 中 ， 将此 作 为 ２ 并 ｌ世 纪 土 力 学 研 究 的核 心 问题 Ｊ ．
谢 定 义 地 创
人仪 试 验法 ．
CT扫描技术在我国土工试验中的应用研究进展
CT扫描技术在我国土工试验中的应用研究进展王艳丽;程展林【摘要】介绍岩土CT可视化系统的特点,总结CT扫描技术在土工试验中的应用情况,包括黄土、冻土、膨胀土、粗粒土等土体的初始结构观测与结构性演化方面的研究进展,指出开发定量的计算机图像分析系统,通过CT细观结构图像来建立土体数值模型和开发研制动态试验CT扫描设备是今后应予以深入关注的研究方向.【期刊名称】《地震工程学报》【年(卷),期】2015(037)0z1【总页数】5页(P35-39)【关键词】CT技术;土工试验;结构演化;动态试验【作者】王艳丽;程展林【作者单位】长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室,湖北武汉430010;长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室,湖北武汉430010【正文语种】中文【中图分类】TU411.92土是由岩石经过风化后产生的松散物集合体,土体的宏观工程性质受微细结构状态和变化规律影响。
土体微细结构的多样性和易变性决定了土体工程性质在宏观上的非连续性、不均匀性、各向异性和非确定性[1]。
土体微细结构的变化规律及其对宏观力学行为影响的研究是近年来岩土学术界和工程界的前沿课题,也是未来岩土工程研究的发展趋势[2]。
土工试验是认识土体材料特性和揭示土工问题的重要手段,传统的土工试验是建立在材料均质假设基础上的宏观应力和应变的测试。
近年来许多学者开始重视土体的微细观力学行为,认识到宏观的变形破坏由微细结构变形的累积扩展而成,掌握微细结构变形破坏的规律可以为岩土工程出现的问题给出更科学的解释。
土体微细结构研究的试验方法有多种,如压汞法、气体吸附法、X射线分析法、扫描电镜法、计算机断面成像技术(CT技术)等。
其中CT技术因具有无损、动态、定量检测且分层识别材料内部组成与结构信息、高分辨率数字图像显示等优点而倍受国内外工程领域及学术界的重视。
近年来,CT技术在材料的无损检测和内部结构及结构性演化方面取得了长足的进展,研究对象包括岩石、混凝土、沥青、水泥、煤炭、黄土、膨胀土、冻土、粗粒土、红黏土、根植土和加筋土等,研究方向涉及材料的细观结构分析、物质的迁移和利用CT图像建立岩土材料数值模型等方面。
震后击实黄土和原状黄土的液化试验研究
伺 服 土动 三 轴 试 验 系统 ， 微 结 构 分 析 采用 Ｓ － ３ ０ ０ ０ Ｎ
扫描 电镜 进行 ， 级 配分 析 采 用 Ｍ ａ ｓ ｔ ｅ ｒ ｓ ｉ ｚ ｅ ｒ ２ ０ ０ ０激 光
粒 度 分析仪 进行 ．
１ ． ２ 试 样
用 于实 际工 程建设 之 中 ， 如 地 基 填筑 和地 基 处 理 等
级 加载 围压 和反压 ， 直 到 Ｂ值 达 到 ０ ． ８ ５以上 ． 试验
１ 仪器 、 试 样 和 方 案
１ ． １ 仪 器
在 固结 不 排 水 条 件 下 进 行 ， 试 验 时 的 固结 压 力 取
１ ０ ０ ｋ Ｐ ａ ， 固结完成后 ， 施加不同的动荷载 ， 直到试样
破坏 为止 ．
孔 隙比 ｅ ｏ
１ ． ０ ９
塑 性 指 数
， ｐ
１ ２． ｏ ８
粘粒
８． ５ ２
兰
粉粒
砂粒
５ ． ８ ９
８ ５ ． ５ ９
１ ． ３ 方
案
１ ） 试 验采用 多 次 击 实进 行 ． 第 一 次 重 塑 试样 来 自于制取 原状 样时 切 削 下来 的土 ； 第 二 次 重 塑样 为 第 一次重 塑样 试验 后击 实得 到 ； 第 三 次 重 塑 样 为第 二次 重塑 样试验 后 击实 制 成 ． 击 实 样 的制备 采用 与 原状样 相 同 的干密度 ， 分５ 层 缓慢 均匀 击实 而成 ． ２ ） 试 样采 用水 头 与反 压 饱 和 法 ］ ． 首 先 将 试 样 通 过脱气 水水 位 差 循 环 渗 流 法 进 行 １ ｈ饱 和 ， 再 逐
表 １ 试 验 原 状 黄 土 的物 性 指 标
