（地质工程专业论文）黄土的结构性与先期固结压力研究.pdf

摘要 黄土的结构性研究已有许多人做出了丰硕的成果，但对黄土的先期固结压力研究还 比较少，结构性和先期固结压力对于黄土地区的地基沉降计算结果影响很大。本文将在 黄土结构性研究的已有成果上，分析结构性所产生的结构强度和先期固结压力之间的关 系，探讨黄土先期固结压力确定方法的合理性及用超固结比来判断黄土的固结状态是否 合适；在考虑黄土结构强度的影响下，对工程上常用的先期固结压力求值方法一卡萨格 兰德作图法作以修正，使得黄土先期固结压力的取值和黄土地区的地基沉降计算更为合 理。主要内容包括： 1 通过对黄土结构性研究的叙述总结，阐明黄土的结构特征和结构强度特征。讨论 黄土的结构与先期固结压力研究中的主要问题，并对结构特征和结构强度作用显著的 非饱和黄土的特点进行分析。 2 选择典型黄土地层取样，进行了原状样与重塑样的高压固结对比试验；收集相关 资料，并对土的物性指标与先期固结压力和超固结比之间的关系进行了统计分析。结果 表明，黄土结构性及结构强度对黄土先期固结压力影响显著，这也为确定黄土的真实先 期固结压力带来了困扰。对黄土的压缩曲线、高压固结曲线以及应力应变曲线的对比分 析，研究分析结构性黄土的变形特征。 3 针对黄土的欠固结特点，进行机理分析，阐明结构性黄土在上覆压力作用下结构 强度对变形的影响特征，根据这些特征说明试验所测得的先期固结压力并非理论上所定 义的先期固结压力。建立数学模型，通过重塑土压缩曲线的还原，对试验求得的先期固 结压力进行结构强度影响修正。根据修正结果，说明目前试验所采用的先期固结压力及 超固结比的确定方法，对非饱和黄土不适用，对饱和黄土进行结构强度修正后方可使用。 4 讨论了结构性黄土的压缩特点及先期固结压力和超固结比与沉降计算的关系。 通过本文的试验分析得出：黄土的结构性和结构强度对黄土的力学性质作用显著； 由于结构强度的影响，试验所求得的先期固结压力和超固结比对非饱和黄土不适用，在 进行修正后，对饱和黄土是适用的。 关键词：结构性结构强度先期固结压力超固结比非饱和黄土高压固结 固结状态沉降计算 a b s t r a c t t h es t u d y i n ga l r e a d ys t r u c t u r a l l yw a sh a v i n gal o to fp e o p l et om a k et h er i c h a c h i e v e m e n to fl o c s s t oc o n s o l i d a t ep r e c o n s o l i d a t i o np r e s s u r es t u d ys t i l ll i t t l e s t r u c t u r e a n dp r e c o n s o l i d a t i o np r e s s u r ee x e r t sat r e m e n d o u si n f l u e n c et os e t t l e m e n tc a l c u l a t i o no fa r e a i nl o e s s b a s e do nt h ea c h i e v e m e n to fr e s e a r c ho ns t r u c t u r e ，t h i sp a p e l a n a l y z et h e s t r u c t u r e ，s t r u c t u r a ls t r e n g t ha n dc o n s o l i d a t et h er e l a t i o no fp r e c o n s o l i d a t i o np r e s s u r ei nl o e s s ， p r o b ei n t ot h el o e s sa n dc o n s o l i d a t et h ep r e s s u r et oc o n f i r mt h er a t i o n a l i t yo ft h em e t h o di s a n dm o r es u i t a b l et h a nt oj u d g et h ec o n s o l i d a t i o ns t a t eo ft h el o e s sw i t l lo c r ：i nc o n s i d e r i n f l u e n c eo fl o e s su n d e rt h es t r u c t u r a ls t r e n g t h ，ac o m m o n l yu s e do n ec o n s o l i d a t e p r e c o n s o l i d a t i o np r e s s u r em e t h o da c a s a g r a n d em a pl a wa c ta sb yr e v i s i n gi na d v a n c et o p r o j e c t ，f e t c h i n gv a l u ea n