黄土结构性的力学特性

黄土结构性的力学特性

1土结构性的特征自然界中的许多土壤都具有明显的结构。土的结构性及其变化显著地影响其力学特性和土体的稳定性。开展土结构性的研究,揭示其对土力学特性变化规律的本质作用,建立土体强度变形稳定性分析理论,完善土力学体系,越来越得到土力学界的高度重视。早在20世纪初,人们已经开始注意土的结构性。Soga在结合Mitchell对土微观结构认识的基础上给出了土结构性的定义,即土颗粒、团粒以及孔隙的几何排列通常被定义为土的微观组构,其相互作用力系统为组构的稳定性,而土的结构性是指土微观结构的联结效应及其稳定性。晚更新世以来沉积的黄土一般属于大孔隙随机分布、大孔隙比、欠压密的非饱和土,业已证明其具有显著的结构性和湿陷性。中更新世后期的黄土也具有明显的结构性。黄土在一定的环境和历史条件下沉积形成,具有一定的颗粒特征、密度特征、湿度特征和结构特征,它们均影响黄土的工程性质。颗粒特征反映了土的颗粒组成、粗细程度和矿物成分,可以由土粒级配曲线及其粒组的分布范围、平均粒径大小和黏土矿物含量来表示。根据颗粒特征,可以将黄土划分为砂黄土、粉黄土和黏黄土。密度特征反映了土中孔隙占据土体积的大小、沉积过程荷载作用下的压密历史,可以由孔隙比、孔隙率、先期固结压力等表示。湿度特征反映了土孔隙中水占据空间的大小、孔隙水存在状态,可以由含水率、饱和度及液性指数等表示。结构特征包括了构成土骨架土粒的组构特征、孔隙分布特征、以及土骨架的加固联结作用。2扰动状态理论正如土的压硬性和剪胀性一样,结构性也是土的基本特性。它是描述土物理本质中除粒度、密度、湿度之外重要的内在因素。它对土力学特性的影响不言而喻。与具有结构性的土比较,正常固结土的土骨架属于新生结构,新生结构条件下土的密度-有效应力状态-抗剪强度具有惟一性,可以认为正常固结土没有结构性变化。当新生结构的非饱和土具有密度-净应力状态-吸力状态-抗剪强度的惟一性时,也可以认为没有结构性的变化。没有结构性变化的土,其力学性质也可以基于土的粒度、密度、湿度加以分析。但是,天然沉积土往往都具有结构性,除依据上述内在因素分析之外,还需要考虑土的结构性。国内外学者已经从细观力学途径、固体力学途径和土力学途径对土的结构性开展了不同深入程度的研究。目前对土结构性及其力学效果的研究有4种方法取得了实质性的进展,即扰动状态概念、综合结构势思想、岩土破损力学和四维空间理论。这4种方法有的重在描述土结构性的变化规律,有的重在描述土结构性的力学响应。除此之外,值得一提的是,有关土微观结构方面开展了较长时期的研究,也是认识土结构的重要方向,有利于揭示土的结构性。扰动状态概念是由美国著名学者C.S.Desai于1974年提出的,随后经过Desai等人不断深入研究,扰动状态概念已逐步得到应用和推广。扰动状态理论是在已有力学理论基础上,借鉴损伤理论、临界状态理论和自组织临界理论等建立的,它为工程材料提供了一种统一的描述方法,认为材料受到外部荷载作用时的响应是两种参考响应的加权平均,即由处于相对完整状态的材料的响应和处于调整后状态的材料的响应,通过一个扰动因子作为权重相加构成材料的真实响应。对于目前土力学中较为关注的结构性问题,也可以得到模拟。可以说,它为土结构性的研究提供了一种有效的数学方法。综合结构势思想是谢定义长期考察土的结构性提出来的,认为土结构性的强弱是对土的联结和排列两个方面的综合反映,只有颗粒间的联结强度较大,且排列能使土颗粒在失去联结时处于较大不稳定状态的土才具有较强的结构性。结构的联结特征可称为结构的可稳性,结构的排列特征可称为结构的可变性。结构可稳性和可变性均较强的土才是强结构性的土。虽然土在其受荷过程中,结构可稳性的丧失伴随着结构可变性的发挥,但由于可稳性具有维持原有结构不变的能力,因此可稳性主要在荷载增长的前期起作用,可变性主要在荷载增长的后期起作用。没有可稳性的丧失,就不会有可变性的发挥。