【国家自然科学基金】_定量化参数_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140731
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102
推荐指数 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2010年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52
2008年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52
2009年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52
黄土压缩特性试验分析
黄土压缩特性试验分析摘要：基于非饱和土力学理论，并考虑黄土结构性的影响，本文通过三轴剪切试验取得了原状黄土的压缩性随含水量的增加而增加的结论，确定了土体割线模量与含水量之间的定量关系。
关键词：非饱和土；湿陷性黄土；三轴剪切试验；割线模量；含水量中图分类号：c33 文献标识码：a 文章编号：1引言黄土属于粘性土类，但又与一般的粘性土有所不同。
黄土的变形是力与水对上共同作用的结果，其大小与应力状态和含水量密切相关。
本章对陕西西安原状黄土进行了增湿情况下的三轴压缩试验，通过对试验结果进行对比分析，总结出了黄土增湿过程中压缩性，也就是含水量与土体压缩模量之间的关系。
2试验用土的基本性质试验用的黄土，取自陕西西安市区，属于典型的q3黄土。
取土深度为1.5m~5.0 m，土体呈褐黄色，可塑状态，天然含水量为13.6% ~30.5%，天然密度为1.38~1.76g/cm3天然孔隙比为0.91~1.28，针状孔隙及大孔隙发育，含白色钙质条纹及个别小姜石。
27%＜wl＜34.7%, wp =18.2%，在天然含水量下，试验用土的孔隙比e＞1.0。
3试验内容本章对几组不同含水量的土样进行了固结压缩试验，对试验的结果进行了分析对比。
试验仪器：应变控制式三轴仪。
试样尺寸：三轴试样为直径39.1mm，高度为80mm。
试验准备阶段：选择合适量程的测力计；保证孔隙水压力测量系统内部的气泡完全排出；检查管路，保证无漏水、漏气现象发生；保证橡皮膜弹性状态完好，且并无破损。
4 试验成果分析4.1不同含水量下的压缩模量比较土的压缩模量是体现土体压缩特性的量化指标，它的定义是“土体在完全侧限条件下的竖向附加应力与相应的应变增量之比”。
但是，想要得到压缩试验结果的方法只有通过曲线或者曲线才行，而这两种方法均要受到土体初始孔隙比的影响。
因此，本文参考刘保健和张军丽通过对大量对比试验资料的分析，提出的割线模量es0的概念，并对其进行量化分析。
基于CT技术的原状黄土细观结构动态演化特征
刘海 松等 Ｕ ｌ 将非饱 和黄土 的结构性与黄土湿 陷性结 合起来 ， 明确 了结构性对湿 陷变形的影 响；邵 生俊等…】
提 出的结构性参 数是用 原状黄 土及其重 塑土 的主应 力差
域 ，绝 大部分黄土 处于非饱 和状态 ，而非饱和黄土 的力 学特 性 明显区别于饱 和土 ，研 究黄土 的力学特性必 须考 虑 非饱和特征 ，尤 其是要考虑吸力 的作用 Ｉ 】 。 ］ 。非饱 和黄 土具有天 然的结构 性 ，这一 结构特征 影响 了黄土 的力学 变 形特性＿ ４ ｊ 。由于结构性而形成诸多天然直立 高陡边坡 等特殊 地质地貌现 象 。结 构性代表 了土的结构形 式 以及 物理化 学组成 ，这 是黄土 力学变形 响应 区别于其他 特殊 土的重要 因素＿ ６ Ｊ 。因此 ，研究黄土 的力学特征不能绕开非 饱和 以及结构性 ２个重要特征 。 研究土 的结构性 方法主要包 括微 结构形态学 、固体 力学及土力学…。 微 结构形态学从定性描述逐渐发展到定 量描述，深化 了对土 的微结构 的认识［ ７ １ ；固体力学则建立 种能够有 效描述土 结构性在 受力过程 中的变化和 破坏 模 型 ，由此 反映土的宏 观力学特 性『 ８ ］ 。土力学方法则是从 其基本概 念和方法 出发研究 土的结构性 与土 的工程 性质
第３ ３卷 第 １ ３期 １ ３ ４ ２ ０ １ ７ 年 ７月
