不同含水率下黃土結(jié)構(gòu)性參數(shù)變化規(guī)律研究

不同含水率下黃土結(jié)構(gòu)性參數(shù)變化規(guī)律研究

1土結(jié)構(gòu)性研究由于黃土的低濕度、低密度和脆弱的骨架結(jié)構(gòu)，其對(duì)水有特殊的敏感性，因此這些方面的差異反映了黃土的不同水敏性，即不同的濕塌陷性、濕塌陷敏感性和濕剪切強(qiáng)度的削弱性。同時(shí)，由于比較特殊的粒狀架空體系和顆粒間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度，使黃土具有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性，從而使黃土在低含水率下表現(xiàn)出較低的壓縮性和較高的強(qiáng)度。土結(jié)構(gòu)性研究分為細(xì)觀形態(tài)學(xué)途徑、固體力學(xué)途徑和土力學(xué)途徑3種方法。謝定義以原狀土、重塑土和飽和土的壓縮曲線為基礎(chǔ)求取能夠反映結(jié)構(gòu)性的定量化參數(shù)——綜合結(jié)構(gòu)勢(shì)的方法，因能夠定量揭示土結(jié)構(gòu)性及其變化的力學(xué)效果，而比定性顯示土結(jié)構(gòu)性的形象特征或從個(gè)別側(cè)面定量描述土結(jié)構(gòu)性的差異更具有優(yōu)越性。但其研究的對(duì)象主要為人工制備的結(jié)構(gòu)性土，通過摻入一定比例的膠結(jié)劑（水泥）控制土的膠結(jié)特性，但加入水泥后黃土的液限、塑限均比原黃土有所增大，這與原狀黃土有一定的差別。對(duì)于具有特殊的結(jié)構(gòu)性和水敏性的原狀黃土，研究其結(jié)構(gòu)性及其隨水和力的作用而變化的規(guī)律具有重要的意義。為此，本文以蘭州、西安原狀黃土作為研究對(duì)象，通過壓縮試驗(yàn)，對(duì)其在不同濕度下結(jié)構(gòu)性變化特性及其與壓縮性、濕陷性之間的關(guān)系進(jìn)行研究。2土的作用及結(jié)構(gòu)性參數(shù)pm土結(jié)構(gòu)性的強(qiáng)弱，可以用土的聯(lián)結(jié)和排列特征兩個(gè)方面綜合反映，把結(jié)構(gòu)的聯(lián)結(jié)特征稱為結(jié)構(gòu)的可穩(wěn)性；把結(jié)構(gòu)的排列特征稱為結(jié)構(gòu)的可變性?？煞€(wěn)性表示了土保持其原有的結(jié)構(gòu)不被破壞的能力；可變性是指土原有的結(jié)構(gòu)開始破壞時(shí)土迅速發(fā)生強(qiáng)度破壞和產(chǎn)生大量突然變形的能力，可以通過可穩(wěn)性和可變性來反映土的結(jié)構(gòu)勢(shì)。用擾動(dòng)、加荷和浸水的方式可以使土的結(jié)構(gòu)勢(shì)充分釋放出來。擾動(dòng)能破壞土的聯(lián)結(jié)作用，使土顆粒之間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度降低；加荷既能改變土顆粒的排列方式，又可改變土顆粒的聯(lián)結(jié)特征；浸水既可使土中的化學(xué)物質(zhì)弱化、溶解、吸力聯(lián)結(jié)喪失，水膜的楔入作用又可使土所固有的脹縮勢(shì)釋放出來。用釋放結(jié)構(gòu)勢(shì)的方法求取結(jié)構(gòu)性的定量化指標(biāo)，即用擾動(dòng)、加荷和浸水的方式徹底破壞土的結(jié)構(gòu)性，通過同一壓力下原狀土試樣、重塑土試樣（濕密狀態(tài)不變）和飽和土試樣的壓縮變形量來表示土的結(jié)構(gòu)性參數(shù)pm，即有：式中S0,Ss和Sr分別為原狀樣、飽和樣和重塑樣在某一壓力P的變形量；m1表示土的可變性；m2表示土的可穩(wěn)性。土的聯(lián)結(jié)越強(qiáng)，重塑樣在力作用下的變形也越大，即m2越小；土的排列越不穩(wěn)定，浸水后發(fā)生的變形也越大，即m1越大。用式（1）表示的結(jié)構(gòu)性參數(shù)可以反映壓力影響的動(dòng)態(tài)過程。原狀黃土的e-lgP壓縮曲線上轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓力為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨含水率的增大而降低。但用式（1）所確定不同含水率下原狀黃土的結(jié)構(gòu)性參數(shù)pm與壓力的關(guān)系沒有顯示出與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之間的聯(lián)系。為此，在式（1）的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，用某一壓力P下原狀樣、飽和樣和重塑樣的孔隙比ey,se和re來表示黃土的結(jié)構(gòu)性參數(shù)，其表達(dá)式為本文的試驗(yàn)結(jié)果表明，式（2）所表示的結(jié)構(gòu)性參數(shù)有一定的優(yōu)越性。3濕勢(shì)特征與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系3.1不同含水率的原狀土試驗(yàn)用土取自蘭州和西安的Q3原狀黃土。蘭州黃土的天然干密度為1.41g/cm3，天然含水率為9.52%，天然孔隙比為0.915，液限為30.5%，塑限為19.8%，控制的含水率分別為4.52%，9.52%，14.52%，19.52%，24.52%，29.52%，34.0%（飽和含水率）。西安黃土的天然干密度為1.31g/cm3，天然含水率為19.3%，天然孔隙比為1.061，液限為32.3%，塑限為20.5%，控制含水率分別為5.3%，9.3%，14.3%，19.3%，24.3%，29.3%，34.3%，39.3%（飽和含水率）。試驗(yàn)采用雙線法，加荷等級(jí)為12.5,25,50,100,200，…，1600kPa。