（岩土工程专业论文）基于电阻率特征的黄土结构性试验研究.pdf

摘要 摘要 土的电阻率是土的固有物性参数之一，可反映土的基本物理力学性质指标及结构特征，研究土的电阻 率具有重要理论意义和应用价值。本文基于电阻率特征，通过室内黄土的无侧限抗压强度试验和湿陷性试 验研究，建立了电阻率与黄土宏观力学指标之间的关系以及基于电阻率特征的黄土抗压强度的变化规律， 并利用电阻率参数初步评价黄土湿陷性、湿陷等级和湿陷程度。 首先，在分析土电阻率的影响因素基础上，通过室内试验，研究了黄土的电阻率基本特性。黄土的电 阻率随含水量的增加而减小，在含水量较小时，较小的含水量增量会带来土电阻率的大幅度下降，随初始 饱和度、孔隙率、温度的增大而逐渐减小。黄土的电阻率与土的结构性、干密度以及颗粒组成密切相关。 其次，分析了黄土的结构性及其影响因素，通过在室内对黄土进行无侧限压缩试验同步测量其电阻率， 分析了黄土在压缩变形过程中电阻率指标的变化规律。研究表明：黄土的电阻率与应变以及抗压强度密切 相关；含水量高，抗压强度低，电阻率就小，尤以掺水泥黄土电阻率随含水量和抗压强度的变化最为典型。 黄土电阻率随着应变的增加而逐渐降低，当应变增加到一定程度时，黄士电阻率趋于稳定，电阻率随应变 的变化关系能很好的反映结构性黄土的损伤演化过程；黄土的无侧限抗压强度与其初始电阻率成正相关关 系，不同结构特征的黄土，其抗压强度的分布范围以及对应初始电阻率的变化范围也有所区别。 最后，通过一维固结装置模拟黄土湿陷试验及其同步竖向电阻率测试，引入电阻率指标分析了黄土湿 陷过程中的结构变化规律。研究表明，可将黄土湿陷过程中电阻率随时间或压缩量的变化分为三个阶段： 试样浸水前黄土的压缩变形阶段，此过程电阻率的变化幅度相对较小；试样浸水的初始阶段，电阻率的变 化速率较大；试样浸水后在加荷与增湿条件下黄土电阻率逐渐趋于稳定的阶段。黄土电阻率的变化率与压 缩应变之间存在较好的对应关系，用未浸水条件下的电阻率的变化率判断黄土某级荷载、某一高度下的压 缩量。建立了黄土湿陷系数、湿陷量与黄土电阻率的关系式，并基于电阻率指标初步评价黄土的湿陷性、 湿陷程度及湿陷等级，为应用电阻率研究黄土的湿陷变形规律提供一种新的途径。 关键词：黄土，电阻率，结构性，无侧限抗压强度，湿陷性 a b s t r a c t s o i le l e c t r i c a lr e s i s t i v i t yi so n eo ft h ef u n d a m e n t a lp h y s i c a l p r o p e r t yp a r a m e t e r so fs o i l ，a n di sc l o s e l yr e l a t e d t ot h ep r o p e r t i e so fp h y s i c a l ，m e c h a n i c a lp a r a m e t e r sa n dm i c r o s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fs o i l s r e s e a r c h so ns o i l r e s i s t i v i t yh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n da p p l i c a t i o nv a l u e b a s e do nt h ee l e c t r i c a lr e s i s t i v i t y c h a r a c t e r i s t i c s ，t h r o u g ht h eu n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t ht e s ta n dc o l l a p s i b i l i t yt e s to fl o e s s ，s e t t i n gu pt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ee l e c t r i c a lr e s i s t i v i t ya n dm a c r o m e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fl o e s s ，a n dt h ec h a n g e so ft h e c o m p r e s s i v es t r e n g t ho fl o e s s ，a n dm a k i n gu s eo ft h ee l e c t r i c a lr e s i s t i v i t yt oe v a l u a t ec o l l a p s i b i l i t y ，c o l l a p s i b i l i t y d e g r e ea n dc o l l a p s i b i l i t yg r a d e f i r s t , t h ee f f e c t so fw a t e rc