农 业 工 程 学 报
三轴试验条件下的结构性参数
三轴试验条件下的结构性参数陈茜;骆亚生;程大伟【摘要】对三轴试验条件下结构性参数进行简化,得到了采用割线模量表示的结构性参数,避免了由于起始状态土体的主应力差、主应变均为0,造成基于主应力差描述的三轴试验条件下结构性参数在此状态下均无法求解的现象.通过对土体结构性参数的计算条件进行分析,构建了以主应变为单变量描述的结构性参数模型.采用单变量描述的结构性参数直观地反映了主动作用对土体结构性的影响,并且简化了结构性参数的计算过程.对甘肃省刘家峡某地黄土进行了三轴试验,探讨三轴试验条件下结构性参数的变化规律.试验结果表明:土体的力学性质由土体自身的结构特性所决定,而作用在土体上的围压、含水率等外部条件的变化会改变土体的结构特性.【期刊名称】《江苏大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(035)003【总页数】5页(P349-353)【关键词】结构性参数;结构特性;三轴试验;割线模量;单变量模型【作者】陈茜;骆亚生;程大伟【作者单位】西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西杨凌712100;西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西杨凌712100;西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西杨凌712100【正文语种】中文【中图分类】TU435土的结构性是其强度、变形的内在决定因素.在土结构性研究的三大基本途径(细观形态学途径、固体力学途径和土力学途径)中，土力学方法因具有很大的潜力和良好的发展前景，为业界学者所青睐.R.Brewer［1］研究发现了土的结构要素的完整性，特别是土的结构单元的定向排列和分布特征.N.K.Tovey［2］利用液氮冻干技术和电镜扫描胶带剥离技术等研究了原状土的结构性，提出了土结构的微观图像定量分析的方法.Yong R.N.等［3］指出不同层次的微结构在受力时表现出不同的力学行为.M.Kavvadas等［4］以适用于重塑土的Cam-Clay模型为基础构建了结构性土的模型.谢定义、齐吉琳［5-6］提出了反映结构性的定量化参数，并将其引入土的变形本构关系和强度本构关系，使土结构性的研究具有新的特色.陈存礼等［7］根据同压力下原状土、重塑土和饱和土的孔隙比定义了一个结构性定量化参数，并通过试验研究了原状黄土的结构性随压力及含水率变化的规律性.骆亚生等［8-9］提出了反映土结构性的应变综合结构性参数，并将其推广到动力条件下，提出土的动结构性参数，建立了对应于复杂应力条件的土结构性本构模型.邵生俊等［10］通过三轴试验，由原状土、重塑土和饱和土的主应力差比值提出了另一种结构性参数，并将结构性参数引入到原状黄土应力应变研究中.三轴压缩试验是一种较完善的测定土体抗剪强度的方法，其试样的应力较为明确和均匀.但是采用该方法也存在变量太多，很难厘清不同变量对结构性的影响程度，同时对结构性参数的计算造成一定的麻烦的问题，且由于起始状态土体的主应力差、主应变均为0，造成采用主应力差表示的结构性参数在此状态下无法求解.本研究对三轴试验条件下结构性参数进行分析，给出采用割线模量表示的结构性参数.然后，基于三轴试验土体应力-应变关系建立结构性参数的单变量模型，对甘肃省刘家峡某地黄土进行试验，以探讨三轴试验条件下结构性参数变化规律.1 三轴试验条件下结构性参数单变量模型三轴试验条件下结构性参数可由对应于相同应变条件下原状土、重塑土和饱和土各自主应力差的比值来表示，表达式为式中:mε1为基于主应力差考虑的土结构性参数;(σ1-σ3)y为主应变εy1时原状土体的主应力差;(σ1-σ3)r为主应变εr1时重塑土体的主应力差;(σ1-σ3)s为主应变εs1时饱和原状土体主应力差.考虑到(σ1- σ3)y，(σ1- σ3)r和(σ1- σ3)s为对应于相同主应变ε1的应力，则式(1)可简化为式中:Edy为主应变ε1时原状土体的割线模量;Edr为主应变ε1时重塑土体的割线模量;Eds为主应变ε1时原状饱和土体的割线模量.