df o u n d a t i o no ft h el o e s sa r e am a k i n gt h el o e s sc o n s o l i d a t et h e p r e c o n s o l i d a t i o np r e s s u r es u b s i d ea n dc a l c u l a t em o r er e a s o n a b l e m a i n l yi n c l u d e ： 1 t h r o u g ht ot h es t r u c t u r a ln a r r a t i o nt h a ts t u d i e so f1 0 e s s s u m m a r i z et h es t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c sa n ds t r u c t u r a ls t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i c so ft h el o e s s d i s c u s st h es t r u c t u r eo ft h e l o e s sw i t hc o n s o l i d a t i n gt h es u b j e c t p r o b l e m i n p r e c o n s o l i d a t i o np r e s s u r e ，a n d t h e c h a r a c t e r i s t i co ft h eu n s a t u r a t el o e s st oa n a l y z et ot h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i ca n ds t r u c t u r a l s t r e n g t h 2 c h o o s et h et y p i c a ll o e s st oc a r r yo nt h eo r i g i n a ls t a t ek i n d ，c o m p a r ew i t ht h e c o n s o l i d a t i o no fr e i n v e n t i n gk i n db yh i g h - p r e s s u r ec o n s o l i d a t i o nt e s t c o l l e c tr e l e v a n t m a t e r i a l s ，a n dh a sc a r r i e do ns t a t i s t i c a la n a l y s i st ot h er e l a t i o nb e t w e e np h y s i c m e c h a n i c a l p a r a m e t e r sa n do c ra n dp r e c o n s o l i d a t i o np r e s s u r eo ft h el o e s s t h er e s u l ts h o w st h a tt h e s t r u c t u r ea n ds t r u c t u r a ls t r e n g t ho fl o e s sh a v ep r o m i n e n ti n f l u e n c eo np r e c o n s o l i d a t i o n p r e s s u r e ，t h i sb r i n g sd i f f i c u l t i e st oc o n f i r m i n gc o n s o l i d a t i n gp r e c o n s o l i d a t i o np r e s s u r eo f l o e s st o o c o m p a r ea n da n a l y z ec u r v eo fc o m p r e s s i o n h i g h p r e s s u r ea n ds t r e s s s t r a i n r e l a t i o n s h i po ft h el o e s s r e s e a r c ha n da n a l y z et h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h es t r u c t u r a l l o e s s 3 t ou n d e r c o n s o l i d a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fl o e s s ，c a r r yo nm e c h a n i s ma n a l y z e e x p o u n d s t r u c t u r a ll o e s si np r e s s u r ef