o n t e n t , d e g r e eo fs a t u r a t i o n ，t e m p e r a t u r e ，p o r o s i t ya n dc o m p o s i t i o no nt h es o i l e l e c t r i c a lr e s i s t i v i t ya r ed i s c u s s e d t h el o e s sw i t hh i g h e rw a t e rc o n t e n th a sl o w e re l e c t r i c a lr e s i s t i v i t y f o rl o e s s w i t hl o ww a t e rc o n t e n t , as m a l lv a r i a t i o no fw a t e rc o n t e n tc a nc h a n g ei t se l e c t r i c a lr e s i s t i v i t yal o t s e c o n d , t h es o i lr e s i s t i v i t yi sm e a s u r e ds i m u l t a n e o u s l yd u r i n gu n c o n f i n e dc o m p r e s s i o ns t r e n g t ht e s ti nt h e l a b o r a t o r y t h e nt h es t r u c t u r ed a m a g ed e v e l o p m e n ti n s i d el o e s ss a m p l e sd u r i n gt h e i rc o m p r e s s i v ed e f o r m a t i o ni s a n a l y z e df r o mt h ea n g l eo fs o i le l e c t r i c a lr e s i s t i v i t y e x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ee l e c t r i c a lr e s i s t i v i t yo f l o e s si ss e n s i t i v et oi t ss t r a i na n du n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t h t h ee l e c t r i c a lr e s i s t i v i t yo fl o e s sg r a d u a l l y d e c r e a s e sw i t ht h es t r a i ni n c r e a s e ，w h i c hi sm o s tt y p i c a lf o rt h el o e s sm i x e dw i t hc e m e n t w h e nt h ev e r t i c a ls t r a i n d e v e l o p st o ac e r t a i nd e g r e e ，t h ee l e c t r i c a lr e s i s t i v i t ya p p r o a c h e sac o n s t a n tv a l u e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n e l e c t r i c a lr e s i s t i v i t ya n ds t r a i nc a nw e l lr e f l e c tt h ed a m a g ep r o c e s so fs t r u c t u r a ll o e s s t h el o e s sw i t hl o w e r u n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t hh a sl o w e re l e c t r i c a lr e s i s t i v i t y t h eu n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t ho fl o e s s 锄b ed e t e r m i n e dt h r o u g hi t si n i t i a le l e c t r i c a lr e s i s t i v i t ym e a s u r e m e n t l a s t , t h r o u g hc o l l a p s i b i l i t yt e s to fl o e s s ，t h ee l e c t r i c a lr e s i s t i v i t yi si n t r o d u c e dt om a k er e s e a r c