可稳性的丧失是一个损伤过程,其后果是初始结构由调整到破坏;可变性的发挥是一个愈合过程,其效应是次生结构的形成和发展。如果土的结构可稳性较大,而可变性较小,则土在受荷过程中表现为较明显的变形软化性;反之,如果土结构的可变性较大,而可稳性较小,则土在受荷过程中表现出比较明显的变形硬化性。强弱不同的可稳性与可变性组合会使得土的应力-应变关系出现强软化、弱软化、弱硬化和强硬化等不同的类型。研究土结构性最好的方法应该是使土的结构破坏,让它的结构势充分释放出来,从而既可以测得使结构性破坏的难易程度,反映结构的可稳性,又可测得破坏后的变形程度,反映结构的可变性,从中寻求结构性演变的特性规律,使土的结构发生变化或破坏的根本途径是扰动、加荷和浸水。扰动能够破坏土的联结作用,使土颗粒间的联结强度降低;加荷能使土既改变土颗粒的排列方式,又改变土颗粒的联结特征;浸水既可使土中的化学物质弱化、溶解,吸力联结丧失,水膜的楔入作用,又可使土所固有的胀缩势释放出来。岩土破损力学是沈珠江在考察岩土材料的基本力学特性和已有描述岩土材料的力学理论基础上提出来的。它的研究对象是具有结构性的天然岩土材料,主要包括碎裂结构岩体和结构性土体。它视岩土材料为具有内部结构的准连续介质,研究的着眼点由内部裂隙和空洞的扩展转向为结构体的破碎。把完全破碎以后的岩土材料不再看作是失效材料,而只是劣化的仍能承受一定荷载的散体材料。其研究焦点是岩土内部结构块的破损,主要研究内容包括破损准则及其演化规律。岩土破损力学最为核心的创新点在于将天然岩土材料抽象成了由结构块和软弱带组成的二元介质材料,进而借鉴损伤力学和塑性力学的描述方法,发展并形成了自身的理论体系。截至目前,已经建立了两个基于岩土破损力学的双重介质模型,即理想脆弹性模型和黄土模型,这两个模型虽然没有详细讨论破损准则和破损规律,但它们已经初步体现了岩土破损力学在分析天然岩土材料应力-应变关系时的优势。四维空间理论是M.D.Liu和J.P.Carter于2002年提出的,所谓四维是指目前的应力状态、应力历史、孔隙比和结构性指数。四维空间理论的一个基本假定是结构性土所表现出的硬化和软化均依赖于它的塑性体积变形。M.D.Liu和J.P.Carter提出了考虑土结构性影响的土的压缩曲线方程。它在正常固结土压缩曲线方程基础上增加了一个附加的压缩增量,在附加压缩量的确定中考虑了土结构性破坏的程度。此后在剑桥模型的基础上,又引入了两个面,即等效屈服面和结构性屈服面,与加载面一致,建立了一个结构性本构模型。结构性土的四维空间理论是研究结构性土的一种有效的方法,它以临界状态土力学理论和剑桥模型为基础,理论基础严密,便于人们接受。依据原状黄土压缩曲线与正常固结土压缩曲线,可以将黄土划分为超压密结构性土(po≤pc)、欠压密结构性土(pc<po≤psc)和结构损伤土(po>psc)。其中压密压力cp和准先期固结压力psc的差异也反映了黄土结构性的强弱。3土结构参数的本构模型土的结构性是土的结构抵抗外力作用不被破坏,以及一旦遭到破坏所表现出的力学效应,也是对土骨架的加固作用保持结构不变和结构不能抵抗外力作用后调整演变的性能。结构性强的土其承载力高,一旦遭到破坏,对土骨架的加固作用消失,土骨架易产生变形。前者就是结构可稳性的表现,后者揭示了结构可变性的反应。当土保持其结构不变的能力强,而结构性一旦丧失土骨架承载能力显著降低的性能突出时,土的结构性就强;否则土的结构性弱。从土的结构可稳性和可变性出发,业已建立了反映土的结构的综合结构势思想。土的综合结构势可以通过原状土、重塑土和饱和土力学性能差异所反映的加荷、扰动、浸水作用引起结构性变化特征来定义。已经通过原状土、重塑土和饱和土的侧限压缩变形(s、sr、ss)和三轴压缩应力条件下的主应力差(q0、qv、qs)的比较分析,得到了如下的压缩应变结构性参数和应力结构性参数:压缩应变结构性参数以压缩试验为基础,通过饱和土和原状土的压缩变形之比与原状与和重塑土的压缩变形之比的比较反映结构性,给出了随压缩应力的变化过程。