黄土、黄土力学与黄土工程问题

黄土、黄土力学与黄土工程问题 谢定义 （西安理工大学） 半个世纪来对黄土、黄土力学与黄土工程的研究使得人们的认识逐渐向黄土客观真实的规律相靠近，增强了人们用黄土力学的理论、观点和方法解决复杂黄土工程问题的思考面、可靠度和主动性。但是在它基础上的进一步深化仍然是一个非常具有现实意义的问题。下面仅就笔者接触到的一些主要材料，分别就黄土地质，黄土力学，黄土地基，黄土边坡和黄土洞室等几个方面的有关问题简要地考察一下半个世纪以来研究工作的一些基本结论。

1. 黄土地质 （1）我国的黄土具有覆盖广（平原 ，丘陵，高原 ，山地），厚度大（低阶地5-10m，高阶地20，50-180，200m，兰州西津村400m），大面积连续（乌梢岭以东，太行山以西，长城以南，秦岭以北的黄河中游地区， 28万km2 ）和性质特殊（对水的特殊敏感性）等特点。 （2）从地质特征看，干旱、半干旱地区（北纬33°～47°）黄土以粉粒为主，欠压密、高孔隙、富含可溶性盐（加固凝聚力）以及垂直节理发育等特征。 （3）黄土的成因有风成因，水成因和多成因等不同的学说。有一般认为，典型的、或原生的黄土主要是风成黄土；黄土状土或次生黄土多为其他成因的黄土（如冲积，洪积，坡积，湖泊沉积，冰水沉积，洪积－坡积，洪积－冲积，残积－坡积，冲积－坡积等）或是经过其它营力改造过的风成黄土。 （4）黄土在地貌上有高原类的塬（古地形平坦开阔处）、梁（长条形，长几公里到几十公里，顶宽几十米到几百米）、峁（园、椭圆形、丘陵）和河谷类的多级堆积阶地（宽广处）和基床阶地（狭窄处）。 （5）在中国黄土高原区，黄土对水的敏感性有由西北向东南逐渐减弱的趋势。顺着这个方向，黄土的含水量由小到大，天然容重由低到高，粘粒含量由少到多，湿陷起始压力由小到大，黄土层厚度由厚到薄。 （6）对中国黄土按其基本特征可划分为陇西地区，陇东-陕北-晋西地区，关中地区，山西地区（汾河流域区，晋东南区），河南地区，冀鲁地区（河北区，山东区），北部边缘地区（宁陕区，河西走走廊区，内蒙中部-辽西区）及新疆地区等八个大区。 （7）黄土常按其地层、年代和成因分为统称老黄土的早更新世黄土Q1（也称午城黄土）与中更新世黄土Q2（也称离石黄土)和统称为新黄土的晚更新世黄土Q3（也称马兰黄土）和全新世黄土Q4（分为早期的Q41和新近堆积的Q42)。黄土按其湿陷特性分为非湿陷性黄土和湿陷性黄土。黄土按颗粒组成还可分为砂黄土、粉黄土、粘黄土以及砂质粉黄土、粘质粉黄土、粉质粘黄土等。

2. 黄土力学 （8）黄土对水作用的特殊敏感性表现为它在天然低湿度下的高强度和低压缩性，和一旦浸水甚至增湿时强度大幅度骤降（湿剪性）和变形大幅度突增（湿陷性）的现象。它在定量上有不可忽视性，在定性上有急速发展性。 （9）对黄土的水敏性从产生机理、影响因素、预估方法、指标选择以及工程应用诸方面的研究成了黄土力学研究的特色和重点。力荷载和水荷载（广义的力）及它们在状态、路径、速率、历史、水平上的变化与黄土湿度、密度、结构特性综合作用的力学效应和物理机制是勾画黄土特有变形和强度特性面目的主线条。 ）。? （10）黄土的湿陷性常按某一特定压力p（一般取200kPa）下饱和浸水时侧限压缩试验所得湿陷系数（单位厚度黄土的湿陷变形量）的大小分级评定。双线法测得的湿陷系数较单线法测得的湿陷系数往往略低（最大10 （11）用湿陷系数按分层总和法计算黄土的湿陷量是常用的方法。此时，无论用压缩试验还是三轴试验确定湿陷系数时，都必须尽可能地模拟黄土的实际状况和它的工作条件，甚至需要考虑它在起始含水量，增湿含水量，应力状态，应力路径，应力历史诸方面的特点。