（岩土工程专业论文）饱和结构性Klt0gt固结黄土的变形强度特性研究.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 饱和结构性固结黄土的变形强度特性研究 专业： 硕士生： 指导教师： 岩土工程 李俊连 姚仰平教授 摘要 本文采用土力学方法研究黄土的结构性，研究当排列是影响黄土结构性的主要因素时，天 然饱和结构性k o 固结黄土的变形和强度特性。以原状饱和结构性k o 固结黄土为研究对象，考 虑了土的初始各向异性，排除了非饱和土的吸力对结构性的影响，刚氐了粘聚力对结构性的影 响，使排列成为结构性的主要影响因素。综合考虑变形和强度，研究k o 固结条件下，原状饱和 结构性k 。固结黄土的变形和强度特性。 本文在侧限高压固结仪、常规三轴仪和多功能三轴仪上，分别对原状饱和结构性l ( o 固结黄 土和饱和重塑黄土进行了大量的试验。通过整理分析各试验结果，尤其是通过对比饱和重塑黄 土的变形和强度特性，得出了饱和结构性l b 固结黄土的变形和强度特性。 根据试验规律，本文引入一个初始状态变量，构建了一个饱和结构性k 固结黄土的弹塑 性本构模型。本文模型能较好地适用于初始状态为 ( 0 固结状态的正常固结或弱超固结饱和结构 性土，描述了初始应力各向异性( 如k 。固结) 的不等向塑性体变硬化，描述了饱和结构性l ( 0 固 结黄土的结柯陛，描述了剪缩性。较完善地反映了饱和结构性k o 固结黄土的基本特眭。而且模 型的试验参数少，易于测定，便于推广。模型预测值与实测值的应力应变关系比较表明，本文 提出的模型是合理的。 关键词：饱和结构性黄土；l ( 0 固结；试验；弹塑性模型 西安建筑科技大学硕士学位论文 t i l ec i t a r a c t e r i s t i c so f d e f o r m a t i o n a n ds t r e n g t ho f s t a t u r a t e d s t r u c t u r a l k o - c o n s o l i d a t e dl o e s s m a j o rs u b j e c e g c o t e c h n l c a le n g i n e e r i n g n a m e ：“j l m l i a n l n s t r u t o r = p r o f e s m ry a o y a n g p i n g a b s t r a c t w i t ht h ec o n s i d e r a t i o no ft h es o i lm e c h a n i c sa p p r o a c ho nt h es t u d yo fs t r u c t u r a ll o e s s ，t h e d e f o r m a t i o na n ds a e n g t ho f n a t u r a ls a t u r a t e ds t r u c t u r a lk 0 - c o n s o l i d a t e dl o e s sa l es t u d i e di nt h i sp a p e r w h e n a r r a n g e m e n t i st h em a i n f a c t o r b yc o m i d e r a t i n g t h ei n i t i a la n i s o t r o p y o f c l a y a n d k e e p i n g a l lt h e t e s t ss t a r t i n g f i o m k - c o n s o l i d a t i o n , b yr e m o v i n g t h ee f f e c t o f t h es t 碰o n w i t h i n t h e t m s a t t r a t e ds o i l s , b yr e d u c i n g t h ec o h e s i o n , t h ea u t h o rs e l e c ts a t u r a t e ds a u c t u r a ll f , r e o n s o l i d a t e dl o e s sa st h eo b j e c to f t h e p a p e r t h ec h a r a c t e r i s t i c so f d e f o r m a t i o na n ds t m a g t ho fi l a t u v d s a t u r a t e ds t r u c t u r a lk o - c o n s o l i d a t e d l o e s sa r cs t u d i e db y c o n s i d e r a t i n g t h ed e f o r m a t i o na n d s t r e n g t ht o t a l l y l o t so ft e s t sa r ec a r r i e