黄土稳定孔隙比原理的实验研究

黄土稳定孔隙比原理的试验研究胡再强1，谢定义1，沈珠江2(1.西安理工大学水电学院；2.南京水利科学研究院)摘要：通过对人工制备土样在充分扰动及饱和情况下进行侧限压缩、三轴剪切试验及等应力比三轴试验，验证和证明了充分扰动饱和黄土存在稳定孔隙比并满足稳定孔隙比原理，为建立黄土结构性本构模型，揭示黄土结构性对黄土力学特性的影响和作用提供了试验和理论依据。关键词：饱和黄土；稳定空隙比；稳定状态原理基金项目：国家自然科学基金资助项目(19772019)作者简介：胡再强(1964-)，男，陕西周至人，博士，西安理工大学副教授，主要从事黄土力学与工程的研究。黄土是第四纪沉积物，具有不同于同期的其他沉积物的一系列内部物质成份和外部形态特征。黄土的结构性是指黄土颗粒的排列方式和颗粒的胶结形式[2，3]。黄土骨架颗粒的排列方式是指黄土中孔隙的形态、大小和性质，黄土的孔隙一般有团粒之间的大孔隙架空孔隙和粒间孔隙等[6]。黄土中颗粒胶结主要是盐类胶结及粘性胶结。由黄土的压缩性质、剪切特性、应力-应变关系及黄土所具有的湿陷性质都可以看出黄土具有一定的结构性，即有一定的结构强度[4，5]。为建立能够描述结构性黄土的本构模型，揭示黄土结构性对黄土力学特性的影响和作用，必须对充分饱和黄土力学性质进行研究，基于上述观点，对人工制备土样在充分扰动及饱和情况下进行了侧限压缩、三轴剪切试验及等应力比三轴试验，验证和证明了充分扰动饱和黄土存在稳定孔隙比并满足稳定孔隙比原理。1试样制备制备充分扰动饱和黄土试样时，先把风干的原状黄土用木碾在橡胶板上碾碎，过0.1mm的筛径，除去大的不纯杂质。称取一定数量的土样，放入容器中加水，让水慢慢渗入土中，继续加水使水位超过土面。静置一段时间，使土样充分饱和，把土样搅拌成泥浆状态，再将泥浆状态的土样装入制样器中，制样器的直径为10cm，高度20cm。在放入泥浆前，要在制样器的底部放上透水石和滤纸，装上泥浆土样后，再在土样上放上滤纸和透水石。加上加压盖板，加一比较小的压力让其固结，所加压力的大小看是否把土样挤出制样器。在较小的压力下固结一段时间后，再把压力增加到50kPa，使土样在50kPa的压力下固结。当固结完成后，即可得到直径10cm，及一定高度的圆柱形充分扰动的土样。这时，就可用其制备压缩试样和三轴剪切试样，压缩和三轴剪切试样制备完成后，再把它们放入饱和器中抽气饱和。这样就人工制成了充分扰动饱和黄土试样。2试验方案和方法利用充分扰动饱和黄土试样进行如下试验：(1)侧限固结试验，所用仪器为南京水利科学院土工所的磅秤式侧限压缩仪，分别测定每级压力下的固结系数，固结系数用时间平方根法确定，研究充分扰动饱和黄土的压缩特性和求取固结系数；(2)三轴剪切试验，利用常规应变三轴仪进行了固结排水剪，研究充分扰动饱和黄土的剪切特性及求取有关的力学参数；(3)等应力比三轴试验，所用为应力控制式三轴仪，等应力比三轴试验为排水剪，验证黄土的稳态孔隙比原理及求取有关的计算参数。试验对充分扰动饱和黄土在各级固结压力下计算固结系数cv时，采用了时间平方根法，等应力比三轴试验时的应力比η=σ3/σ1，分别取值为0.0、0.3、0.75、1.0四个应力比。并且在应力比η=0.0的条件下，进行了卸载和再压过程。3试验结果及分析充分扰动饱和黄土在各级固结压力下的固结系数见表1。表中同时给出了原状黄土、原状饱和黄土、人工制备结构性黄土以及人工制备结构性饱和黄土的固结系数。图1及图2示出了人工制备黄土、人工制备饱和黄土及充分扰动饱和黄土的固结系数与压力关系曲线，对原状黄土、原状饱和黄土有关的规律性见文献[4，5]所述。表1黄土室内侧限固结试验的固结系数固结压力/kPa原状黄土固结系数/(cm2/s)原状饱和黄土固结系数/(cm2/s)人工制备结构性黄土固结系数/(cm2/s)人工制备结构性饱和和黄土的固结系数/(cm2/s)扰动饱和黄土固结系数/(cm2/s)500.0540.0550.0750.0540.0261000.0510.0520.0770.0400.0232000.050.0230.0800.0350.0233000.0530.0220.0790.0230.0254000.0480.0190.0820.0190.0278000.0220.0170.0270.0220.01916000.0210.0180.0330.0200.023表中：原状黄土及人工制备结构性黄土的ω=14.0%，γd=12.9kN/m3。