ho ns o i l s t r u c t u r ed a m a g ec h a r a c t e r i s t i cd u r i n gt h et e s t t h ee l e c t r i c a lr e s i s t i v i t yd e v e l o p m e n tw i t ht i m ea n dc o m p r e s s i o n c a nb ed i v i d e di n t ot h r e es t a g e s ：i nt h ef i r s ts t a g e ，t h ee l e c t r i c a lr e s i s t i v i t yo fl o e s sc h a n g e sal i t t l eb e f o r ew a t e r s o a k i n g i nt h es e c o n ds t a g e ，i nt h eb e g i n n i n go f w a t e rs o a k i n gt h ev a r i a t i o nr a t eo fe l e c t r i c a lr e s i s t i v i t yo fl o e s si s r e l a t i v e l yh i g h i nt h et h i r ds t a g e ，t h ee l e c t r i c a lr e s i s t i v i t yo fl o e s st e n d st ob es t a b i l i z e du n d e rt h ec o m b i n e de f f e c t o fl o a d i n ga n dm o i s t u r ec o n t e n ti n c r e a s e t h ee l e c t r i c a lr e s i s t i v i t yv a r i a t i o nr a t eh a sg o o dr e l a t i o n s h i pw i t ht h e c o m p r e s s i o nv a r i a t i o nr a t e t h ec o m p r e s s i o nm a g n i t u d eo fl o e s su n d e rc e r t a i ni o a dc a nb ed e t e r m i n e dw i t ht h e e l e c t r i c a lr e s i s t i v i t yv a r i a t i o nr a t ew i t h o u tw a t e rs o a k i n g n er e l a t i o n s h i pf o r m u l a sb e t w e e nt h ee l e c t r i c a l r e s i s t i v i t yo fl o e s sa n di t sc o f f i c i e n to fc o l l a p s i b i l i t ya n da m o u n to fc o m p r e s s i o na r ee s t a b l i s h e d ，a n dt h e nt h e c o l l a p s i b i l i t y , c o l l a p s i b i l i t yd e g r e ea n dc o l l a p s i b i l i t yg r a d ea r ee v a l u a t e dw i t he l e c t r i c a lr e s i s t i v i t y , w h i c hp r o v i d e s an e wa p p r o a c ht om a k er e s e a r c ho nt h ec o l l a p s i b i l i t yb e h a v i o u ro fl o e s s k e yw o r d s ：l o e s s ，e l e c t r i c a lr e s i s t i v i t y , s t r u c t u r a lp r o p e r t y ，u n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t h , c o l l a p s i b i l i t y 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名名红钮 日期： 迎弘吕 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：，丝詹 导师签名 j 御二伊期： 印。1 - 鲁 1 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 黄土是一种多孔隙、弱胶结的第四纪沉积物，颗粒成分以粉粒为主。