do u tf o rs a t u r a t e dl o e s s ( s u c ha si n t a c tl o e s s ，d i s a a - t x 蚵l o e s s ) ，i nt h e c o n f i n e dc o m p r e s s i o na p p a r a t u s , a n dt h er o u t i n et r i a x i a la p p a r a t u sa sw e l la st h et r i a x i a la p p a r a t u s r e s p e c t i v e l y t h ec h a r a c t e r i s t i c so fd e f o m a a t i o na n ds a e n g t ho fs a t u r a t e ds t r u c t u r a l l ( 0 - c o n s o l i d a t e d l o e s sa i eo b t a i n e db y a n a l y z i n g t h er e s u l to f t b e t e x t s , e s p e c i a l l yb yc o m p a r i n g w i t ht h ed e f o r m a t i o n a n d s t r e n g t h o f s a t u r a t e dd i s t u r b e dl o e s s b a s e d o n t h er e s u l t o f t e s t s ，a n e w m o d e l f o r s a t u r a t e d s t r u c t u r a lk o - c o n s o l i d a t e d l o e s s i s p r o p o s e d b yi n d u c i n ga l l i n i t i a ls t a t ev e r i t y t h em o d e lc a nb eu s e dt o s a t r l l a 矧s t r u c t u r a l 如n o r m a l l y c o n s o l i d a t e dc l a y w ec a l ld e s c r i b ei n i t i a l a n i s o t r o p y ( k 0 - c o n s o l i d a t i o n ) b yh a r d e n i n gd i f f e r e n t l y , d e s c r i b et h es l r u c t u r eo fs a t t a - a t e ds t r u c t u r a lk r c x m s o l i d a t e dl o e s s , a n dd e s c r i b et h ed i l a t a n c y w ec a r l d e s c r i b et h em a i nm e c h a n i c a lb e h a v i o u r so fs a t u r a t e ds m l c t u r a lk o - c o n s o l i d a t e dl o e s sw e nb yt h e m o d e l t h e r ea r ef e wp a r a m e t e r si nt h em o d e lw h i c ha l ee a s yt oo b t a i na n dt ob eu s e d 嘶d e l y c o m p a f i s i o n sb e t w e e nm e s s l l r e da n dm a i a e d s t r e s s - s t r a i ns h o wt h a tt h ep r o p o s e dm o d e lc 孤g i v e b e t t e r r e s u l t s k e y w o r d s ：s a t u r a t e ds 廿u c t u r a l o e b ；k o - c o n s o l i d a f l o n ；t e s t ；e l a s t o p l a s t i c m o d e l i i 声明 y 6 1 6 5 7 1 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：压1 锰也 日期：力矩口6 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：劲瞧 导师签名：却电化降 日期：皇口罅彩 注：诸将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 第1 章绪论 本章根据论文课题来源，在简要分析黄土的基本 生质与黄土的结构性研究现状和发展的基 础上提出本论文研究的主要思路和基本任务。 