u n c t i o ns t r u c t u r a ls t r e n g t hi n f l u e n c eo nd e f o r m i n gc h a r a c t e r i s t i c e x p l a i nt h a tt h ep r e c o n s o l i d a t i o np r e s s u r ei nt e s t i sd i f f e r e n tf r o mi nt h e o r y s e tu p m a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h r o u g hr e d u c i n gc u r v eo fr e i n v e n ts o i lc o m p r e s s i o n ，r e v i s i o nt h e p r e c o n s o l i d a t i o np r e s s u r eg o ti nt e s t a c c o r d i n g t or e v i s i o nr e s u l t ，i te x p l a i nt h em e t h o d su s e d i nt e s ta tp r e s e n ti sn o ta p p l i c a b l ef o ru n s a t u r a t e dl o e s s ，b u ta p p l i c a b l ef o rs a t u r a t i o nl o e s s a f t e rt h es t r u c t u r a ls t r e n g t hr e v i s i o n 4 d i s c u s st h ec o m p r e s s i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h es t r u c t m a ll o e s sa n dp r e c o n s o l i d a t i o n p r e s s u r ea n do c ri n f l u e n c eo ns e t t l e m e n tc a l c u l a t i o n b ya n a l y z i n g ，w eg e tt h ef o l l o w i n gr e s u l t s ：t h es t r u c t u r ea n ds t r u c t u r a ls t r e n g t ho fl o e s s h a v ep r o m i n e n ti n f l u e n c eo nm e c h a n i c a lc h a r a c t e r s ；b e c a u s eo ft h ei n f l u e n c eo fs t r u c t u r a l s t r e n g t h ，t e s tt r yt og e tc o n s o l i d a t ep r e s s u r ec o m p a r e dw i t hu l t r ac o n s o l i d a t i o nt os a t u r a t e l o e s st ob ea p p l i c a b l ew h i l eb e i n gn o n i na d v a n c e ，a f t e rc a r r y i n go nr e v i s i o n ，t ot h a tt h e s a t u r a t i o nl o e s si s a p p l i c a b l e t h em e t h o d su s e di nt e s ta tp r e s e n ti s n o ta p p l i c a b l ef o r u n s a t u r a t e dl o e s s ，b u ta p p l i c a b l ef o rs a t u r a t i o nl o e s sa f t e rt h es t r u c t u r a ls t r e n g t hr e v i s i o n k e y w o r d ：s t r u c t u r a l ， s t r u c t u r a ls t r e n g t h ，p r e c o n s o l i d a t i o np r e s s u r e ， o c r ，u n s a t u r a t e d l o e s s ，h i g h p r e s s u r ec o n s o l i d a t i o n ， c o n s o l i d a t i o ns t a t e ，s e t t l e m e n tc a l c u l a t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：多解季形矽7 年月2 - e i 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 多炙争尹缸哆年乡月z 日 铷酶匆新生川夕年月l 日 长安大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论弟一早 三百t 匕 对于土的结构性及先期固结压力的研究已有许多年，许多人对海相沉积土、软土 的先期固结压力的研究也有不少收获，而对黄土先期固结压力的研究还比较少。