近年来黄土力学的研究在这些方面都做了有价值的工作，丰富了对黄土特殊变形强度性质的认识，缩短了黄土力学与工程实际应用之间的距离。当然,如果仍用特定条件下测得的湿陷系数来计算黄土实际的湿陷量,，则需要引入一个拟合实际情况的经验性修正系数。 (12）许多为了定量地描述黄土湿陷的敏感性的指标，没有考虑到湿陷速率的影响。由含水量变化引起增湿变形量变化的快慢来反映湿陷敏感性（采用一定压力下湿陷应变与含水量关系曲线的斜率，或不同初始含水量与湿陷系数作成的曲线上直线段的斜率）似应具有更大的合理性。从黄土在细观上架空颗粒连接的形式（接触连结或胶结连结）分析湿陷量与湿陷敏感性虽具有较好的合理性,但它目前还没能与作为黄土结构性重要方面的粒间胶结对湿陷量与湿陷敏感性的影响相联系，仍然需要更多的工作。 (13)黄土在应力不变情况下增湿时也常会发生剪切破坏（称为黄土的湿剪性）。这种破坏是黄土因物理状态改变而发生的破坏，对它的研究应模拟湿剪切破坏的机理和过程。黄土湿剪的强度包线仍可用直线,但往往并不与通常应力剪切的强度包线相一致. (14）黄土在不同的湿度、密度、应力和结构状态时的应力与应变间关系可以表现为塑性软化型（分为强软化型与弱软化型）和塑性硬化型（分为强硬化型和弱硬化型），有时也会接近理想塑性型。这些应力应变关系可以由试验成果拟合为相应的数学模式，或建立它的弹性非线性增量型的E-μ模型（或改进为E-B模型）、K-G模型（研究中有的不考虑应力p、q的交叉影响的，有的考虑p、q仅对G有交叉影响的，有的考虑p、q对K和G都有交叉影响），并求得相应的参数。当用这类模型进行黄土的增湿变形计算时，黄土的增湿变形量可按增湿前后的含水量分别算出变形量后，由它们的差值来获得。 (15）用弹塑性理论描述黄土应力应变关系的方法，虽在理论上更加完备，但需对屈服条件、流动法则和硬化定律等做出符合黄土性质的确定。研究表明：黄土的破坏准则仍可由莫尔-库仑准则描述；黄土的剪切屈服面和体积屈服面都随外荷载的增大而发展，直到土发生破坏；黄土的剪切屈服面f1一般在低围压下为线性的；黄土的体积屈服面f2，对其硬化部分可由椭圆曲线来拟合，硬化参数以选塑性体应变为较好，它可以使得到的初始屈服面基本上为一个等塑性体应变屈服面，而且该屈服面与塑性势面相重合；而对其软化部分可由双曲线来拟合，其硬化参量以选取塑性功wp为较好（否则将不能满足相适应的流动法则）。当将含水量作为一种广义的力，直接引入屈服函数，而将湿陷变形完全视为塑性变形时，同样可以按照塑性理论的框架得到直接计算湿陷变形的一套关系式。它的湿陷起始屈服面和硬化屈服面也可以用椭圆曲线拟合，硬（软）化屈服面的硬化参数，仍以选用塑性体应变为好，只是含水量愈大，湿陷屈服应力愈小，而且屈服函数中除应力以外的各个参数，都既是硬化参数的函数,又是含水量w的函数。 （16）揭示黄土土颗粒排列的几何特征（以孔隙分布特征最为敏感）和土颗粒联结（物理的和化学的，而以化学的为最敏感）的力学特征，使土的细观结构与宏观力学行为相结合，探讨黄土结构性及其变化引起的不同力学效果具有重要意义。当代反映黄土细观结构与宏观力学行为相结合的基本途径可有细观形态学途径，固体力学途径及土力学途径。 （17）黄土的柱状结构使黄土在与它的垂直节理成正交、平行和45度的面上具有不同的抗剪强度和渗透系数。抗剪强度在平行于垂直节理方向的剪切面上相对最低，且含水量低时受各向异性的影响程度更大。但总体来说，由于对黄土抗剪强度起主要作用的是颗粒的胶结而不是颗粒的排列，故抗剪强度的相差并不很大，实用上一般常可不考虑不同方向上抗剪强度的差异。渗透性在平行于垂直节理方向上最大（k垂直可以为k水平的1.2-2.55倍左右）。