1 1 课题来源 本论文课题来源于导师姚仰平等负责的国家级科研项目9 7 3 ，科研开始于2 0 0 3 年，科研 项目的名称为：黄土地区重大岩土工程环境灾害研究及其在西部大开发中的应用。本科研项目 以西部大开发为契机，以黄土地区在兴建高速公路、大型城市市政建设和拟建地下铁路等大型 工程为试验依托，以黄土的湿化破坏、地裂缝及高边坡失稳等重大岩土工程环境灾害为对象， 以黄土的湿化机理及其本构模型、地质环境恶化引起的地层附加应力分布规律为基本理论的原 始创新突破点，拟开展下列研究：黄土的结构性的动态定量表述及其在变形分析中的应用：非 饱和黄土中吸力的定量表述及其在本构模型中的应用；3 d 非饱和黄土的湿化本构模型；地裂 缝及黄土高边坡位移等地质环境灾害动态监测；地质环境恶化引起的地层附加变形和地裂缝发 展规律研究及工程对策；考虑湿化条件下黄土高边坡的稳定性分析。通过上述重大基础性研究 探明造成黄土地区重大岩土工程环境灾害的机理，提出相应的工程对策，指导西部大开发中的 相关重大工程实践，把黄土地区岩土工程环境灾害造成的损失减少到最低程度。 鉴于时间的关系，本论文只涉及黄土结构性特性研究及其定量描述这一个研究点。 1 2 黄土的结构性成因【i 叫 黄土是种第四世纪沉积物，具有一系列内部物质成分和外部形态的特征，是它整个历史 形成过程中的综合产物。一般认为黄土的含义可归纳为：黄土( 广义) 可分为黄土( 典型黄土) 及黄土沉积( 非典型黄土) 两种。黄土( 典型黄土) 一般具有以下特征： 颜色以黄色、褐黄色为主，有时呈灰黄色； 颗粒组成以粉粒( o 0 5 o 0 0 5 m m ) 为主，含量般在6 0 以上，粒径大于0 2 5 r a m 的 较少； 有肉眼可见的大孔隙、较大孔隙，一般在1 o m m 左右； 富含碳酸盐类，垂直节理发育。 下面从宏观和微观两个方面探讨黄土的结构性成因。 1 2 1 宏观成因 黄土是一种天然形成的物质。一般认为黄土的成因为：黄土的沉积以风为第一搬运力， 各种途径所生成的粉土物质，主要是风力从吹蚀区及吹扬区转运而到风力减弱的黄土沉积区， 主体沉积成厚层黄土堆积，其余经流水、风搬运沉积到适宜地点形成黄土。分布在不同区域的 西安建筑科技大学硕士学位论文 黄土及不同地层的黄土构成了不同的结构性黄土。 ( 1 ) 黄土的分布情况 黄土和黄土状土覆盖着全球大陆面积的9 3 以a 2 ，总面积约为1 3 0 0 万k m 2 。美国的中西 部、俄罗斯的南部和澳大利亚等国家都有分布。而典型的黄土则分布在中国北部的广大地区及 内蒙古和印度北部等地。我国的黄土和黄土状土占全国国土面积的6 3 ，分布面积约为6 4 万 k 舒。在黄河中游地区，西起贺兰山，东到太行山，北起长城，南到秦岭几乎全部都被黄土覆 盖，面积约2 7 万k m 2 。这里黄土发育最好，地层全、厚度大、分布连续，是我国黄土主要分 布地区。不同分布区域的黄土，由于各地的地理、地质和气候条件不同，使黄土的结构表现出 明显的差异和变化。 ( 2 ) 黄土的地质特征 我国黄土的形成经历了整个地质年代的第四纪时期。黄土的物理力学性质常随其成岩时 代、成岩地区表现出一定的差异。全新世黄土q 4 为新近堆积土，质地较疏松，有较强的湿陷 性：晚更新世黄土( 马兰黄土) q 3 为典型黄土，质地疏松，无层理，大孔结构发育，有强湿 陷性；中更新世黄土( 离石黄土) q 为埋藏黄土层，其间常夹有古土址层和钙质结核层，质 地比较密实，一般无湿陷性或在高应力下具有较微湿陷性，是良好的地基持力层；早更新世黄 土( 午城黄土) q l 为老黄土的下部，质地较之中更新世黄土更密实，强度大，压缩性小，无 湿陷性，渗透性小。 不同分布区域的黄土，由于各地的地理、地质和气候条件不同，使黄土的结构差异很大。 不同地层的黄土的结构差异也是很大。甚至同一层土中不同位置黄土的结构也是有差异的。 1 2 2 锱融因 黄土是土的一种，必然是由土的固相、液相、气相共同构成的三相混合体。 ( 1 ) 黄土的固体颗粒 颗粒组成 黄土的固体颗粒为主体，粒径为0 0 5 - - 0 o l m m 的粗粉粒含量最大，一般在5 0 - 6 0 范围， 较大砂颗粒( 大于o 0 5 m m ) 含量较少，粘粒( 小于o 0 0 5 m m ) 含量也相对较少。 矿物成分 黄土的主要造岩矿物约为1 5 种，基本上由粘土矿物组成，如蒙脱石、高岭石和水云母。 因为各种矿物的亲水性不同，粘土矿物成分和比例在某种程度上体现着黄土的湿陷性。除粘土 矿物外，黄土中的其它部分为少量的盐类，包括易溶盐、可溶盐和难溶盐三种。易溶盐指钠、 钾、镁和钙的氯化盐类，碳酸盐和硫酸盐，中溶盐如石膏，难溶盐如碳酸钙。可溶盐的种类和 含量与黄土的成岩作用有关，并会影响黄土的工程性质。 ( 2 ) 黄土中的水和气 我国黄土分布广泛的地区多为干旱和半干旱地区，以非饱和黄土为主。主要有以下三种不 同形态的不饱和土： 西安建筑科技大学硕士学位论文 a 液相不连续，气相连续( 干土) ，s r 8 5 ( s p a i k e s ，1 9 6 5 ；n a g e s w a r a n l 9 6 5 ) 。 在状态a 中，湿土里的孔隙气压力的作用显著，而且表面张力还会引起有效应力的增加。 