但是,在侧限压缩条件下,土承受的压力可以无限增大,不存在工程意义上的强度破坏,且试样所受轴向压力与压缩变形量之间的关系表现为应变硬化型曲线,这与土的剪切破坏形态有较大的差异。应力结构性参数以三轴试验为基础,考虑了剪切应力作用下土结构的破坏,但并没有反映球应力对土结构的作用影响。试验资料表明,用应力结构性参数反映土结构性时,随着剪切变形的发展,结构性先增大后减小,这与土结构性单调衰减变化的规律不一致。土结构性是土微结构的联结效应和空间排列稳定性物理本质的宏观力学效应。剪应力和球应力都会引起土微结构联结效应和空间排列稳定性的变化。因此,提出考虑剪应力和球应力共同作用的应力比结构性参数mη就有必要,即式中:mη为应力比结构性参数;m1代表结构可稳性;m2代表结构可变性;q为广义剪应力;p为球应力;η为应力比,下表i、r、s分别代表原状土(intactsoils)、重塑土(remoldedsoils)和饱和土(saturatedsoils)。该结构性参数不仅考虑了剪应力对土结构性的作用,而且反映了球应力对土结构性的影响,是对应力结构性参数的继承和发展。真三轴条件下黄土的应力比结构性参数变化规律如图2所示。上述结构性参数主要是用来揭示加荷过程中原状土的结构性变化,受到固结应力作用影响。固结应力不同,土初始变形时的结构性亦不同。为了考察土结构性对原状土工程性质的影响,与土的粒度、密度和湿度对应的,提出了一个反映土结构性的物性指标。该指标由无侧限应力条件下原状土、重塑土和饱和土的单轴抗压强度定义:式中:quo、qur、qus分别为原状土、重塑土和饱和土的单轴抗压强度。针对表1所示的黄土试样,其中几个黄土试样单轴抗压试验结果如图3所示,每个场地土样原状土的单轴抗压强度均大于重塑土的。应用上式可得到不同黄土的构度变化规律,如图4所示。表明不同黄土的构度随着含水率的增大均呈衰减的变化规律。其中含水率较低时,黄土(1)和黄土(2)的构度大于黄土(3)、黄土(7)的构度;而黄土(3)、黄土(7)的构度又大于黄土(5)、黄土(6)的构度。黄土(2)与黄土(5)的孔隙比相近,液限和塑性指数也相近,但是,构度有明显的差异;黄土(1)与黄土(4)的孔隙比相近,且液限和塑性指数有明显差异。然而,在含水率大于10%的条件下,构度大小基本趋于一致。可见,在孔隙比、含水率、液限与塑性指数的基础上,构度能够反映土的结构性。4土的抗剪切强度特性天然沉积的原状黄土表现出显著的结构性。在压缩、剪切和增湿作用下,土的结构被扰动、联结作用减小,也就削弱了土的结构性。当固结压缩作用未能破坏原状土的结构性时,结构性增强了土的抗剪切能力。同时,随着围压的增大,土的压硬性也增强了抵抗变形的能力;当固结压力破坏了原状土的结构时,土的变形和强度特性与重塑土的类似。含水率越大,土的结构性越弱,黄土抵抗变形的能力越低。在土的结构未遭破损以前,其抵抗剪切作用的能力强,剪切变形发展小;随着剪切变形的发展,土的结构性在较小应变水平下即表现衰减特征,剪切变形继续增大,结构性的持续衰减使土抵抗剪切作用的能力下降,即表现为应变软化的力学特性。在剪切过程中,伴随着土结构的破损,黄土所表现出抵抗变形的能力将逐渐减弱,其强度也将发生显著的变化。在剪切变形初期,结构性参数即表现为衰减,然而土抵抗剪切破坏的能力仍在增长。当土承受的剪切应力达到峰值后,随着变形的发展,结构性参数仍在继续衰减,与抗剪切强度的衰减一致。可见,土的抗剪强度与其结构性有密切联系,不同结构性的土其抗剪切强度不同;结构性的衰减过程伴随着土抗剪切强度的充分发挥及衰减变化,当土结构的胶结、固化丧失后,土粒(团粒)间的摩阻作用才能逐渐发挥出来。因此,以往依据峰值强度、破坏应变等标准研究土的抗剪切强度时,实质上忽略了土结构性不同的影响。对于强结构性的黄土,呈现出应变软化特征,剪切应变充分发展过程中,土的结构性得到了充分释放;在土的抗剪切能力充分发挥后的衰减过程中也伴随着结构性显著的衰减变化。