图1原状黄土的固结系数与压力关系曲线图2人工制备黄土的固结系数与压力关系曲线从原状黄土、原状饱和黄土、充分扰动饱和黄土在不同固结压力与固结系数的关系中可以发现，在压力低于结构强度时(其结构强度分别为500kPa、49kPa)，固结系数值较高且都基本接近一常数；当固结压力接近结构强度时，固结系数急剧降低，最后都趋近于各自扰动饱和样的固结系数值，而充分扰动饱和黄土的固结系数在各级压力基本为一常数。图3及图4给出了充分扰动饱和黄土的轴向应力与轴向应变及体应变与轴向应变之间的关系。从中可以发现，在小围压和大围压情况下，它们的应力-应变关系都表现为硬化型，体积应变随着周围固结压力和轴向应力的增加而增大。这说明对于充分扰动饱和黄土可消除土体结构性的影响，在研究其力学性质时，可不考虑土体的结构性对其力学特性的影响。把不同应力比下的试样的孔隙比e与球应力σm画在半对数坐标纸上，可得到不同应力比下试样的孔隙比与试样的球应力的关系曲线，见图5所示。并且在应力比η=0.0的条件下，进行了卸载，得到了回弹和再压曲线。由得到的充分扰动饱和黄土的压密曲线可见，在应力比为零的孔隙比e与logσm成直线关系，并且回弹和再压曲线也成直线关系。不同应力比下的孔隙比e与logσm也成直线关系，并与应力比为零时的关系曲线平行，且相差很小。这说明充分扰动饱和黄土也满足稳定孔隙比和稳定状态原理，这一唯一性原理最早由Rendulic提出，并由Henkel完整地表述过[7]，即充分扰动饱和黄土的孔隙比与有效应力状态之间存在唯一关系，可表示为图3充分扰动饱和黄土的应力-应变关系曲线图4充分扰动饱和黄土体应变与轴向应变关系曲线es=e1-cclog(σ′m/σ′m1-cd/log2log{1+(η/ηf)2}(1)式中：σ′m=1/3(σ′1+σ′2+σ′3);η=σs/σ′m为剪切比。σs=1/[(σ′1-σ′2)2+(σ′2-σ′3)2+(σ′3-σ′1)2]1/2(2)式中：es为稳定孔隙比；e1为初始孔隙比；cc是压缩指数；cd可以称为剪缩系数，其含义为由等向压缩状态(η=0)到破坏状态(η=ηf)所引起的孔隙比减小量。当采用椭圆屈服面模型时，cd=(cc-cs)log2,cs为回弹指数。土体的孔隙状态符合上述公式时可以称为稳定状态，相应的孔隙比称为稳定孔隙比。剑桥模型学派把剪切破坏时的孔隙比趋向于稳定不变时的状态称为临界状态[1]。这一临界状态可以看作稳定状态在η=ηf条件下的特例。定义了稳定状态以后，可以进一步把同一应力状态下孔隙比大于稳定孔隙比的状态(ees)称为欠压缩状态，而把孔隙比小于稳定孔隙比的状态(ees)称为超压缩状态。不难想到，欠压缩状态和超压缩状态的概念实际上是土力学发展早期针对一维固结状态的欠固结状态和超固结状态的推广[1]。图5充分扰动饱和黄土压缩曲线图6充分扰动饱和黄土压密曲线通过试验曲线确定上式中的压缩指数cc和回弹指数cs。按照剪缩系数cd为等向压缩状态到破坏状态所引起的孔隙比减小量，当采用椭圆屈服面模型时，剪缩系数cd=(cc-cs)log2。由充分扰动饱和黄土三轴固结排水剪试验数据可得到其孔隙比e与平均压力p的关系曲线如图6所示，它和等应力比三轴试验结果(图5)比较接近，两者都表现出减缩量较小，并且进一步证明对于充分扰动饱和黄土的孔隙比与有效应力状态之间存在唯一关系，即满足稳定孔隙比和稳定状态原理。4结论试验结果表明充分扰动饱和黄土可消除土体结构性的影响，在研究其力学性质时，可不考虑土体的结构性对其力学特性的影响，这说明充分扰动饱和黄土满足稳定孔隙比和稳定状态原理，即充分扰动饱和黄土的孔隙比与有效应力状态之间存在唯一关系，同时为建立黄土结构性本构模型奠定了试验和理论基础。参考文献：[1]沈珠江.广义吸力和非饱和土的统一变形理论[J].岩土工程学报，1996，18(2)：1-9.[2]刘祖典，胡再强.我国黄土力学与工程近况与展望[J].地下空间，1999，19(5)：732-737.[3]谢定义，齐吉林，张振中.考虑土结构性的本构关系[J].土木工程学报，2000，33(4)：35-41.[4]胡再强，沈珠江，谢定义.非饱和黄土的结构性研究[J].岩石力学与工程学报，2000，(6).775-779.[5]胡再强，沈珠江，谢定义.非饱和黄土的显微结构与湿陷性[J].水利水运科学研究，2000，(2)：68-71.[6]胡再强，沈珠江，谢定义.非饱和黄土渠道浸水变形的离心模型试验研究[J].西安理工大学学报，2000，(3)：244-247.[7]HenkelDJ.TheRelationshipsbetweentheeffectivestressesandwatercontentinsaturatedclay[J].Geotechnique,1960,10(1):41-54.