在状态b 中，情况最复杂，因为孔隙水压力和气压力是相关的，而且水一气接触面的表面 张力对有效应力的增加起重要作用。 在状态c 中，孔隙水压力起着重要作用。 由于黄土的特殊的大孔隙结构及矿物成分，原是a 、b 状态的黄土在含水量改变后在自重 或压力作用下显出较强的湿陷性，严重影响着黄土的工程性质。 ( 3 ) 黄土的结构和构造 很多试验资料表明，同一种土，原状土样和其相应的重塑土样的力学性质有很大的区别。 甚至用不同方法制备的重塑土样，尽管组成一样，密度也控制样，性质也会有所差别。这就 是说，土的组成和物理状态不是决定土的性质的全部因素。另一种对土的性质很有影响的因素 就是土的结构。土的结构指土粒或团粒( 几种或许多个土颗粒联结组成的集合体) 在空间的排 列和它们之间的相互联结。 黄土的结构特征指的是构成土体的团体颗粒和与其有关的孔隙特征，以及它们在空间上 的总排列形式。其包括下列的内容： 在成土过程中比较稳定的大于o 0 0 5 m m 的骨架颗粒的大小、形态、表面特征及定量的 比例关系以及其在空间上的排列状况； 在成土过程中易于变化可再分配的小于o ，0 0 5 r n m 的粘粒物质的种类及赋存状态； 孔隙的大小、形态、数量及分布； 骨架颗粒与胶结物间的关系( 即胶结类型) 。 总之，组成黄土的骨架颗粒、细粒物质和孔隙的结构特征以及它们在空间上的总排列形式， 及与胶结结构间的关系构成黄土的结构特征。黄土的结构对黄土的工程性质影响很大，研究黄 土的结构对认清黄土工程性质并用之解决实际问题着现实的重要意义，并将促进土的结构性研 究理论的发展和应用。 1 3 黄土的结构性研究 1 3 1 黄土的结构性研究的重要性l ”剖 黄土是干旱半干旱地区的沉积物，由于其特定的生成环境和存在的历史环境，形成其明显 的柱状节理和大空隙结构，这种独特的结构性直接影响着黄土的工程性质。黄土结构性不同及 其变化是发生瞻f 生破坏、湿陷的重要原因。黄土的应力应变关系，孔隙水压力与应变关系、固 结变形等都与黄土的结构性有着显著的关系。土的应力水平对其力学性质的影响表明了土受力 过程中结构性的变化；土的固结系数和渗透系数受结构性的影响也较大；土的各向异性也是土 西安建筑科技大学硕士学位论文 结构性的表现。即使是扰动土，经历不同应力路径而达到同一应力状态的两个试样往往也会有 不同的力学表现，其原因也是两者的结构性不同。“内因是事物发展的根据，外因是事物发展 的条件”，结构性正是以上各种事物发展变化的内因。土的结构性对土工程性质的重要性已成 为共识，沈珠江院士曾指出土的结构性研究是“二十一世纪土力学的核心问题”。黄土是土的 结构性研究的主要对象之一，黄土结构性研究为土的结构性研究做出了巨大贡献，极大促进整 个土的结构性理论的发展和应用。 1 3 2 黄土的结构性研究的现状1 1 叫 最早对土的结构性进行研究的人是土力学的奠基人太沙基( t e r z i g h i ，1 9 2 5 ) ，他提出的土微 结构概念与思想是土微结构研究的开端，也是土的结构性研究的开端。自此展开了土的结构性 问题的研究历史。土的结构性问题的研究历史也是对土的结构性逐渐认识的过程。它经历了一 个从认识到土的结构的重要性并对土的微结构形态初步进行定性研究，到深入认识微结构形 态，寻求定量表示的方法，并初步认识到土颗粒的联结特性在土的结构性的重要地位，再到逐 渐形成结构性的完整概念，并对结构要素定量化研究，最后到研究土的结构性的综合定量描述 过程。 谢定义( 1 9 9 9 ) 把土的结构性研究方法归纳为三类。一是微结构形态学的研究方法。尽 管多年来研究的丰富成果以及光电量测技术和计算机图象处理技术的发展给它的进一步发展 提供了良好的条件，但在全面描述结构性几何特征和联结特征方面比较困难以及测试技术上很 复杂。二是固体力学的研究方法。它努力从数学力学的观点建立种能够有效描述土的结构性 在受力过程中变形和破坏的力学模型，由此推导和反映土的宏观力学行为。三是土力学的研究 方法。它长期以来得到了土力学工作者的重视，但它或局限于说明不同结构性的土具有不同的 力学规律，或针对某些土的规律性质而提出某些对症的表述参数( 如结构强度、先期固结压力、 湿陷系数、灵敏度和液化度等) 。从总体上看，仍然缺乏实质系统、全面的研究，使对结构性 的研究长期游离于土性规律基本关系的研究之外。 根据上述分类方法，将黄土结构性研究方面的主要成果分类简述如下： ( 1 ) 利用显微结构研究方法得出的主要成果 借助光学纤维镜、偏光显微镜、x 射线衍射等技术手段对土的微结构进行研究，从微观 角度对土的结构性进行研究的方法。常宝琪( 1 9 6 2 ) 提出土结构颗粒排列的规律性和颗粒间联 绪陛质规牵l 生的统称，结构可分为构造和粘聚力两部分，前者属几何特征，后者是土的各相同 的作用对颗粒位移的阻力。林崇义( 1 9 6 2 ) 首次提出黄土受力破坏是结构的逐渐破坏；土的结 柯 生是土颗粒的形状、表面特征及起相互排列和胶结的情况，以及骨架对抗力一- 物理、化学 和电作用的能力和强度。高国瑞( 1 9 8 0 ) 对具有湿陷性的结构性土的微结构与湿陷性进行了研 究。