黄土 在天然状态下一般属于欠压密、欠固结土，有显著的结构性和结构强度，这对黄土的 强度及变形产生了很大影响。黄土在含水率较小的状况下，表现出强度高、变形小的 特点；随着含水率的增加，产生湿陷，同时土的结构发生破坏，黄土的强度降低、变 形增大。反映在工程实际中的问题就是黄土地区在沉降计算时，既要考虑湿陷的影 响，也要考虑土的应力历史，这就涉及到土的先期固结压力，所以黄土的结构性和先 期固结压力之间有着紧密的联系。 目前，从黄土的先期固结压力试验结果得出，黄土的o c r 大于l ，也就是说黄土 的先期固结压力大于其上覆压力，黄土的固结状态是超固结的，这与黄土是欠固结状 态的明确论断相矛盾。本文将基于对黄土结构性和结构强度的分析，通过试验来探明 这一矛盾的根源。 1 2 土的结构性研究综述 1 2 1 土的结构性概念及研究意义 土的结构性是指土中颗粒或土颗粒集合体的大小、形状、排列组合与连结以及颗 粒间孔隙等综合特征。如果将孔隙看作是反映颗粒排列的一个方面，那么土的结构性 就应该是土中颗粒的排列特征( 几何特征) 和连接特征。它们是组成土结构不可或缺 的两个方面1 1 1 。土的结构是土粒本身的形状、大小、特征、土粒在空间的排列形式、孔 隙状况、颗粒接触和连接特征的总和。 胡瑞林认为土的微结构主要包括结构单元体特征、颗粒的排列特征、孔隙性和结 构连结【2 1 。施斌认为土结构的具体内容包括了以下三个方面：形态学特征，指结构单 元体的大小、形状、表面特征及其定量的比例关系：几何学特征，指各单元体在空间 上的排列状况：能量学特征，指各单元体间的连接特征【3 】o 土的结构性对土的工程性质所具有的重要性已成共识，将土的结构性研究提n - 十一世纪土力学的核心问题这一高度上来是非常正确的【4 1 。如果把土当作天然矿物的松 散形成物来研究，则首先我们可得出结论：“在土力学中研究它们时，土的天然孔隙度 1 第一章绪论 具有着头等的意义，但是，除了作为决定土的物理力学性质的最重要指标之一的土的 天然孔隙度外，土的结构性亦具有特殊重要的意义 。研究土的结构性，对于实践来 说是具有重要意义的。例如，松散土结构粘结性的破坏可解释这样一些现象：淤泥和粘 土( 例如带状的) 在搓合时其强度的损失；孔隙性土在浸湿时的沉陷及冻土在融解时的 沉陷；黄土的湿陷等，均可作为说明土结构性意义的典型例子f 5 1 。人们早就发现土结构 性的不同及其变化是结构性粘土的脆性破坏、黄土的湿陷以及膨胀土的湿胀等的重要 原因，同时也对结构性土的强度变形产生了重要影响。 1 2 2 土结构性研究的历史 土结构性研究大体上可分为以下四个阶段【l 五6 】： 1 结构性研究的初步阶段( 2 0 年代中期_ 5 0 年代初) ： 最早对土结构性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 ) ，他提出的微结 构概念是土微结构研究的开端，也是土结构性研究的开端。他发现粘土的“蜂窝状结 构 是在自然沉积过程中很常见的一种结构形态。真正对微结构展开系统研究的第一 位学者是澳大利亚土壤学家、土壤形态学的创始人w l k u b i e n a ，他给微结构以确切 的定义，用组构一词描述土的基质和骨架的排列及其相互关系，提出的一套土壤微结 构形态描述体系及大量概念和术语，是微结构分类的重要依据，对后人的研究具有重 大的指导意义【j 7 1 。这时期的研究以观察土的微结构形态对土力学性质的影响为主，而 且由于缺乏微形态观测的有效手段，以手持放大镜为主要工具，只能是对土结构性的 感性认识，难以对土复杂的结构性进行系统的研究。 2 结构性研究的深化阶段( 5 0 年代中期“0 年代后期) 随着科学技术的发展，光学显微镜、偏光显微镜、x 一射线衍射等技术手段在土的 微结构观测中得到了有效的应用和推广。h j a l t e r m u l l e r 发明的“浸胶法 使制做高质 量的土壤薄片有了保证，大大地推动了土微结构形态学的发展。1 9 5 8 年召开的第一届 国际土壤形态学工作会议，对以前的微结构研究进行了总结，使微结构研究上了一个 新的台阶。这一时期人们对土的微结构研究进行了更加深入的、全面的研究。如 r b r e w e r i8 】( 1 9 6 4 ) 提出了土结构或构造，意指形成复合颗粒的基本颗粒和复合颗粒本身 以及相应孔隙的大小、形状和排列所表现的土的物理构成。这一时期，我国的常宝琪 ( 1 9 6 2 ) 、林崇义( 1 9 6 2 ) 、张宗枯( 1 9 6 4 ) 等人作出了卓有成效的工作。