黄土具有较强的水敏性，即天然 低湿度下具有明显高强度和低压缩性的黄土，但在浸水甚至增湿时会出现强度大幅度骤降和变形大幅度突 增的特性。 黄土主要分布于世界大陆比较干燥的中纬度地带，覆盖着全球大陆面积的2 5 以上。我国黄土面积约 为“万k m 2 ，是世界上分布最广泛的地区，主要分布在西北，其次为华北平原及东北的南部地区。而我国 西北地区黄土地层最厚，最完整，分布连续，其特性较典型。 对黄土的研究，前苏联、东欧和美国起步较早，但多偏重于黄土的湿陷性以及水土流失规律，对黄土 其他工程性质研究成果较少。7 0 年代末，随着我国国民经济建设的发展，对黄士力学及工程性质进行了全 面、系统和深入的研究。西部大开发伟大战略的推进，促进了这些地区的经济发展，城乡面貌日新月异， 土木工程建设总量巨大，在黄土地基上兴建高层建筑、公路、铁路、机场等土工建筑物日益增多，工程实 践对黄土变形预测和控制的要求也越来越高，由此引发的与黄土有关的岩土工程问题亦愈来愈突出。这就 必然要求岩土工作者及研究人员对黄土的工程力学性质、变形特性有一个更为全面和深入的认识。 目前，人们对黄土的基本性质的了解还不够深入透彻，对黄土变形规律的研究尚未形成系统、成熟的 理论，现有理论与方法尚不能全面准确描述黄土地基变形规律。例如，如何把握黄土具有较强的结构性这 一特点，探索实用的r 十结构性定量化参数。再如，怎样抓住黄土对水分敏感的特点以及浸水水分转移分布规 律，基于黄土加载和增湿作用下结构破损规律，从而建立简单的结构演变模型。因此，对黄土特性及其变 形规律的深入研究仍是黄土力学研究领域的重点内容。 近年来，人们越来越重视土体结构性对其上程性质影响，如十的固结压缩行为和剪切变形规律等都与 其结构性有密切关系。传统土力学的理论多是建立在饱和重塑土试验基础上，没有或很少考虑土体结构性 的影响。自然界和工程实践中面对的大多都是天然士，而结构性更是影响黄土力学行为和变形特性的重要 因素。因此，如何在黄土基本性质研究中增加对其结构性的考虑，如何引入新的参数来描述天然结构性黄 土的结构特性及其湿陷受力变形性状，现已成为当今黄十力学研究领域的一大热点。 本文拟将电阻率参数应用于黄土的结构性研究，分析电阻率参数随黄土结构性变化而变化的规律以及 黄土在荷载与浸水条件下的湿陷变形过程中电阻率的变化规律。探讨用电阻率参数较为简单和方便反映黄 土的结构性、黄土的湿陷系数、湿陷程度和湿陷等级。由于土的电阻率指标获取简便、快捷、连续，因而 将其应用于黄土的结构性试验研究将从一定程度上克服传统土力学研究方法的弊端，大大提高土体结构性 指标测试的可操作性和一致性，为黄土的结构性和湿陷性的研究提供一种新视角。 1 2 黄土的结构性与湿陷机理 土的结构一般包括两层意剧1 1 ：从微观( 粘土颗粒级) 尺度上讲，主要是指土颗粒单元间的相互排列 关系( 也称组构) ，它包含颗粒架构间的孔隙在内；从宏观尺度上讲，主要指土体中的层理、裂隙、构造 等。土的结构性是指土中各组分在空间上的存在形式，它包括颗粒或颗粒集合体以及颗粒间孔隙的大小、 形状、排列组合与联结等特征，是决定十体工程力学性质的主要因素之_ _ 1 2 1 。土结构性影响主要指胶结作 用、触变硬化、时间效应及淋溶等，绝大多数天然土都有一定的结构性。关于土结构性研究的重要性已得 到越来越多学者的认同，沈珠江曾称之为2 l 世纪土力学发展的核心问题 3 1 。 结构性广泛存在于天然土中，是软硬粘土、粒状土内在的根本特性之一，土的宏观工程性状在很大程 度上要受到其内部结构的系统状态或整体行为的控制。比如黄土湿陷及膨胀土湿胀主要取决于其内部结构 东南大学硕士学位论文 的不同及其变化，土的变形、应力一应变性状等与土的结构性有显著关系，应力历史和应力路径影响问题 也与土的结构性密切相关。 黄土变形的特殊性是由于黄土的特殊结构引起的，黄十主要是在干早半干早地区形成的第四纪沉积 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孔隙结构，这种独特的结构性直 接影响着黄土的力学性状和t 程性质。黄十结构性的不同及其变化是其发生脆性破坏、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具有显著的关系。 1 2 1 土的结构性研究现状 土结构性问题研究是一个逐渐发展、不断深化认识的过程。它经历了一个从认识土结构的重要性并对 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，并初步认识到士颗粒 的联结特性在土结构性中的重要地位，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 到研究土结构性的综合定量描述的过程。 上世纪2 0 年代中期，十力学奠基人t e r z a g h i ( 1 9 2 5 ) 就提出十的微结构概念和思想，被认为是_ 十微结 构研究的开端，他提出了粘土的“蜂窝状结构”是在自然沉积过程中很常见的一种结构形态。其后许多学者 也注意到了_ 十微结构的力学意义，并开始着手这方面的研究。 到了5 0 年代中期，随着科学技术的发展，光学显微镜、偏光显微镜、) ( - 射线衍射等技术手段的发展， 并在土的微观结构研究中得到了广泛应用与推广。