胡瑞林( 1 9 9 5 ) 砂现代结构概念出发，提出土的结拇| 生主要由：结构单元特征；颗粒 的排列特征；孔除眭；结构连接四个方面的特征来描述。胡再强等( 2 0 0 0 ) 对非饱和黄土 的显微结构与湿陷性的关系进行了研究。 西安建筑科技大学硕士学位论文 以上研究成果对从微观角度认识黄土的结构性的成因以及定性的解释黄土特殊的工程性 质意义重大。土的微结构研究取得了大量与土体力学特性相关的土体结构几何方面的成果，但 却无法反映土的胶结方面的特征，也就不能全面反映土的结构性。而由于黄土的结构是颗粒、 孔i 璩排列和颗粒之间胶结的综合反映，纯粹从微观结构出发对某一个分量的定量研究可能很难 在具体的黄土工程应用中有所作为。 ( 2 ) 利用固体力学研究方法得出的主要成果 从数学力学的观点建立一种能够有效描述土的结构性在受力过程中变形和破坏的力学模 型，由此推导和反映土的宏观力学行为。沈珠江( 1 9 9 3 ) 用损伤力学的方法来考虑土的结构性 在土受力过程中对土应力应变的影响是一种新的见解。该理论认为土的变形过程是土中的结构 逐渐破损的过程，在这一过程中，原生结构逐渐破损，次生结构逐渐形成。并提出了结构性黄 土的损伤力学模型。 固体力学的研究方法，提出了解决问题的新思路，在一定程度上可以反映黄土的结构特征， 但在模拟黄土颗粒的胶结和排列方面可能会遇到较大困难。 ( 3 ) 利用土力学研究方法得出的主要成果 土力学的方法就是分析土的结构性与土的工程 生质的关系。以往研究的大多仅就土的结构 性的某一方面进行探讨，这对于揭示土的结构性引起的土力学性质的某种定性性质是有帮助 的，但对于全面认识土的结构性还有一定距离，也无法使土的结柯l 生的研究成果得到应用。这 方面的研究有：张诚厚( 1 9 8 3 ) 通过两种结构性粘土的对比试验，指出不同结构性的粘土的力 学性质具有明显的差异。张炜等( 1 9 9 6 ) 研究了非饱和黄土在不同湿度和应力状态下的结构强 度特性，给出了结构屈服限的概念，将土的应力应变关系曲线整理成土结构强度的发挥曲线， 讨论了结构强度对抗剪的影响。李靖和党进谦等人( 1 9 9 7 、1 9 9 8 、曼0 0 1 ) 以及田堪良等( 2 0 0 2 ) 对非饱和黄土的结构强度也进行了广泛研究。谢定义和齐吉琳等人( 1 9 9 9 ，2 0 0 0 ) 提出了反映 土颗粒联结的可稳性和颗粒排列的可变性两个新概念。土的结构性定量化指标参数得到了以结 构性参数为基础来描述土变形和强度基本规律的本构关系，使土的结构性研究具有了新特色。 1 3 3 黄土的结构性研究的发展 对于过去的成绩只是静态地回顾的目的在于吸取前人的经验和教训，为今后该领域的研究 少走弯路，动态地把握未来。 以前的研究抓住黄土具有较强的结构性这特点，而今后的研究仍然必须牢牢抓住这特 点，研究如何对黄土的结构性进行综合定量描述；如何在工程中充分利用黄土的结构性有利的 一面，减少国民经济不必要的浪费。黄土的结构性理论研究在整个土体结构性的研究中占据着 重要位置，随着黄土的结构性研究成果不断涌现，理论不断创新，对士的结构性理论的研究和 发展将继续做出巨大的贡献。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 4 本文研究的基本任务 谢定义将士的结构性研究方法归纳为三类。本文采用土的结构性研究的土力学方法，研究 结榭眭黄土在静载荷作用下结构性黄土的变形强度特性，并综合定量描述土的结柯陛。这是本 文的研究目的。 为此，本文的基本任务如下： ( 1 ) 提出本文研究思路，确定本文研究对象、研究方法。 ( 2 ) 设计试验方案，进行试验，整理分析试验结果，得出结构性黄土的结构变化特性。 ( 3 ) 建立一个本构模型，综合定量描述土的结构性，并用模型进行预测。 西安建筑科技大学硕士学位论文 ! ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = 。! ! ! ! ! = 2 1 11 1 第2 章黄土的结构性定量研究 土的结构性研究的土力学方法是土的结柯| 生研究新思路与传统土工试验方法相结合的产 物，前人的研究成果己经证明了它巨大的应用前景。本文采用土的结梅陛研究的土力学方法， 研究结构性黄土的变形强度特性，并综合定量描述土的结构性。为实现此研究目的，本章提出 了土的结构性的概念，分析了土的结构性的主要影响因素，提出了一个新的思路来考虑土的结 构性，并确定本文研究对象和研究方法。 2 1 土的结构性研究 对于土力学这门特殊的学科，常常针对不同的研究内容对士的应力应变特征作不同的假设 及规定：如在研究土的渗透性时，把土分为土骨架和孔隙水两部分，并且把土骨架看作是刚体， 把孔隙水看成是具有粘滞陛的流体；在考虑弹性地基中的应力和变形时，把土体整体看成是弹 性体；在考虑土的固结时，又把土的骨架看成是弹性体，把孔隙水看作是粘滞性的流体。 本文提出，从土力学角度研究土的结构性时，根据提供土的结构强度的有利因素，认为结 构性土是土颗粒通过空间排列和它们之间的相互联结而构成的。联结就是土颗粒问的结合力。 对于特定的颗粒及组成级配，联结和排列是影响土的结构性的两个主要因素。 