对于弱结构性的黄土,呈现出应变硬化特征,剪切应变充分发展过程中,土的结构性虽然也得到了充分的释放,但是土的强度直到最后才完全发挥。为了考察结构性对强度特性的影响,必须分析等结构参数条件下土的抗剪强度变化规律。由于软化型应力应变曲线在峰值后结构势得到充分释放,结构性力学效应和强度均逐渐衰减;硬化型应力-应变曲线在剪切破坏时土的结构势也得到了充分释放,强度充分发挥,因此,依据土的不同结构性参数对应强度的测试结果,可以分析具有等结构参数土的抗剪强度变化规律。摩尔-库仑定律在土力学中得到了广泛应用,但由于结构性土的强度变化是非线性的,因此,线性的摩尔-库仑准则对于具有结构性的土不再完全适用。如果在摩尔-库仑准则中引入土的结构性参数,并以此来反映结构性土的强度特征,无疑可以简化问题的分析。考虑结构性影响的抗剪强度公式可表述为式(5)把土的抗剪强度表述成结构性参数的函数,通过强度参数与结构性参数之间的关系来描述具有结构性的土的强度特征。由于结构性参数已经考虑了含水率、固结压力以及剪切变形的影响,因此,这种表达方式可以全面地反映具有结构性的土的强度特性。依据黄土的三轴剪切测试结果,得到了图5、6所示的强度指标变化规律。由图5、6的关系曲线可以得到黏聚力和内摩擦角与土结构性参数之间的关系,黏聚力与结构性参数之间符合近似的双曲线关系,而内摩擦角基本不随结构性参数的变化而变化,约为26º,与通过常规方法得到的内摩擦角的平均值(26.2º)基本相等。由此可见,随着土结构性的逐渐丧失,颗粒间的胶结作用逐渐减弱,黏聚力减低。当土的结构遭到彻底破坏,结构性参数等于1时,黏聚力为0。此时,无结构性的黄土在力、水作用下最终趋于与饱和正常固结黏土的力学性质一致。通过单轴抗压试验和非饱和黄土控制吸力直接剪切试验,测得表1中黄土(1)抗剪强度指标和构度之间的关系,如图7、8所示。同时,应用构度指标计算式(4)也得到了重塑黄土的构度和抗剪强度指标。表明黏聚力随构度的增大而增大,摩擦角随构度的增大基本保持不变。5土的结构土弹塑性土作用机理土的本构模型是在试验研究揭示的物理基础上对土变形和强度特性的数学描述,它应该尽量反映影响土力学特性的主要因素。在这方面,沈珠江在已经提出的复合体模型、堆砌体模型以及岩土破损力学模型。M.D.Liu在描述结构性土的压缩曲线方程的基础上,假定结构性土所表现出的硬化和软化均依赖于它的塑性体积变形,提出以应力状态、应力历史、孔隙比和结构性指数构成的四维空间理论,并以此为基础建立了结构性土的弹塑性模型。修正剑桥模型从塑性功出发,证明新生结构正常固结土(结构性参数恒等于1)的加载屈服面呈椭圆形函数,屈服面的两个端点分别由临界状态线和等向压缩球应力确定。原状黄土在塑性剪切过程中,随着结构性的变化,等向压缩体应变一定的球应力状态在不断变化,具有相同结构性的土的临界状态也在不断变化。在修正剑桥模型的基础上,引入考虑结构性的临界状态和压缩应力状态,进而可以建立具有结构性演变的土的弹塑性模型。依据黄土的粘聚力随应力比结构性参数增大呈双曲变化,以及摩擦角基本保持不变的规律,可以得到黄土具有不同结构性的临界状态线。应用摩尔-库仑强度准则,随黄土结构性的变化,其临界状态线可以表述为其中:式中:c(mη)、ϕ(mη)分别代表随结构性参数变化的黏聚力和内摩擦角;p为平均球应力;q为广义剪应力。由于黄土显著的结构性,尽管其孔隙比较大,但具有较大的准先期固结压力或压缩结构强度。黄土的结构性越强,其准先期固结压力越大。因此,压缩试验测试确定的准先期固结压力在一定程度上可以反映土结构性的强弱。同时,结构性土在其结构强度破坏后的变形特性也与初始结构性有密切关系。实际测试确定黄土的压缩曲线如图9所示,不同湿度黄土的压缩曲线不同。为了便于描述,将不同结构性的压缩曲线简化为如图10所示的形态,结构性土AB段对应的屈服面保持不变,准先期固结压力0p点是结构性参数的函数,BC段可以由孔隙比与压缩应力对数值的线性关系描述,此时土的准先期固结压力和压缩直线段斜率均是结构性参数的关系。