人们开始注意到了结构要素的完整性，特别是结构单元 的定向分布特征，此阶段可以说是十结构性研究的深化阶段。十结构性定量化研究始于上世纪6 0 年代，这 期间，人们在寻求定量化描绘微观结构形态诸要素方法的同时，开始了对土结构联接特征的力学模拟研究， 出现了从某些侧面描述土结构性的定量化指标以及描述微结构形态的诸要素的方法。b r e w e r t 4 1 等( 1 9 6 4 ) 考虑到结构要素的完整性，特别是结构单元的定向分布特征，第一次提出了“组构”的概念。m i t c h e l l 习 ( 1 9 7 6 ) 借助于电子显微镜及其它测试手段，将单粒结构发展到团粒结构。t o v e y l 6 1 ( 1 9 7 3 ) 提出了土结构 的微观图象定量分析的方法，对于分析微观图象具有重要的意义。o h t a t7 】( 1 9 7 3 ) 提出了十微结构受力作 用下的理想模型。 上世纪8 0 年代后期以来，由于非线性理论的推出和不断应用，以及在土体的结构定量化研究方面的 进展，土结构性研究在这一阶段有了较大的发展。高国瑞【s l ( 1 9 8 6 ) 对细粒土结构进行了术语、概念和分 类命名的研究。蒋国澄 9 1 ( 1 9 8 6 ) 研究了粘性土的结构稳定性及某些特殊土的性状。胡瑞林【1 0 l ( 1 9 9 5 ) 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、孔隙性和结构联结。刘松t t 】( 1 9 9 5 ) 则采用 粒度分维分析方法进行土结构研究，提出粒度分维表示法。刘松7 仨, _ 1 1 2 , 1 3 】等采用电阻率的方法对土的结构进 行定量化研究。施斌【1 4 】( 1 9 9 6 ) 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。胡瑞林等【1 5 1 ( 1 9 9 9 ) 认为土体结构形态系统是一个复杂的、多层次，交叉 系统，可以以层次式概念模型加以确定。王常吲1 6 1 ( 1 9 9 9 ) 总结了海积软十微观结构的定量分析的指标体 系：粒度、定向性和孔隙分布特征定量指标。谢定义等【1 7 l ( 1 9 9 9 ) 则针对土的结构性提出了综合结构势的 概念，通过十结构的可稳结构性和可变结构性的相对变化发展，试图反映土结构性受荷载作用的变化过程， 对土的结构性的力学效应进行从定性到定量的描述。陈嘉鸥等【1 8 】( 2 0 0 0 ) 从士的孔隙特征方面分析了微结 构与工程性质之间的定晕关系，并对粘性土微结构与_ t 程加同效果的相关性进行了初步探索。张小平1 1 9 1 ( 2 0 0 3 ) 针对石灰改良膨胀十压实膨胀士样进行了表面吸附试验，探索了十样加灰前后比表面积、微孔比 表面积、微孔体积、微孔孔径及孔径中值的变化情况。刘志彬1 2 0 】( 2 0 0 4 ) 等通过液氮吸附的方法对石灰、 水泥改性膨胀土的微孔结构进行了定量研究，并通过与扫描电镜方法的对比，论证了该方法的科学性。王 宝军【2 l j ( 2 0 0 4 ) 等应用g i s 的分析方法定量研究了粘性土的微观结构特征以及粘性二卜微观结构中十颗粒的 分形特征。h u 【2 2 l 等( 2 0 0 5 ) 则运用数字图象处理技术对击实土的微结构特征进行了研究。 土的结构性研究中，目前常用的土的微结构分析方法本身存在测试麻烦、变异性人、定量分析困难和 不能连续观测土的结构变化等特点，难以真正实现土的微结构定量分析。传统的用于土结构性研究的微观 2 笙二皇堕笙 结构形态学方法和同体力学方法都存在一定的缺陷。近年来，土力学的研究方法局限于说明不同结构性的 土具有不同的力学规律，或针对某些土的特殊性质而提出某些表述参数( 如结构强度、湿陷系数和液化度 等) ，总体上缺乏有效的定量研究。 1 2 2 黄土的结构性研究现状 黄土是一种典型的结构性土体，对黄土结构性及其变化规律的研究是土结构性研究不可或缺的重要组 成部分。黄土的结构是指黄土颗粒或颗粒集合体以及他们之间的孔隙的大小、形状、排列组合及连接等综 合特征鲫。 黄土骨架颗粒的排列方式直接决定了黄土中孔隙的形状、大小和性质。研究表明1 2 4 】：黄土的孔隙类型 可以分为大孔隙、架空孔隙和粒间孔隙三大类，其中大孔隙孔壁的颗粒多为碳酸钙所胶结，结构稳定；架 空孔隙是由一定数量的骨架颗粒连接堆积所造成的，孔径远比构成孔隙的颗粒大，在水和荷载的作用下， 孔隙周罔的颗粒容易落入孔内，引起黄土显著的变形；粒间孔隙是指颗粒在空间上呈镶嵌排列所形成的粒 间缝隙，它又可分为支架孔隙、镶嵌孔隙和胶结物孔隙，这种粒间孔隙的结构比较稳定，如图1 1 所示。 架空子l 隙镶嵌孔隙支架孔隙 胶结物孔隙 图1 1 黄土的孔隙结构和胶结1 2 3 1 骆亚生【2 6 1 通过大量的试验讨论了结构性的主要影响因素，其中包括压力p 、含水量w 、初始干密度 m 、胶结情况( 水泥含量) 和粘粒含量等。当压力大于黄土的初始结构强度时，压力的增大使得黄土的结 构性总体走弱。含水量对黄土结构性的影响规律与压力对其影响规律基本相似，即随着含水量的增大黄土 的结构性在走低。