其中，“联结”来自于由水膜的物理化学作用、粘土的矿物颗粒的粘结和颗粒问的分子 引力形成的原始凝聚力；土在生成过程中，聚集在粗颗粒接触点处的胶体颗粒、可溶盐等胶 结物质形成的加固凝聚力；1 m m 土的基质吸力和毛细压力形成的强度，常表现出与一般凝 聚力相似的性状，称为吸附凝聚力。结构联结的一小部分具有可逆性，即结构破坏后其联结力 还可恢复，或部分恢复，如原始凝聚力中粘土颗粒周围双电层的存在而导致的联结力。绝大部 分则是不可逆的，如结构破坏使土的加固凝聚力破坏。 “排列”包括颗粒和孔隙的大小、性状、量的对比关系以及空间分布，对粘土还有颗粒排 列的定向性等。由于土颗粒和孔隙性状不同，土体在受力作用时会有不同的力学性质。例如， 粘性土的棒状和片状使粘性土的颗粒具有定向排列，因而，它的各向异性般高于砂土或粉质 土，在受力作用时，这种性质更为明显。而土的孔隙大小和空间分布的不同不但直接影响着土 的力学性质，同时孔隙特殊的排列形式还会造成土的特殊性质，如黄土的湿陷性等。 土颗粒通过联结和排列共同作用构成了具有结构性的土体。对于特定的颗粒及组成级配的 土，联结和排列是影响土的结构性的两个主要因素，二者共同作用控制着土的结构性强弱。 总之，对土的结构性应有以下认识： ( 1 ) 土的结构性是一个广义的概念，任何一种土在任何状态下都有它自己的结构性。 ( 2 ) 从土力学角度研究土的结构性时，根据提供土的结构强度的有利因素，认为结构性土 西安建筑科技大学硕士学位论文 是土颗粒通过空间排列和它们之间的相互联结而构成的。对于特定的颗粒及组成级配，联结和 排列是影响土的结构性的两个主要因素。衡量一种土的结构性强弱，主要看土颗粒间的联结强 度和排列状况，二者共同作用控制着土的结构性强弱。联结和排列构成的土结构性的强弱是土 的结构性发生变化的两个主要内因。 ( 3 ) 非饱和土的结构性会在力的作用( 包括各种扰力) 和水的作用下变化。对于一般土体 ( 非饱和) 来讲，含水率的增大会使土中的化学胶结瘌b ，吸力减小，使土的结构性的联结降 低。水和力都能破坏土的结构性，是土的结构性发生变化的两个主要外因。 内因是事物发展的根据，外因是事物发展的条件。因此，要把握土的结构性特l 生就要掌握 土的联结和排列构成的结构性土在外力、水的作用下表现出的结构性变化特性。 2 2 研究思路 ( 1 ) 本文通过施加外因( 力、水) 使土的联结和排列构成的土的结构陛特性表现出来，并 进行定量描述。这是研究黄土的结构性的一种很有效的方法之一。 ( 2 ) 但是，要想从理论上根本认清土的结构性，首先要弄清影响土的结构性的两大主要因 素联结和排列各自对结构性的贡献；其次再挖掘二者是如何耦合共同作用于土的结构性。 这是认识事物本质的根本方法之一。人们在认识事物特性时，常先从构成事物的基本要素出发， 研究各要素各层面的性质，然后才系统全面地研究由不同要素不同层面构成的系统的| 生质。因 此为了达到系统全面地认清土的结构性的根本性质，应先从单元、要素入手，再研究土的结构 性整体的性质。同时，我们在研究时不能抛弃整体或系统，仍是在系统的基础上研究构成土体 结构性的要素。由于时问有限，本文只能就结构性这一认识的过程的某一方面某一层次提出自 己的看法，为根本性地认清土的结构性原理踏实地前进一小步。本文仅研究当排列是影响黄土 的结构性的主要因素时，在力的作用下，黄土的结构性变化特性，并进行定量描述。 ( 3 ) 要想只考虑排列的影响，并且使结构性只在力的作用下变化，就要消除或减小联结的 影响，使结柯l 生在水的作用下无变化或变化很小。从土的结构性研究知道，联结的来源有三个： 原始凝聚力、加固凝聚力和吸附凝聚力。对于一般土体( 非饱和) 来讲，含水率的增大会使土 中的化学胶结减弱，吸力减小，使土的结构性的联结降低。当含水率最大，即饱和状态时，土 中的原始凝聚力、加固凝聚力很小，吸附凝聚力几乎为零。当土为饱和状态时，水对结构性的 作用很小。通过采用饱和黄土，排除了吸力的影响，降低了联结的影响，使排列成为影响结构 性的主要因素。 ( 4 ) 目前土的结构性研究大多是对于人工错4 备的结构性土，但是，天然土层中土体的结构 是各向异性的，这是士颗粒在沉积过程中形成的固有特性，伴随土体结构的生成而生成，随着 土体结构的破坏而消失。这是土体结构性的外在表现。这种初始应力的各向异性是土体在破坏 时表现出不同的强度并使土体的变形有较大的差异。鉴于研究的根本目的是为了应用于实际， 西安建筑科技大学硕士学位论文 研究应反映实际情况的主要方面、重要特征，忽略非主要方面、次要特征，从而抓住研究问题 的根本规律，原状土的各向异性的结构性正是原状土的主要特征。因此要正确测试天然土的结 构i 虽度、研究结构性土体变形和强度的变化规律就应以天然状态的结构性黄土为研究对象，并 应在实验过程中使试样的初始应力状态符合天然土层时相应的应力条件，即i ( 0 固结状态，如此 才能使试验得到的规律真正反映出土体的性状及其变化规律。 2 3 几种结构性定量描述的研究方法及其局限性 借鉴采用土力学研究途径的研究成果，是本论文研究的起点和基础。通过继承前人理论的 合理内核，形成并发展自己的理论。 2 3 1 从变形的角度出发的结构性定量描述的研究方法及局限性 ( 1 ) 以简单的变形定量描述的研究方法【2 五2 6 j 黄土结构强度可用原状黄土与相应的重塑 黄土( 同密度、同含水量) 的应力差表示。