这些研究中初步 认识到土结构性是由几何特征和力学特征两部分构成的，给出了土结构性的完整概 2 长安大学硕士学位论文 念，但限于当时的研究水平，还未能针对这一完整概念对土的结构性进行定量化研 究，或者给出评价土结构性的途径和方法。 3 土结构性研究的发展阶段( 6 0 年代末一8 0 年代中期) 凭借着对微结构的研究成果，根据对土微结构的理解，对土结构胶结特征的力学 模拟研究也越来越受到重视，提出了内容丰富的结构模式，引起了岩土工程学界的高 度注意。1 9 7 3 年国际岩土工程学会在瑞典召开国际土体结构学术会议，针对土体结构 性问题进行了深入的总结。比较有代表性的有微观结构的定量化评价和力学模拟，如 n k t o v e y ( 1 9 7 3 ) 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，提出了土结构性的微观图象定量分析方法，对于分析微观图象具有重要意义。他 们研究了结构单元相互作用与土的力学行为的宏观表现，提出土的微结构是有层次 的，不同层次的微结构在受力时表现出的力学行为不同，并在模拟土的微结构时考虑 了这一点。在这一时期，我国也涌现出了许多土结构性研究的专家，如张宗枯、王幼 麟、高国瑞、谭罗荣等，都做出了优异的工作。他们的工作主要集中在土微结构的观 察分析上。张宗枯1 9 】早在上世纪6 0 年代初期就对湿陷性黄土进行过电镜分析；高国瑞 不但用电镜研究了湿陷性黄土的微结构，给出了黄土湿陷性的结构性解释，而且研究 了几种特殊土的微观结构，他将黄土的微结构进行分类，建立了湿陷性与微结构的半 定量关系，受到研究人员的广泛肯定；谭罗荣lo 】利用x - 射线研究了结构性粘土的微结 构，后来又研究了膨胀土的微结构与其工程性质之间的关系。这一时期的研究工作对 后来土结构性的研究起到了很大的影响作用，应该说土结构性研究中的两个重要方向 一微结构的观察分析和建立力学模型进行模拟，都是在这一时期发展起来的。 4 土结构性研究的跃前阶段 这一阶段，人们发现现有的研究成果在应用、尤其是在实际的工程之间尚有较大 的距离，土结构性定量化的研究，尤其是将土颗粒的连结和排列特征有效地结合到一 起来表示土的结构性的难度太大，因而出现了一定的徘徊。到上世纪9 0 年代初，由于 非线性理论的推出和不断应用，以及在岩石和部分土体的结构定量化研究方面的突破 性进展，土结构性研究再次唤起了人们的热情。肖树芳对泥化夹层土结构的多角度量 化研究成果，吴义祥应用计算机图象分析技术从信息的角度开展的工程粘性土结构排 列定量分析成果，以及刘松玉推出的粒度分维分析方法等等，均取得了重大的进展。 陈正汉将c t 技术引入非饱和土结构性研究。齐吉琳、谢定义发展了土结构性研究的 土力学方法，构造了能同时反映土的排列特征和连结特征的土结构性定量化参数，使 第一章绪论 土结构性研究进入了一个新天地。p d u d o i g n o n 等对高岭基质土在剪切过程中的颗粒排 列的宏观与微观特性进行了测量，应用光微镜和相关的图像分析等技术手段，揭示了 颗粒的定向性；测量了剪切面与邻近基质的孔隙变化，研究得出：在三轴剪切试验 中，颗粒的排列机理与水的排出、粘土渗透性的各向异性和孔径的弯曲程度有关】。 1 2 3 土结构性研究的基本途径 由于对土结构性的理解的不同，人们研究土结构性问题所侧重的方面不同，所采 取的研究方法也不同，谢定义、齐吉琳分析已有的研究途径，总结为以下三种方法： 1 微结构形态学的研究方法 太沙基指出“在评价粘土类土和岩石的工程地质性质中应当注意考虑其微结构的 必要性，并提出了天然沉积的土中普遍存在的“蜂窝状结构 ，此后，土的微结构 几乎成了土结构性的代名词。r b r e w e r l8 】( 1 9 6 4 ) 进一步完善了土的微结构的概念，提出 土“组构 或“构造 一词。v a no l p h e n ( 1 9 6 3 ) 研究指出粘土颗粒间有点一面接触、点一 点接触、和面一面接触等接触方式模型。这些研究对于土结构性认识起到了一定的作 用，它可以定性描述土的内部结构，为土的变形和强度特性给出更为合理的解释。但 没有能够对土结构性问题最重要的定量化研究起到作用。在对土微结构形态定量化研 究的同时，也有的学者利用微观力学研究土的结构性。这些研究多是提出力学模型来 模拟土的微观结构在力的作用下的行为，由于这些研究中所建立的力学模型主要基于 对微结构形态的研究，即根据结构形态所揭示的颗粒的排列接触形式来建立力学模 型，以研究土的变形和强度特性，没有充分考虑土颗粒间的连结特性，而且不能充分 考虑水的影响，因此尚未得到应用。多年来，尽管微结构形态学的研究方法取得了丰 硕的成果，但它在全面描述结构性的排列和连结特性方面举步维艰。 2 固体力学的研究方法 苗天德( ( 1 9 9 0 ) 根据黄土的电子显微镜的观察结果和土力学实验结果，提出了湿陷 变形系是由于结构失稳造成的，利用突变理论对黄土的湿陷性建立了微观结构的失稳 模型，并按照现代连续介质力学方法给出了湿陷性黄土的本构关系。用损伤力学的方 法来考虑土的结构性是一种新的见解，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，因此土从受力变形到破 坏过程是原生结构逐渐破坏、次生结构逐渐形成的过程，也就是从原状土到扰动土的 转化过程【1 2 】。