同一条件下，随着密度的增加黄土的结构性表现出走弱的趋势。一般来说，黄土粒间胶 结水泥量的增加对黄土的结构性起到了一定的加强作用。 由于人们对结构性问题认识的角度和研究侧重点的不同，所采取的研究方法也不同。谢定义等【2 7 j ( 1 9 9 9 ) 把已有的土结构性研究的基本途径归纳为以下三种方法：( 1 ) 微结构形态学的研究方法： ( 2 ) 固体力学的研究方法；( 3 ) 土力学的研究方法。本文是从土力学方法的角度研究黄土的结构特性及湿陷 变形特性，用“结构性”一词来描述黄十颗粒的排列特征和联结特征，以及由于它们的变化所导致的黄土 结构性的差异和黄士的湿陷变形特性的差异。 1 微结构形态学的研究方法 土的微观形态研究方法可归纳为以下的方法：压汞法、气体吸附、x 一射线衍射、电弥散法、磁化率 法、声波法、渗透率法、偏光显微光度法、计算机图象分析法。所解决的问题依次为：孔隙的人小和数量、 颗粒和孔隙的定向性、孔隙性、各向异性度、颗粒的大小、形状、定向度等多项指标。微结构形态学的研 究成果将土的结构形态分为：颗粒形态( 颗粒形伏、颗粒大小和表面起伏) ；颗粒排列形式( 颗粒定 向性和颗粒空间分布) ；颗粒接触关系( 接触面形态和连通性) ；孔隙形态( 孔隙分布和孔隙大小) 。 常宝琦1 2 8 1 ( 1 9 6 1 ) 对黄土湿陷性进行初步研究时提出，土的结构是颗粒排列的规律性和颗粒间联结性的规律 性的统称，结构性可分为结构性和粘聚性两部分。林崇义1 2 9 】( 1 9 6 1 ) 利用双目放大镜在对黄土的结构性进 行研究，认为黄土受力的变形过程是黄十结构逐渐破坏的过程，提出土的结构性是指十的颗粒形状、表面 特征及其相互排列和胶结情况。张宗祜p o 】( 1 9 6 4 ) 等研究了黄土的湿陷变形过程中微结构变化特征及湿陷 性评价。高国瑞【2 4 】( 1 9 8 0 ) 用扫描电子显微镜对我国北方黄土进行了深入研究，提出了黄土结构的1 2 种 3 东南大学硕士学位论文 分类形式，得出了黄土显微结构类别与湿陷系数和湿陷起始压力的关系，指出黄土中存在的架空大孔隙是 黄土具有湿陷性的内在原因，并分析了黄十微结构类型与湿陷性的对应关系。雷祥义【3 1 , 3 2 ( 1 9 8 7 ，1 9 8 9 ) 利用 压汞法研究黄土物质的孔隙结构，定量研究黄土孔隙大小、分布特征及其所连通的相应孔隙体积的大小， 揭示黄土中不同大小的孔隙分布特征，从黄十孔隙的成因分类和大小分类反映了黄土孔隙构成特征。他还 研究了黄土的孔隙大小与黄土湿陷性的关系，指出了黄土中大、中孔隙，特别中孔隙是引起黄土湿陷的主 导因素。王永炎【3 3 l ( 1 9 9 0 ) 利用扫描电子显微镜对黄土的显微结构及其地质时代与区域上的变化进行研究。 吴芝兰，曲永新 3 4 1 ( 1 9 9 7 ) 利用扫描电子显微镜研究表明，黄十中细分散颗粒均呈团聚体的形式存在，其 中主要是由碎屑颗粒与粘十颗粒聚集而成的。杨运来【3 5 】( 1 9 9 8 ) 在偏光显微镜下对湿陷前后的黄土薄片进 行孔隙分布统计，求出了黄土的湿陷空间，并研究了黄土颗粒间结构、胶结特征以及黄土的湿陷机理。李 晓军1 3 6 l ( 1 9 9 9 ) 提出了一种利用c t 技术定量评价黄土结构性的方法，利用该方法对不同压实度的黄土进 行了初始扫描，并从c t 数和c t 图像两方面分析压实黄土的初始结构。胡再强等【了7 】( 2 0 0 0 ) 对非饱和黄 十的显微结构与湿陷性的关系进行研究。汤连生【3 8 , 3 9 】( 2 0 0 0 ，2 0 0 1 ) 认为黄土微结构的不平衡吸力是造成黄 土湿陷性的原因。张玉蕴，郭俊凯1 4 0 】( 2 0 0 3 ) 通过定性的电镜图像分析和基于r v a s h c h e n k otc 和a k u l o v a vv 所提出的粒度分析“结构图”方法，将黄十的微结构模型分为集粒骨架结构模型和粗粉粒型结构模型 两种，认为各结构元素的排列无方向性，结构之间的粘结物主要是粘十矿物。 以上从微观角度对黄土结构性的成因以及定性方面进行研究，但由于黄土的结构是颗粒、孔隙排列和 粒间胶结的综合反映，纯粹从微观结构出发对某一个分量的定量研究很难应用到具体的黄土工程实际当 中，也很难把微观上的量转变为宏观上的力学表现。 2 固体力学研究方法 应用固体力学的新理论、新方法探讨土体材料的本构模型，如损伤力学，断裂力学等，试图从数学力 学的观点建立一种能有效描述土体结构性在受力过程中变形和强度破坏的力学模型，由此推导和反映土的 宏观力学行为。 最早把损伤力学理论引入于描述土体结构性损伤过程的是沈珠江和张为民【4 l 】( 1 9 8 8 ) ，他们首先定义 一种理想的天然土和一种理想的完全损伤土。前者指天然沉积土，后者指天然土受到力学因素作用后“结 构性”完全丧失的十体( 如重塑土) 。实际土体的变形和破坏过程可以视为由天然r 十到损伤土的演化过程。 基于此，沈珠江 4 2 , 4 3 j ( 1 9 9 3 , - - 2 0 0 0 ) 利用损伤力学和破损土力学的方法考虑土的结构性在土受力过程中对 应力应变的影响，认为土的变形过程为土中结构逐渐破损的过程，原生结构逐渐破坏，次生结构逐渐形成 的过程，并提出了两种结构损伤模型复合体模型和堆砌体模型。