可由。 不同的实验方法来定量分析黄土结构强度。如侧 限压缩试验，如图2 1 所示，重塑土压缩曲线( 图 中直线) 在原状土的压缩曲线( 图中曲线) 的下 面，原状土的压缩曲线有明显的转折点，该点即 为黄土结构的破坏起始点。认为结构性强度就是 土体在载荷作用下突然产生较大塑l 生应变的转 折点所对应的强度。该点处孔隙比所对应的原状 黄土与重塑黄土的压力差最大，即为该原状黄土 图2 1 原状土与重塑土压缩曲线 o g p 结构强度q k = o 。一0 。这就是传统意义上的结构强度及结构性的认识。 但事实上，在原状土的初始结构受的压力小于结构初始屈服压力0 。之前，土体处于弹性 状态，到屈服点时就是e 述所认为的原状土的结构强度；但当应力大于o 。时，初始结构开始 屈服，土体产生了较大的塑性应变，原结构屈服点0 。将会扩大到新的屈服点0 。，这时结构性 黄土的压力与重塑黄土的压力之差应是初始结构屈服时的结构强度，但结构强度是不断变化 的。故不能静止地认为结构强度就是原状土初始结构破坏时原状土与重塑士的压力差q 。 =o k - o 。，而应动态地理解结构强度是随着屈服程度的不同而逐渐变亿的，结构强度一直存在 直到其结构几乎丧失。 ( 2 ) 以变形的“应变综合结构势”定量描述的研究方法 谢定义、齐吉琳等( 1 9 9 9 ，2 0 0 0 ) 提出了使土的结柯| 生破坏 e 。 e 。 e 。，沁段和p q 段相似都处于回弹状态。 说明，虽然超固结土和结构性土的强度都高于重塑土的强度，但超固结土的密度大或孔隙 比小，而原状土的密度小或孑l 隙比大。 本文主要研究结构性土的变形和强度特性，要注意区分结构性土和超固结土，研究试验加 载超过屈服应力后土的变形和强度特性。 总之，本文在k 。固结状态下，综合考虑变形和强度来动态定量描述在载荷作用下饱和结构 性l ( 0 固结黄土的结构性变化特性。即本文研究方法。 2 5 本章小结 ( 1 ) 本章对土的结构性进行了研究，提出土结构性概念，分析了土结拇 生的两个主要因素 ( 2 ) 根据对土的结构性认识，提出本文黄土的结构性研究思路： 西安建筑科技大学硕士学位论文 本文通过施加外因( 力、水) 使土的联结和排列构成的黄土的结构性特性表现出来，并进 行定量描述。 本文仅研究当排列是影响黄土的结构性的主要因素时，在力的作用下，黄土的结构性特性， 并进行定量描述。 通过采用饱和黄土，排除了吸力的影响，降低了联结的影响，使排列成为影响结构性的主 要因素。 研究初始为1 ( 0 固结状态的结构性黄土，并应在实验过程中对试样进行i ( 0 固结剪切。 ( 3 ) 确定了本文的研究对象：饱和结构性i ( 0 固结黄土。 ( 4 ) 确定了本文的研究方法：在l ( 0 固结状态下，综合考虑变形和强度来动态定量描述载荷 作用下饱和结构性k 。固结黄土的结构变化特性，并用本构关系表达出来。 完成了本文的第一个基本任务。 西安建筑科技大学硕士学位论文 兰堂! ! ! 曼! 詈! 詈烹烹! ! ! 蔓皇鲁皇暑量! ! ! 竺竺竺! 曼! 竺竺! ! 墨 詈! ! ! ! ! ! ! 置 第3 章饱和结构性l ( o 固结黄土的变形和强度特性研究 本章通过设计试验方案，对天然饱和结构性固结黄土进行了侧限压缩试验、常规三轴试 验和多功能三轴试验，并对获得的相应试验资料进行统计分析整理，探明了饱和结柯1 生k 固结 黄土的变形和强度特性，确定所需要的土性参数。 3 1 试验总构思、试验设备及试验的准备 3 1 1 试验总构思 本文的研究对象是饱和结构性k o 固结黄土。研究根本目的就是找到当排列是影响结构性的 主要因素时，饱和结构性k o 固结黄土变形和强度特性，并用本构关系定量描述。研究的方法是 在i ( o 固结条件下，综合考虑变形和强度来动态定量描述载荷作用下饱和结构性k 固结黄土的 结构变化特性，并用本构关系表达出来。 3 1 1 1 试验思路 土的结构性是一个广义的概念，任何种土都具有结构性，但对于具体的土其结构性规律 是什么，又如何定量地描述，是土的结构性研究的根本任务之一。根据研究目的、研究对象、 研究方法确定本文的试验思路为： ( 1 ) 从反映变形和强度密切关系的三轴试验入手，研究饱和结构性l ( 。固结黄土在三轴应力 条件下的结构变化特性： ( 2 ) 天然饱和结构性k o 固结黄土为k 。固结状态，研究饱和结构性l ( 。固结黄土在k 。固结应力 条件下的变形和强度特性； ( 3 ) 由经典土力学知，饱和正常固结土的密度、强度、孔隙比一一对应，密度是决定变形 和强度的唯一因素。但是，当土颗粒之间以联结和排列等构成结构j l 生土体时，密度不再是决定 其变形和强度的唯一因素，而是土颗粒以联结和排列构成的结构综合决定土的变形和强度特 性。对比结构性土体与其相应的重塑土，结构性常常使较小的密度的结构性土具有比较大密度 的重塑土更高的强度。本文通过对比饱和结构性k 。固结黄土和饱和重塑黄土在载荷作用下的变 形和强度特性，探明饱和结构性k 。固结黄土的变形和强度特性。 ( 4 ) 不仅研究压缩剪切试验特性而且研究拉伸剪切试验特性，研究结构性对划申试验中土 的变形和强度特性的影响，为将轴对称应力条件下的结果应用到三维应力空间提供试验依据。 3 1 1 2 试验大纲 根据试验思路本章应做下列试验： ( 1 ) 首先对比变形特性 在侧限压缩仪上，分别对原状饱和结柯眭k 。固结黄土试样和饱和重塑土试样做侧限压缩 西安建筑科技大学硕士学位论文 试验； 在常规三轴仪上，分别对原状饱和结柯眭k 固结黄土试样和饱和重塑土试样做固结试验； ( 2 ) 对比强度特性 在常规三轴仪上，分别对原状饱和结柯陛l ( 。固结黄土试样和饱和重塑土试样做压缩剪切 试验； ( 3 ) 观察拉伸试验 在多功能三轴仪上，对原状饱和结构性k 。固结黄土试样做三轴拉伸剪切试验。 3 1 2 试验设备及其标定 本文试验中主要使用的试验仪器有：侧限高压固结仪、常规三轴仪及多功能三轴仪。 3 1 2 1 侧限高压固结仪 本文试验采用的是南京土壤仪器厂生产的w g 型单杠杆固结仪，结构形式为三联高压。试 样面积为3 0 c m 2 ，试样高为2 c m ，可压缩的最大压力为4 0 0 0 k p a 。仪器所配备的加压砝码及量 程为1 0 m m 的百分表均经过计量认证，所用的固结仪的变形量都经过校正。 3 1 2 2 常规三轴仪 ( 1 ) 仪器介绍及工作原理 本文中的试验采用的是南京土壤仪器厂生产的t s z 3 0 - 2 0 型应变控制式三轴仪。三轴试验 中，试验机工作台以一定的速率上升，直至土样破坏。试验中量力环测量通过试验台的上升对 土样施加的轴向力，围压以水为介质，可由控制仪量测。可测得土样在试验过程中的轴向变形 量、体积变化量、轴向力及孔隙水压力。 ( 2 ) 标定 为确保试验的可靠性和数据的精度，对量力环和孔压传感器进行了标定。 量力环的标定 根据所取土样场地的勘察报告，本文选用的量力环的规格为： 最大载荷为：3 k n ： 外形尺寸：外径15 9 m m ，宽度2 4 r a m ，厚度5 7 5 m m ； 测量范围：o 3 - 3 k n 通过量测量力环在各级轴向力作用的变形绘制轴力和变形的曲线得到量力环的率定系数 为c = 0 0 0 4 l k n 0 0 1 m m 。 孔压传感器的标定 压力室内不置样，并让其充满水，这时孔压传感器量测的是围压，逐级加围压，观察每级 围压孔隙水压力的读数。试验时，孔压与围压一致，说明孔压传感器正常工作。 3 1 2 3 多功能三轴仪 本试验采用的是天水江山试验机厂出产的微机控制动三轴试验机，或称多功能三轴仪，如 西安建筑科技大学硕士学位论文 图3 一l 、3 - 2 所示。 试验机可做静力或动力试验，动应力控制或动应变控制、轴向激振或侧向激振、常值静应 力或可变静应力以及多种应力路径的动静试验。试验机的围压和轴向压力是分离式的，如图 3 3 ，围压以水为介质，轴压以气体为介质，试验过程通过微机控制操作并自动采集数据。 有专门人员对仪器轴向力、轴向位移传感器、侧向力、孔压传感器等进行定期标定、检测， 这里不再详述。 图3 - 1 多功能三轴仪全貌 图3 _ 2 多功能三轴仪加压部分 图3 _ 3 多功能三轴仪压力室 西安建筑科技大学硕士学位论文 = = 1 0 1 1 1 1 e ! ! ! ! 自! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! # 3 11 1 11 1 1 s ! ! ! ! 1 3 1 3 试样制备 3 1 3 1 天然饱和结构性l ( d 固结黄土土样的获得及其物理性质指标 如前两章所述本文以天然饱和结构性l ( 0 固结黄土作为研究对象，因此在现场取样时要求： ( 1 ) 从降水后的基坑侧壁人工取样，并尽量减少扰动的影响； ( 2 ) 取土深度位于场地地下水位以下，取的土样为天然饱和土： ( 3 ) 取土土样为非超固结土； ( 4 ) 取土土样要在同一层，使土样具有大致一样的结构性，以保证试验能反映这种结构性 土的规律，并减小试验数据的离散性； ( 5 ) 土样尽可能具有较大的孔隙比或较高的结构性，结柯陛对变形和强度的影响能明显地 表现出来。 根据上述要求选取符合研究条件的土样，土样来源于西安市旧城区东六路与尚爱路十字的 东南角，其具体情况如下： 勘察期间测定场区地下水稳定水位埋深7 2 7 3 m ，属潜水类型。根据西安市地下水资源 管理办公室长年观测资料，场区地下潜水位年变化幅度是1 0 2 0 m ，勘察期间地下水位属平水 期，地下潜水位处年内平均水平硝g 据需要取地下水位以下的饱和原状土，取土深度为7 3 8 0 m , 属于如黄土，褐黄色。土质均匀，孔隙发育，含较多钙质粉沫及少量钙质结核。土的比重为 2 7 1 ，天然含水量为2 5 3 3 2 9 ，天然干密度为1 3 5 1 4 5 9 c m 3 , 天然孔隙比为0 7 3 5 - - 0 9 8 0 ， 天然饱和度为8 3 1 0 0 ，为可塑软塑状态，中等偏高压缩性土。此层土厚5 7 , - 6 8 m 。上部有 q 。黄土及杂填土。其物理性质指标详见下表3 1 。 表3 1 土样的物理性质指标 岩 比含重干孔饱液塑塑液 压缩试验 土水度重隙和性性 名 室 度比度限限指指 n 1 吨e 。 称重 wyyes rw