此方法是建立在损伤比这一概念上，而损伤比是与土的应力状态和含水 4 长安大学硕士学位论文 量的变化有密切关系的量，它的确定是非常困难的。固体力学的研究方法，遇到最棘 手的问题是水对土的作用，因此在建立适应不同类型和状态的土的模型方面可能面临 较大困难。 3 土力学的研究方法 土力学的研究方法就是分析土的结构性与土的工程性质的关系。以往研究的大多 是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 结构性研究成果得到应用。这方面研究有：张诚厚f 1 3 】( 1 9 8 3 ) 通过两种结构性粘土的对比 试验，指出不同结构性粘土力学性质具有明显差异；李靖和党进刹m 】( 1 9 9 7 ，1 9 9 8 ，2 0 0 1 ) 以及田堪良【1 5 1 等人( 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 ) 提出了反映土颗粒连结的稳定性和颗粒排列的可变性两个新概念， 首次得到以结构性参数为基础来描述土变形一强度基本规律的本构关系。在研究中也不 乏巧妙的研究方法，如j a d i a z r o d r i g n e z 等( 1 9 9 6 ) 考虑用先期固结压力p 。、动弹模量 e d 等参数来反映土的结构性。土力学研究方法的优越性在于它避开了直接求取构成土 结构性两个因素所包含的内容，通过土力学的方法直接建立土的结构性与土工程性质 之间的关系。 1 2 4 土的结构性机理分析 结构性土是土颗粒通过空间排列和它们之间的相互连结而构成的。其中，“排 列 包括颗粒和孔隙的大小、性状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，粘性土颗粒排列具有定向性，因而，它的各向异性一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。 “连结 就是土颗粒间的结合力。“连结 来自于土颗粒间的化学胶结物造成的化学 胶结、土颗粒间的机械力( 即咬合力和摩擦力) 、水气共同作用造成的吸力而产生的 土粒间的结合力，结构连结的一小部分具有可逆性，即结构破坏后其连结力还可恢 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连结力。绝大 部分则是不可逆的，如结构破坏使土的凝聚力降低【。 第一章绪论 1 3 先期固结压力研究状况 应力历史是指土在其形成的地质年代中经受应力变化的情况。天然土层在其形成 及存在过程中所经受的地质作用和应力变化不同，所产生的压密过程和固结状态也不 同。根据先期固结压力的定义，当施加的外荷载小于先期固结压力时，天然土层将不 产生变形或只有微小的变形；当外荷载超过先期固结压力后，因为土层历史上的天然 强度被克服，结构被破坏而产生变形；当外荷载相当大时，原始结构土样就会产生很 大的压缩变形，结构完全被破坏。由此可见，土的结构性和土的先期固结压力之间有 着密切的关系，土的结构性反映土的先期固结压力大小变化，而土的先期固结压力对 土的结构性产生很大影响，多大的力形成相应的结构特征【l 们。 先期固结压力是指天然土层在历史上所经受的包括自重压力和其他荷载作用形成 的最大竖向有效固结压力，用p 。表示，它是反映土层原始应力状态的一个重要指标。 通常p 。与现有上覆土层压力p o 之比称为超固结比o c r ( o v e l c o n s o l i d a t i o nr a t i o ) ，被用来 描述土体的固结状态。 根据p c 、p 0 的大小将土分为超固结土、正常固结土和欠固结土( 如图1 1 所示) 。 ( 1 ) p c = p o ，o c r = 1 ，称正常固结土；当土沉积年代较长，地表以下土层在历史 上最大固结压力p 。作用下的沉降已经稳定，之后地表并未发生变化，而且也没有因为 其他因素使土中有效自重应力发生变化，所以先期固结压力p 。等于现地表下土中有效 自重应力p 。 ( 2 ) p c p o ，o c r 1 ，称超固结土；由于古冰川融化、地表剥蚀或地下水位上升 等原因，天然土层h 深度处在地质历史上受到的最大固结压力p 。大于现地表下任意深 度处有效自重应力p 。 ( 3 ) p c p o ，o c r 现 ( b ) 现在地面 r 一7 7 乃7 7 7 = 乃矽 n 一 且l 旷y h c 类土层畎现 ( c ) 图i i 沉积土层按先期固结压力p c 分类 碉效压力p 图1 2 卡萨格兰德求取先期固结压力作图法 许多人针对这种方法做了修正，如在搜寻e 1 9 p 曲线上最小曲率段，采用三项多项 式拟合曲线，用计算机绘图来提高精度。也有人提出用数学模型并用m a t l a b 编制可 视化程序求算先期固结压力。除了对e l g p 曲线的修正外，另一个改进方式就是对试验 的过程、结果数据的处理。如试样的扰动状况、加荷等级、饱和试样注水等级、透水 板湿度、固结稳定标准等。 另外还有伯米斯特法( 1 9 5 1 年) ；休默特曼法( 1 9 5 5 年) ；“s 法；国内有 “f ，法( 高大钊，1 9 9 6 年) ；图解法( 西北电力设计院，1 9 8 1 年) ，密度法( 李作 勤) 等。 