刘祖典等【2 5 】( 1 9 9 6 ) 提出了黄土在湿 陷过程中的广义屈服面模型，即以含水量w 和应力。共同作为变量的屈服函数f ( o ，w ，h ) = o ，其中h 为硬化参数，然后沿用经典弹塑性理论计算a o 和a w 共同作用的塑性应变增量。丁伯阳 4 4 1 ( 1 9 9 8 ) 等 根据西北黄土土动力学试验成果，从黄十微观结构力学分析出发，提出黄土的震陷( 包括湿陷) 变形系应 力作用下黄十微结构稳定性破坏所引起，微结构失稳模式符合突变理论的“c u s p ”模型的假定。苗天德【4 5 1 ( 1 9 9 9 ) 基于微结构的突变失稳假说，应用数学灾变理论建立了黄土的微结构失稳模型。苗天德 4 6 1 ( 2 0 0 1 ) 等根据黄十的电子显微镜观察结果和土力学试验结果，提出了黄土湿陷变形是由微结构失稳造成的，利用 突变理论建立了微结构失稳模型，并按照现代连续介质力学方法推导出湿陷性黄土的本构关系。沈珠江等 4 7 1 ( 2 0 0 5 ) 基于结构性岩土材料是由于胶结力空间分布的不均匀性而形成的非均质材料，提出岩七2 2 元介 质模型，并将这一模型应用于黄土结构特性的分析，认为黄十的湿化变形过程可以看作是水分的增加使黄 土由一种结构性土逐渐过渡到无结构的分散土。胡再强，沈珠江，谢定义【4 8 】( 2 0 0 5 ) 应用充分扰动饱和粘 土的稳定孔隙比和稳定状态原理，根据不可逆变形由团块之间滑移和团块破碎机理所引起的概念及士体损 伤演化定律，建立了非饱和黄土的屈服函数和损伤函数，得剑了非饱和原状结构性黄土的结构性数学模型。 夏旺民1 4 州( 2 0 0 5 ) 通过室内试验深入分析了黄土的变形强度特性、结构性以及湿陷和增湿变形特性，建立 了由塑性、加载损伤和增湿损伤三部分组成的黄士结构性的弹塑性损伤本构模型。林斌【5 0 】( 2 0 0 5 ) 以室内 试验为基础，通过对黄十在荷载、含水量和时间因素的作用下的物理力学性状变化规律研究，寻找一个能 将微观结构变化和宏观物理力学参量变化联系起来的合适参量，以此建立可以考虑黄土结构强度对黄土变 形影响的流变模型。 固体力学的研究问题的方法的优点是避免了土体复杂的微观结构试验量测和研究，并且，避免了直接 4 第一章绪论 求取土结构性的定量化参数等烦琐的工作。不足之处：纯宏观力学建模方法，对宏观力学现象下的结构性 土的微结构缺乏了解：一些模型参数物理含义不明确，难以真正刻化土的变形实质和强度形成机制，难以 准确有效预测受力过程中其变形与强度变化规律。 3 土力学研究方法 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方面的成果，但无法反映土的胶结方面特 征，不能很好的宏微观结合。土力学研究方法是用纯土力学试验建立士体结构性的量化指标，然后建立结 构性量化指标与土的工程性质之间的相互关系。 陈正汉( 1 9 8 6 ) 5 1 l 首先采用应力控制三轴仪研究黄土在复杂应力状态下的湿陷特性，取得了一系列新 认识。( p - p o ) 2 - 1 - ( q - q o ) 2 = r 2 ，式中，7 0 、q o 、r 都是含水量( 或基质吸力) 的函数。此式反映了球应力和剪应 力都能导致黄土湿陷的事实。张炜【5 2 鄙l ( 1 9 9 0 ，1 9 9 2 ) 等通过原状黄土的三轴试验，对黄土的结构强度进行 研究，将三轴试验的应力应变关系用结构屈服极限表示，讨论了结构强度对抗剪强度的影响。党进谦，李 靖【5 4 ，5 5 】( 1 9 9 7 ，2 0 0 1 ) 、胡再强等1 5 6 5 7 5 川( 2 0 0 0 2 0 0 4 ) 对非饱和黄土的结构强度进行广泛深入的研究。骆 亚生1 5 9 1 ( 2 0 0 3 ) 等从黄土的结构特征出发，研究不同地区原状黄土的湿陷特性，提出潜在湿陷率概念，指 出结构性不同是不同地区黄土湿陷性产生差异的根源。邵生俊，骆生【2 6 , 6 0 l ( 2 0 0 4 ) 通过原状黄土的静动 三轴试验研究，提出强度指标和变形指标的综合结构势，并建立了包含综合结构势的结构性本构关系，对 综合结构势进行进一步完善。邵生俊唧6 l 】( 2 0 0 6 ) 在研究湿陷性黄土结构损伤演化特性中指出，湿陷性黄 土这种特殊的结构易受浸水与加载破坏，在不同的湿压原状结构损伤和次生结构增长条件下，剪切变形过 程中土的湿剪原状结构损伤和次生结构增长有所不同，一旦粒间或团粒问的固化联结键被破坏，就会发生 强度弱化、承载力降低、湿陷等现象。 土力学研究方法长期以来得到了土力学工作者重视，但尚存如下不足：或局限于说明不同士具有不同 的力学规律，或只针对某些土的特殊性质而提出某些对应的表述参数。总体说来仍缺乏系统、实质、全面 研究，使得十体结构性研究仍游离于土性规律的研究之外。 综上所述，黄土结构性研究经历了从定性到定量研究土的微结构形态，并初步认识到土颗粒的联结特 性在十的结构性中的重要地位，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的过程。