式(2)是基于割线模量表达的结构性参数，避免了由于起始状态土体的主应力差、主应变均为0，造成采用主应力差表示的结构性参数在此状态下无法求解.考虑到三轴条件下土体应力-应变关系，即式中:a，b为试验常数.根据对式(1)的定义，(σ1-σ3)y，(σ1-σ3)r和(σ1- σ3)s对应的原状土体主应变εy1、重塑土体主应变εr1和饱和原状土体主应变εs1三者相等，等于主应变ε1，即则式中:ay，by，ar，br，as，bs分别为原状土体、重塑土体和饱和土体的三轴试验常数.将式(5)-(7)代入式(2)，则可获得以ε1为单变量的结构性参数模型:由于涉及的单变量是主动作用，所以用式(8)表示土结构性参数可以直观地反映主动作用对土体结构性的影响.此外，采用单变量表示土结构性参数，可以简化计算过程，利于实现数值计算.2 三轴试验下结构性参数2.1 试验方法及数据黄土土样来自甘肃省刘家峡某地，其天然含水率为10.8%，干密度1.31 g·cm-3，饱和含水率为39%.试验设备为常规三轴剪切仪，采用固结排水试验(CD).固结围压分别取 100，200，400 kPa，采用滴水配水法，土样含水率分别为11%，15%，19%，23%和饱和含水率.试验数据见图1.由图1可见，在剪切过程中黄土应力-应变关系易受应力状态(围压)和水湿状态的影响.当初始固结围压小及含水率较低时，其强度特性近似超固结土，应力-应变曲线呈弱硬化或软化型，并有剪胀现象.当固结围压大或含水率高时，在固结阶段，胶结咬合作用遭部分或完全破坏，其强度特性近似正常固结土，应力-应变曲线呈强硬化型，并有剪缩现象.由于重塑土的排列结构已经遭到破坏，故剪切过程中，重塑土表现出的抵抗剪切破坏能力明显变低.图1 原状土和重塑土的应力-应变曲线用式(3)对试验数据进行拟合，得到的拟合参数如表1所示.表1 试验拟合参数一览表围压/kPa 含水率/%试验常数原状土重塑土拟合参数/10-4 R2 拟合参数/10-4 R2 11 a 0.38 b 22.54 1.00 1.41 24.25 1.00 15 a 0.60b 26.63 1.00 1.41 24.25 1.00 10019 a 1.04 b 25.81 0.99 2.21 23.92 1.00 23 a1.64 b 28.47 0.99 3.29 20.38 1.00 39 a2.70 b 26.130.99 11 a 0.32 b 16.630.97 1.01 12.68 1.00 15 a 0.46 b 16.99 0.99 1.09 13.84 1.00 20019 a 0.90 b15.47 0.98 1.26 14.77 1.00 23 a 1.35 b 13.80 0.99 1.33 15.96 1.00 39 a 1.99b 11.461.00续表围压/kPa 含水率/%试验常数原状土重塑土拟合参数/10-4 R2 拟合参数/10-4 R2 11 a 0.44 b 5.56 0.99 0.87 3.59 1.00 15 a 0.62 b 5.64 0.99 0.85 4.771.00 30019 a 0.82 b 5.14 0.99 0.76 6.47 1.00 23 a 1.10 b 4.32 1.00 0.87 3.591.00 39 a 1.04 b 4.861.002.2 三轴试验下结构性参数变化规律将表1数据拟合参数代入式(8)中，可以得到不同围压时三轴试验条件下的结构性参数.图2为不同围压下土样结构性参数曲线.图2 不同围压下土样结构性参数曲线由图2可见，在相同围压条件下，对应于相同的应变，结构性参数均随含水率增大而减小.其原因在于黄土的联结强度来自土颗粒间胶结力、机械力(如摩擦力)、双电层力及毛细管张力等土颗粒间的结合力，土中胶结物、黏结物及水分的存在，常使黄土的结构要素间产生显著的结构联结，而使黄土具有一定的联结强度.对黄土浸水增湿，土中含水率增大，会造成胶凝物质间由于水膜楔入而距离拉大，胶结力减弱;溶剂化液膜增厚而颗粒间摩擦力降低;双电层中离子浓度降低，排斥力将占优势;毛管张力引发的法向应力将迅速减小甚至完全消失［6-7］.因此，浸水增湿会削弱黄土的联结强度.