7 第一章绪论 1 4 本文的研究思路及内容 思路：黄土的先期固结压力试验结果显示黄土是超固结土，但是研究结果已明确 认定，黄土是欠固结土。为了解决这一矛盾现象，本文通过对黄土的原状样和重塑样 进行试验分析，从黄土的结构性和结构强度角度出发，揭示黄土理论上先期固结压力 的定义与试验得出的先期固结压力的不同。两者不同的原因是由于黄土结构强度的存 在，对试验结果产生了影响。既然明确了结构强度的影响，就可以对试验所得的先期 固结压力值进行修正，使得理论上的定义与试验测得的值相同或接近。于是建立在重 塑样试验的基础上对原状样进行还原的数学模型。从非饱和黄土及饱和黄土的还原结 果，以及结构强度影响的分析，说明试验测得的先期固结压力和超固结比对于结构性 黄土的适用情况。研究黄土试验所得先期固结压力和理论定义上的不同以及结构强度 对先期固结压力的影响，对于黄土的认识及黄土地区的沉降计算具有重要的理论意义 和实用价值。 由以上过程可见，要明确黄土先期固结压力及超固结比的概念，要从试验上得出 黄土真正先期固结压力值，必须考虑黄土的结构性和结构强度的影响。本次论文工作 就是基于以上认识，以黄土的结构性和结构强度为线索，对黄土的先期固结压力进行 了深入研究。 具体内容： ( 1 ) 收集相关资料，分析探讨土及黄土的结构与力学特征等问题； ( 2 ) 分析已有的黄土相关试验结论，结合本文研究目的，做黄土室内土工实验： 分析非饱和黄土的应力一应变一强度试验；对饱和及非饱和黄土原状样与重塑样的 试验及分析；收集高压固结试验资料，分析黄土先期固结压力与含水、密度、空隙 比等物理指标的相互关系； ( 3 ) 分析黄土的结构强度与试验求得的先期固结压力之间的关系，说明结构强度对 试验所测的先期固结压力值影响显著。通过建立数学模型对试验求得的先期固结压力 进行结构强度影响的修正，讨论黄土先期固结压力试验的适用性。 ( 4 ) 分析土的结构性和固结压缩特征之间的关系，而单向压缩沉降法是工程实际中 经常采用的沉降计算方法，进而探讨了土的结构和先期固结压力对沉降计算的影响。 1 5 研究的目的和意义 目的：分析已有一般性土和黄土的结构性研究资料，更加深入地理解土的结构特 r 长安大学硕士学位论文 性：分析研究黄土的试验结果及相关资料，探讨黄土理论上关于先期固结压力的定义 与试验所得出的先期固结压力值之间的差异，黄土超固结比的概念对黄土是否适用； 说明黄土结构强度对试验测得的先期固结压力的影响，在考虑了结构强度的影响之 后，试验所测的先期固结压力值是否就是黄土理论上的先期固结压力值。在深入讨论 了黄土结构强度和先期固结压力的关系之后，简要分析黄土结构和先期固结压力与沉 降计算的关系。 意义：通过对黄土结构性和先期固结压力的分析研究，明确结构性和结构强度对 先期固结压力的影响，分清黄土理论上先期固结压力与试验所测的值之间的差异，这 对黄土的研究具有理论上的意义。 先期固结压力是判别土体应力历史的一个指标。土在不同应力历史状况下的固结 状态不同，对土层的变形有很大影响，所以先期固结压力也是土层变形分析中的一个 重要计算指标，在地基研究和地基设计都应充分考虑先期固结压力这个特性指标。所 以，对黄土的先期固结压力的明确认识，在工程实际中也具有重要意义。 9 第二章黄土的结构性与结构强度 第二章黄土的结构性与结构强度 第一章已介绍了土的结构性概念及研究意义、历史回顾及研究的基本途径，本章重 点介绍黄土结构性和结构强度的研究。 2 1 黄土结构特征和结构强度的概念 黄土古称“黄壤”，本源于土地之色，是一种第四纪沉积物，具有一系列内部物 质成分和外部形态的特征，在地理分布上也有一定的规律性。世界许多国家，如美国 的中西部、俄罗斯的南部和澳大利业等国都有分布，全世界各洲黄土和黄土状土分布 的总面约1 3 0 0 万k m 2 ，占陆地面积的9 3 。我国的黄土和黄土状土的分布面积为6 4 万k m 2 ，是国土面积的6 3 。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 ，这个范围内黄土发育最好， 地层全、厚度大、分布连续，是我国黄土主要分布地区。黄土的现存结构状态，是它 整个历史形成过程中的综合产物。它决定着黄土结构本身在新的条件下的变化倾向。 例如湿陷性黄土的特征是低含水量、高孔隙度和碳酸盐含量高，遇水有崩解湿陷的特 性。 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 m 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；骨架颗粒与胶结物质问的关系( 即胶结类型) 。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和连接 关系构成了黄土的结构性。根据双目显微镜下观察表明，黄土有其特殊的显微结构， 它由结构单元( 单矿物、集合体和凝块) 、胶结物( 粘粒、有机质、c a c 0 3 ) 和孔隙( 大孔 隙、架空孔隙和粒间孔隙等) 三部分组成。 