通过结构性的研究，把结构性特征或参数引入土的本构模型提出结构 性本构模型应用于工程应用分析中，但这一方面还不能全面模拟黄土的应力应变关系和湿陷增湿特性。 1 2 3 黄土的湿陷变形特性研究 1 黄土的湿陷变形机理 黄土的最大特点为黄士具有湿陷性，也即黄十的水敏性，黄士的湿陷变形具有突变性、不可逆性和非 连续性等特点。黄土的湿陷变形按单轴浸水试验可以分为三个阶段，如图1 2 所示。 孔 隙 比 n 图1 2 湿陷性黄十的变形曲线( e - p 曲线) 图1 2 中p 为压力，e 为孔隙比。口6 段表示天然状态下的压缩变形。当某一压力值肋时，若保持肋 恒定而使试样浸水，则土体将迅速发生一个附加压缩量，孔隙比降低有限值e 。土工界把如图1 1 中b c 段 东南大学硕士学位论文 所示的突增变形称为相应于压力肋的湿陷变形。c d 段表示饱水状态下压力再增加时的十体压密过程。 国内外关于黄土湿陷的原因和机理进行过大量的研究，主要是将黄土的微观结构特征、孔隙特征与黄 土的湿陷机理结合起来研究，揭示黄土湿陷的本质特征【4 5 】。在对黄土的湿陷变形研究中，国内外岩土t 作 者提出黄土湿陷机理的理论或假说主要有以下三种观点：( 1 ) 加同凝聚力降低或消失假说；( 2 ) 粘土粒膨 胀假说：( 3 ) 土粒间的抗剪强度降低假说。其中以第一种观点较为完善，这一观点指出，土颗粒间存在着 两种凝聚力。一种是由分子间的相互吸引而产生的凝聚力，即原始凝聚力；另一种是由土颗粒周围的盐类 结晶胶结而产生的凝聚力，即加固凝聚力。这一假说的理论本质是十体浸水后，在水薄膜的楔人作用和胶 结物的溶解作用下，使加同凝聚力降低乃至消失，土的结构受到破坏，因而在外力作用下便产生湿陷变形。 由于- 十颗粒本身是难以压缩的，十体体积的不可逆变形只能是由土中的空隙减少而引起。近年来，对 黄土的微观结构研究指出，黄土中存在着大量如图1 1 所示的架空空隙，颗粒多以点式接触连结在一起。 颗粒间以点式接触为主的黄士中，架空空隙越多，其湿陷性就越强烈，粒状架空结构是黄土产生湿陷的内 在的决定性因素。 黄十湿陷机理研究表明，黄土的湿陷变形发展过程也是其结构损伤演化的一个过程t 6 0 j ，导致黄十湿陷 的主要因素课归纳为内因和外因两个方面：一方面，黄十特殊的微结构是湿陷产生的内因，在压力作用下 十中的架空孔隙崩塌，土体微结构遭到破坏，微结构失稳，是造成湿陷的根本原因。另一方面，水和力的 作用( 包括自重和外荷载) 是湿陷产生的外因。黄土的湿陷变形是压力与浸水共同作用的结果，变形量的 大小与压力的大小和增湿程度有关。 2 黄+ 湿陷性影响因素 影响湿陷变形的因素包括初始含水量、初始干密度、应力状态、压实系数、细粒土含量、结构性、浸 湿程度和矿物成分。黄土的湿陷性影响因素如图1 3 所示。 ( 1 ) 颗粒组成对湿陷性的影响 试验表明，粘粒含量越少，湿陷性越强。粘粒指的是粒径小于0 0 0 5m m 的_ 十粒，它在黄土的结构中 主要起胶结使用，尤其是小于0 0 0 2m m 的细粘粒，它在黄土结构中所起的胶结作用更加明显。细粒土含 量越高，湿陷变形越大。粘粒含量少时，黄土骨架的胶结形式主要是以薄膜为主，这种胶结强度低，容易 破坏，因而湿陷性强；而粘粒含量高时，黄土骨架的胶结形式多以镶嵌式为主，这种胶结强度高，不易破 坏，因而湿陷性弱。一般来说，黄十中的粘粒含量超过3 0 时，湿陷性即基本消失。 ( 2 ) 干密度和压实系数对湿陷性的影响 湿陷性黄十的干密度一般在1 1 4g c m 3 - 1 5 5 9 c m 3 之间。一般来讲，黄土的干密度小，孔隙比就大， 湿陷系数也大。一般认为当干密度大于1 5 0g e m 3 时，一般属于非湿陷性黄土t 6 2 1 。压实系数越小，黄土的结 构越松散，黄十的湿陷变形随着压实系数的增加而减小。 ( 3 ) 含水量对湿陷性的影响 湿陷性黄土的天然含水量在3 3 * o , - - 2 5 3 之间变化。研究认为 6 3 1 ，黄十的湿陷性随其天然含水量的增 加而减弱，天然含水量低的黄土的湿陷性强，而天然含水量高的黄土的湿陷性弱。当含水量相同时，黄土 的湿陷晕将随浸湿程度的增加而增大。试验结果表明含水量比最优含水量低的试样具有的湿陷性要要高于 比最优含水量高的试样。一般当天然含水量大于2 5 或处于地下水位以下时，黄士即无湿陷性脚】。 ( 4 ) 可溶盐含量对湿陷性的影响 可溶性盐包括易溶盐( n a c l 、k c i 、n a 2 s 0 4 、n a 2 c 0 3 ) 、中溶盐( c a s 0 4 ) 和难溶盐( c a c 0 3 ) 三种。 由于可溶盐在固态时对十粒起胶结作用，溶解为离子时与土粒表面吸附的阳离子发生置换，故会影响到土 的湿陷性。一般认为可溶盐含量高时黄土的湿陷性强；中溶盐含量越多则湿陷性越大；难溶盐在黄土中既 起骨架作用又起胶结作用，而起胶结作用的c a c 0 3 对湿陷性有明显的影响。即c a c 0 3 的含量越多，湿陷 性越弱。 ( 5 ) 应力状态和结构性对湿陷性的影响 当土受到的荷载大于湿陷起始压力时才会出现湿陷变形，随着应力的增加，一般会出现湿陷峰值。在 给定的天然孔隙比和含水量的情况下，在