从而造成结构性参数均随含水率增大而减小.由图2可知:当围压或含水率不太大(如σ3=100 kPa或w≤15%)时，结构性参数随应变增大而递减，且递减速度具有先陡后缓的特点;当围压或含水率较大(如σ3=300 kPa，且w≥19%)时，结构性参数随应变增大而递增，且递增速度具有先陡后缓的特点.这些变化特性印证了文献［11］的结论.即主动作用(应力或应变)的存在，将使土体部分颗粒的联结中出现微隙和位移(滑动位移)，随着主动作用继续增大，微隙和位移也随之进一步增大、增多，甚至土体颗粒的团粒遭到破碎和碎裂，直至初始结构强度遭到完全的破坏.同时，土体颗粒间的相互移动和压密也形成新的次生结构.在这个原生结构被破坏、次生结构形成的过程中，如果前者影响远超过后者，则土体将会衰化或软化，直至最终被破坏;如果后者影响大于前者，则土体将进一步被压实或硬化.显然，当围压或含水率不太大时，结构性参数随应变的变化所表现出来的特征属于原生结构破坏的影响远超过次生结构形成的情形，此条件下土体趋向衰化或软化;当围压和含水率较大时，结构性参数随应变的变化规律所表现出来的特征属于次生结构形成的影响远超过原生结构破坏的情形，此时土体趋向进一步被压实或硬化，这与2.1节相同条件下原状土体剪切过程的试验现象相吻合.三轴试验结果的分析表明:土体的力学性质由土体自身的结构所决定，而作用在土体上的外部条件(如围压、含水率等)的变化会改变土体的结构特性.3 结论1)对三轴试验条件下结构性参数进行化简得到了采用割线模量表示的结构性参数，其积极意义在于避免了由于起始状态土体的主应力差、主应变均为0，造成基于主应力差描述的三轴试验条件下结构性参数在此状态下均无法求解的现象.2)构建了以主应变为单变量描述的土体结构性参数模型，采用主动作用为单变量描述的土体结构性参数的积极意义，一方面在于它可以直观地反映主动作用对土体结构性的影响;另一方面，采用单变量表示土结构性参数，可以简化计算过程，利于实现数值计算.3)甘肃省刘家峡某地黄土进行三轴试验，探讨三轴试验条件下结构性参数的变化规律.试验结果表明:土体的力学性质由土体自身的结构所决定，而作用在土体上的外部条件(如围压、含水率)的变化会改变土体的结构特性.参考文献(References)【相关文献】［1］Brewer R.Fabric and mineral analysis of soils［J］.Soil Science，1964，100(1):439-455.［2］Tovey N K.Quantitative analysis of electron micrographs of soil microstructure［C］∥Proceedings of the International Symposi um on Soil Structure.1973，1:50-57.［3］Yong R N，Sheeran D E.Fabric unit interaction and soil behavior［C］∥Proceedingsof the International Symposium on Soil Structure.1973，1:176-183.［4］Kavvadas M，Amorosi A.A constitutive model for structured soils［J］.Geotechnique，2000，50(3):263-273.［5］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 Dingyi，Qi Jilin.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)［6］齐吉琳.土的结构性及其定量化参数的研究［D］.西安:西安理工大学土木建筑工程学院，1999.［7］陈存礼，胡再强，高鹏.原状黄土的结构性及其与变形特性关系研究［J］.岩土力学，2006，27(11):1891-1896.Chen Cunli，Hu Zaiqiang，Gao Peng.Research on relationship between structure and deformation property of intact loess［J］.Rock and Soil Mechanics，2006，27(11):1891-1896.