黄土的结构强度是由于土在沉积过程中的物理化学因素促使颗粒相互接触处产生 了固化连结键，这种连结键使得土骨架具有较高的强度，从而提高了土的抗压能力， 能支持比现有上覆土荷载更大的压力，孔隙度的变化也较小。对于结构性黄土，可能 主固结过程己经终止，可是一旦固化连结键遭到破坏，固结( 或压密) 现象就会继续发 展，土的力学性质会产生显著的变化，如压缩性增大，产生湿陷性，承载力降低等。 l o 长安大学硕士学位论文 由于这种结构强度的存在，在一定压力范围内( 结构强度范围内) ，表现出压缩小，强 度高等特性。 2 2 黄土的结构性研究 研究黄土的结构性及其在力和水作用下的变化规律对整个土力学研究的对象都会 有很大的辐射作用。并且从现代计算土力学的发展看，研究能够反映土结构性特点的 本构关系应是当代土力学的一个中心课题。 在土力学中，研究土结构性问题的根本目的在于揭示结构性及其变化的力学效 果。从这个观点出发来考察当代土结构性研究的三条基本途径，即微结构形态学途 径，固体力学途径及土力学途径时，人们在承认微结构形态学对土结构性研究所取得 的重要成果在深化土性变化机理分析上已发挥重大作用的同时，也不能不为它在定量 引入本构关系表述方面的巨大困难而焦虑。目前，将黄土受力、水作用后结构由损伤 到破坏作定量描述的方法一固体力学方法，可以回避在寻求独立表示土结构性参数上的 困难，使结构性本构关系的建立出现了新的活跃。但它仍然遇到了建立不同湿密状态 土在受到外力作用过程中损伤变量能否正确表述的困难。显然，如果能够找到一个能 合理反映土的结构性及其随水与力的作用而变化的土结构性参数，无疑会使问题的解 决更加直观、更加灵活，会使土力学的参数体系更加完善。研究表明： ( 1 ) 黄土的结构可视为一个由单粒、集粒或凝块等骨架单元共同形成的空间结构体 系。它的单元形态( 单粒的矿物碎屑与集粒或凝块) 确定了力的传递性能和土的变形 性质，它的连接方式( 点接触、面接触) 确定了土的结构强度；它的排列方式( 大孔隙、 架空孔隙、粒间孔隙) 确定了土的稳定性。单粒点接触、架空孔隙占优势的结构，湿陷 性大；集粒或凝块，面接触、粒间孔隙占优势的结构，湿陷性小。 ( 2 ) 黄土结构性的研究，既应注意揭示土颗粒排列的几何特征( 以孔隙分布特征最 为敏感) ，又要注意揭示土颗粒连结( 物理的和化学的，而以化学的最为敏感) 的力学特 征，同时将结构与组构相结合，探讨黄土的非均质性、各向异性。当前的主要任务是 由对结构某些特性侧面确定性的定量化走向对结构综合整体动态性的定量化。 ( 3 ) 从黄土力学的观点，结构性研究的根本目的在于揭示结构性对土力学行为的影 响及内在联系，因此，将土的微观结构与宏观力学行为相结合是一条正确的研究途 径。仅从二者的对比说明它们之间定性联系的研究应该被二者定量关系的研究所代 替。将两方面作动态变化的代表一并纳入到同一个统一的力学模型( 结构性力学模型) 第二章黄土的结构性与结构强度 应是土结构研究的中心目标。 ( 4 ) 黄土的结构连结在没有遭到破坏以前表现为它维持结构稳定性的能力，它和颗 粒连结的特性与稳定性有关；在结构连结遭到破坏以后表现为结构可变性的能力，它 和颗粒的排列特性与均匀性有关。对它们所反映的结构特性做出直接的量测是一件很 困难的事情，但使土的结构性遭到破坏后对其结构稳定性和结构可变性作出定量的量 测，并按它们在结构性中的作用找出合理的参数，以反映土的综合结构势，是比较容 易的。对黄土的原状土，它的重塑土和饱和土所作的压缩曲线为基础求取综合结构势 这一个土结构性参数的方法，具有自己的合理性、灵敏性、稳定性和简易性。因此， 如果说黄土结构性研究的途径可以归纳为如上所述的微结构形态学途径，固体力学途 径和土力学途径的话，则它们的相互配合可望取得新的进展，尤其是寻求一个参数来 独立、有效地表征土结构性及其变化，将具有更大的吸引力【1 7 】。 2 3 非饱和黄土的力学特征和结构强度特征 2 3 1 非饱和黄土力学的力学特征 非饱和土是一种三相体系，其中除包含可以认为是不可压缩的固相土粒和液相水 外，还含有一定数量的可压缩气体，由这种体系组成的土体，不仅在压缩方面，而且 在渗透性方面，都比饱和土( 二相体系) 复杂的多，因而对于非饱和土固结问题，迄 今还没有一个公认的成熟而且实用的理论方法。 非饱和黄土作为一种典型的非饱和土，使得2 0 世纪末又一次活跃的非饱和土力学 理论不能不涉及黄土特殊的力学特性，而长期以来以总应力分析为基础的黄土力学特 性研究，也不能不从当代非饱和土力学理论中寻求自身发展的新途径。把黄土力学研 究作为非饱和土力学特殊的一枝互相借鉴、彼此推动，已经成了一个适应形势、顺理 成章的大趋势。 当代的非饱和土力学把水气交界面( 即收缩膜) 外侧与内侧应力之差一吸力( u 。一u 。) 作为各种土性特征的纽带和体现土三相变化及其作用的核心。非饱和土吸力的定性定 量特性决定着非饱和土的应力特性、渗透特性、强度特性、变形特性和固结特性。正 是由于赋予了吸力如此过分重要的作用，再加上吸力测定上众所周知的难度，使得现 代非饱和土力学建立在较为脆弱的基础上。将吸力作为除净应力( 盯一u 。) 以外另一个独 立的应力状态变量，而使建立适合于土特性的单应力变量有效应力的途径逐渐受到冷 1 2 长安大