压缩体应变可表述为式中:λ(mη)为BC线的斜率;p0(mη)为结构性相关的准先期固结压力,结构性不同,准先期固结压力可能是p0、p01、p02;oe为初始孔隙比。弹性体应变为式中:k(mη)为BC压缩过程卸荷段的斜率。那么,塑性压缩体应变为整理后可以得到:通过结构性临界状态线和压缩曲线,可以确定结构性黄土塑性加载变化的应力空间范围。沿用修正剑桥模型的椭圆型加载型屈服面,假定加载屈服面通过结构性临界状态线与横轴的交点A,以及依据结构性和塑性体变由式(12)确定的B点,AB为椭圆长轴;屈服面与结构性临界状态线相交于其顶点,从而可以得到随结构性移动或变化的临界状态线和屈服面,如图11所示。图中px为压缩应力,可由准先期固结应力前后的压缩变形规律确定。γ、β、α可由图所示几何关系确定。随着加载屈服和塑性变形的发展,结构性临界状态线逐渐向坐标原点移动,椭圆形屈服面可能逐渐向等向压缩应力增大方向移动,也可能逐渐缩小。根据修正Cam-clay模型屈服面的描述方法,应用关联流动法则,即可以建立黄土的结构性弹塑性本构模型:类似于修正Cam-clay模型的推导,结构性土修正后的屈服面函数可写成:式(14)的前三项与修正剑桥模型一致,最后一项为结构性临界状态线不通过原点的分项。分析上式可知,当结构性参数等于1时,即对于无结构性的土或正常固结土,c=0,式(14)的最后一项为0,且k、λ、M不再变化,屈服面方程退化为修正剑桥模型的屈服面。可见,修正剑桥模型的屈服面只是该式(14)的一种特殊形式。6工程应用6.1围岩压力变化黄土隧道开挖卸荷过程是应力状态改变和变形发展的过程,围岩的结构性将显著降低。黄土隧道围岩结构性降低,导致围岩结构强度降低和承载能力减弱,使得作用于支护结构上的围岩压力增大,隧道围岩的稳定性变差。引用结构性参数随应力状态、含水率、剪应变变化的关系,通过数值计算模拟开挖施工的方法,可以得到开挖过程中围岩的应力状态和应变状态,以及围岩的结构性参数。同时,在数值计算中,剪切屈服面的确定引入强度指标随结构性参数的变化,从而就考虑了结构性衰减导致围岩稳定性变差的影响。针对Q3黄土隧道,应用理想弹塑性模型,考虑强度指标随结构性参数的衰减变化,分析隧道黄土围岩的结构性参数等值线如图12所示,可以考察黄土围岩的松动变化范围。6.2围岩对支护力的影响在芬纳公式中,引入结构性参数的摩尔-库仑强度准则,可以分析各向同性圆形隧道的围岩力学特性。当开挖半径为r0,初始地应力为p,则得修正的芬纳公式为式中:pi为衬砌支护力;R0为围岩的塑性区半径。式(15)、(16)反映了结构性与隧道支护力pi及围岩塑性区半径R0之间的关系。结构性参数的变化对内摩擦角的影响不大,为了便于讨论,令:则有:α反映了隧道围岩发生变化后的承载作用。黄土围岩的承载作用不仅有赖于土的物理性态,而且很大程度取决于隧道结构的支护作用。由于结构性衰减变化而引起的附加支护力按式(19)确定:黄土无结构性时,黏聚力为0;随着结构性增强,黏聚力大于0,Δpi为负值。取ϕ=28.96º,可得到附加的支护力随结构性参数的变化曲线,如图13所示。表明结构性参数越大,围岩对支护力的需求越小。另外,衬砌所提供的支护力与塑性区半径一一对应,结构性参数一定时,可通过调节塑性区的范围来改变支护结构的受力状态。在支护力一定的条件下,围岩的结构性较强时,其抗剪强度较大,塑性区范围较小。6.3通过试验进行土体力学特性分析,可以解决土研究表明,黄土的粒度、湿度、密度和结构是全面描述土物理性状的4个方面。构度指标随含水率的单调变化,即说明其包含了湿度的物理性状,因此,可以基于粒度、密度和构度来认识黄土的力学性质。揭示黄土的压缩性、抗剪切性质随粒度、密度和构度指标的变化,就可以比以往仅依赖于粒度、湿度和密度认识黄土的力学性质更加深入。一种途径是在不同场地采取原状黄土,测试它们的粒度(塑性指数、液限)、密度(孔隙比)和构度指标,以及黄土的压缩模量和强度指标,建立反映物理性质的粒