(in Chinese)［8］骆亚生，谢定义，邵生俊，等.复杂应力状态下的土结构性参数［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(24):4248-4251.Luo Yasheng，Xie Dingyi，Shao Shengjun，et al.Soil structural parameters under complex stress conditions［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(24):4248-4251.(in Chinese)［9］骆亚生，谢定义.复杂应力条件下土的结构性本构关系［J］.四川大学学报:工程科学版，2005，37(5):14-18.Luo Yasheng，Xie Dingyi.Structural constitutive relation of soils under complex stress conditions［J］.Journal of Sichuan University:Engineering Science Edition，2005，37(5):14-18.(in Chinese)［10］邵生俊，周飞飞，龙吉勇.原状黄土结构性及其定量化参数研究［J］.岩土工程学报，2004，26(4):531-536.Shao Shengjun，Zhou Feifei，Long Jiyong.Structural properties of loessand its quantitative parameter［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2004，26(4):531-536.(in Chinese)［11］谢定义，姚仰平，党发宁.高等土力学［M］.北京:高等教育出版社，2007.。
土结构性变化对开挖边坡稳定性的影响分析
D 0.11 ，
(6) (7)
E e1 w e2 。
压，其余试验参数取值如表 1 所示。
2
结构性土的莫尔–库仑强度准则
其中， w ， pa 和 3c 分别表示含水率、大气压强和围 从式（2）建立的结构性参数可以看出，该结构 性参数实际上反映了土体含水率、固结围压以及剪切 变形之间的综合影响。其变化规律如图1～3所示。
摘
要：基于对结构性的研究和常规三轴试验，合理评价了土结构性变化规律，建立了考虑土体剪应力和球应力综合
影响的应力比结构性参数并提出适用表达式，分析了该结构性参数与强度参数之间的关系。在边坡开挖过程中，土体 结构性的变化将对土体强度参数产生影响，在此基础上，进行了考虑结构性变化的边坡开挖安全稳定性评价，同传统 的不考虑土体结构性边坡开挖的评价方法进行了分析对比，结果表明：结构性的变化对边坡开挖及其稳定性有较大影 响，当考虑土体结构性变化的影响时，边坡开挖后的安全系数小于不考虑结构性变化时的边坡开挖安全系数。 关键词：结构性参数；强度参数；边坡开挖稳定；强度折减法 中图分类号：TU452 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2011)12–1938–05 作者简介：陈昌禄(1974– )，男，四川合江人，博士，从事黄土力学研究。E-mail: ccl@。
图 2 含水率为 8.5%时的结构性参数 Fig. 2 Structural parameters for water content of loess = 8.5%
(1)
m 为应力比结构性参数；q 和 p 分别表示广义
剪应力和球应力； (q/p )i 、 (q/p )r 和 (q/p )s 分别表示原 状土、重塑土和饱和土在剪切过程中的应力比； 为 应力比。 从式（1）可以看出，结构性参数 m 不仅考虑了 剪应力对土结构性的作用，同时也反映了球应力对结 构性的影响，是对应力结构性参数的继承和发展。 为方便应用，将应力比结构性参数 m 和广义剪 应变 s 之间的关系式整理如下：