因对渗透性起主要作用的不是土颗粒的胶结，而是土颗粒的排列结构，故渗透方向的影响是不能够忽略不计的。 （18）黄土动力特性的研究要面对黄土的结构性、欠压密性、非饱和性以及由此而表现出的各向异性与对水作用的特殊敏感性。对于等幅往返荷载下黄土动三轴试验的方法已在饱和砂土传统动力试验的基础上做出了较系统的新探索。将水力、静力、动力特征和土的湿度、密度状态和结构特征综合作用下的力学效应和物理机制的研究与黄土的区域性变化相结合已开始成了黄土研究中的一条主线。对于随机不规则的动荷作用下黄土动三轴试验的方法也对比了不同加荷时的特性。虽然等幅往返荷载下与随机不规则的动荷作用下均得到了动应力一动应变曲线仍然符合双曲线关系的结论，但在定量上并不相同。随机不规则的动荷的作用有使振陷临界动应力偏大，动振陷值偏小，模量值偏小，阻尼比值偏大的趋势。因此，寻求某种能全面表征各类动力荷载时程本质特性的特征参数还是一个当务之急的工作。 （19）黄土动力特性的研究，在小动荷作用下仍以应力应变关系（或动模量与阻尼比）为主；在大动荷作用下，黄土的振陷是一个比较突出的问题，黄土的强度问题在低湿度时相对次之。饱和的或高湿度的黄土仍会有变形骤增，强度锐减的"类似液化"现象，但它的破损历时较长，孔压水平较低。在强大动应力作用下的干燥黄土也会出现剪切液化现象，它是巨大动应力使黄土迅速拉裂、剪损与搓揉破坏时土孔隙中气压力骤增造成的结果，在机理上不同于饱和土的液化。 （20）黄土的动应力－动应变特性曲线对初始含水量小于缩限的干型黄土有直线关系，在破坏应变范围内的动模量可取为常数，动强度由抗拉强度控制(脆性拉断破坏)，其大小主要随固结应力的增大而增大，受振次变化的影响不明显，而且振密变形很小，可以不考虑它的振陷；对初始含水量大于缩限而小于流限的湿型黄土是双曲线关系，动强度由抗剪强度控制(塑性压剪破坏)，破坏在应变累积到屈服应变时发生。它的动强度与固结应力比的关系，视固结应力对黄土结构性的破坏程度而定。如固结应力尚未使土的结构性完全破坏，则动强度随应力比的增大而减小；如固结应力使土的结构性破坏，后又出现新的压密，则动强度又随应力比的增大而增大。但这种增大只有在动应力超过一定大小之后才能发生，即存在一个"临界动应力"。它随初始含水量的增大而降低，可作为是否需要考虑动变形的界限；对初始含水量大于流限的类饱和黄土也为双曲线，动强度也受抗剪强度控制(塑性压剪破坏)，但动变形要明显偏大和动强度要明显偏低，且动孔压可以有较大的增长，甚至发生"类似液化"的现象，与湿型黄土有明显区别。黄土的双曲线型动应力－动应变关系仍可用等效粘弹性模型来描述。 （21）黄土在静应力、动应力与水作用的不同路径时也表现出不同的变形强度特性。当动荷作用于压缩与浸水之后时，因黄土在震前具有基本相同的密度，故相同的动荷将引起相同的动变形。动应力愈大，动变形也愈大。当动荷作用于压缩与浸水之间时，黄土的动变形随初始含水量和动应力的增大而增大。动荷作用后的浸水对初始含水量低于某一值的黄土，振动只分担完成了原来由湿陷完成的部分变形，且动应力愈大，这一部分也愈大，后继的湿陷愈小，并不增大黄土的总变形；只有在动应力较大或初始含水量较大时，振动的作用将使总变形有所增大，动变形可以远远超过静力的湿陷变形，动荷作用下的破坏和变形可为后继的湿陷提供了更有利的条件。当动荷作用于静力压缩后的浸水过程中时，黄土的动变形随初始含水量的增大而减小，如初始含水量较小，则变形由浸水作用控制，即湿陷变形为总变形的重要部分；如初始含水量较大，则变形由动荷作用控制，即动变形为总变形的主要部分。动荷与浸水的耦合作用不仅可使总变形增大，而且可使试样达到变形稳定的时间大大缩短，