低于天然含水率的原狀土試樣采用天然原狀樣風(fēng)干的方法；高于天然含水率的原狀土試樣則采用天然原狀樣滴定注水的方法，等到風(fēng)干或加水達(dá)到控制含水率后，在保濕缸中密閉放置24h以上，以使水分?jǐn)U散均勻。重塑樣在天然含水率和天然干密度的條件下，采用壓樣法制備，然后同樣采用與原狀樣制備相同的方法來達(dá)到控制含水率。3.2不同含水率下彈性參數(shù)曲線分析(1）圖1為原狀黃土的e-lgP壓縮曲線。可見，西安和蘭州原狀黃土的e-lgP壓縮曲線均為前平緩和后陡的形態(tài)，且有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。兩種黃土均是有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的欠壓密黃土，壓縮曲線上轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的壓力不是前期固結(jié)壓力，而是黃土結(jié)構(gòu)性開始產(chǎn)生破壞時(shí)的壓力，稱其為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度cP。由于兩地黃土壓縮特性變化規(guī)律十分相似，故本文主要以蘭州黃土作為論述的重點(diǎn)。(2）當(dāng)采用傳統(tǒng)的Casagrande方法確定壓縮曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的壓力即為cP。原狀、重塑黃土的cP與含水率的關(guān)系示于圖2，可見，cP隨著含水率的增大而迅速減小，達(dá)到飽和含水率（34%）時(shí)，仍有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（為100kPa）。隨著含水率的增大，吸力聯(lián)結(jié)在逐漸減小，膠凝物質(zhì)間由于水膜楔入而距離拉大，削弱了粒間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度，黃土結(jié)構(gòu)性在逐漸變?nèi)?，使cP隨之減小，而e-lgP壓縮曲線平緩段隨之而縮小。(3）重塑黃土的e-lgP關(guān)系曲線（圖3）表現(xiàn)出與原狀黃土相似的形態(tài)，即先緩后陡，有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，同一含水率下其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度比原狀黃土?。▓D2），即重塑黃土的壓縮曲線先于原狀黃土由緩轉(zhuǎn)陡。雖然擾動(dòng)使土的聯(lián)結(jié)作用部分破壞，但制備試樣時(shí)又形成特定的次生結(jié)構(gòu)及粒間吸力的作用使重塑黃土樣還具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性，具有與原狀黃土相似的e-lgP曲線，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度比原狀土的小，但原狀、重塑黃土在低濕度下都具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，它們的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均隨著含水率的增大迅速降低。因此，可以認(rèn)為，黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度很大一部分是由吸力聯(lián)結(jié)和膠結(jié)物所提供，含水率對(duì)黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大小有顯著的影響。(4）圖4為用式（1）、式（2）確定出的結(jié)構(gòu)性參數(shù)曲線?？梢?，在不同含水率下兩種結(jié)構(gòu)性參數(shù)曲線除在飽和含水率（ω=34.0%）時(shí)用式（1）計(jì)算的結(jié)構(gòu)性參數(shù)隨著壓力的增大而降低外，均為先上升后降低（ω>4.52%）或緩慢上升（ω≤4.52%）的曲線形態(tài)。當(dāng)把同一初始含水率下cP值與由式（2）得到的結(jié)構(gòu)性參數(shù)曲線峰值點(diǎn)相比較時(shí)（如ω=9.52%時(shí)，cP=800kPa，結(jié)構(gòu)性參數(shù)曲線峰值點(diǎn)壓力也為800kPa），發(fā)現(xiàn)cP值與結(jié)構(gòu)性參數(shù)曲線峰值點(diǎn)或緩慢上升轉(zhuǎn)折點(diǎn)的壓力基本相同。黃土壓縮特性可以用式（2）結(jié)構(gòu)性參數(shù)隨壓力增大的變化趨勢(shì)得到合理地解釋，即在壓力未達(dá)到cP之前，屬于結(jié)構(gòu)壓密階段，壓力的增長使土初始結(jié)構(gòu)因土顆粒的調(diào)整壓密而使結(jié)構(gòu)性參數(shù)pm增大，孔隙比在緩慢減小，壓縮性??；當(dāng)壓力增長到大于土cP之后，屬于結(jié)構(gòu)性破壞階段，壓力的增長使土的結(jié)構(gòu)性逐漸發(fā)生破壞，pm明顯降低，孔隙比明顯減小，壓縮性較大；結(jié)構(gòu)性發(fā)生破壞之后，原狀黃土孔隙比減小速率較重塑黃土大，隨著壓力的進(jìn)一步增大，pm的降低速率逐漸減小，原狀土與重塑土的壓縮曲線逐漸趨近。當(dāng)把cP值與由式（1）得到的結(jié)構(gòu)性參數(shù)曲線峰值點(diǎn)壓力相比較時(shí)，它們并不相同，且結(jié)構(gòu)性參數(shù)曲線峰值點(diǎn)壓力隨含水率的增大而變化，但沒有規(guī)律性。這樣，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞前后壓縮曲線上兩段不同斜率的直線無法得到合理的解釋，也說明了用式（2）計(jì)算結(jié)構(gòu)性參數(shù)的優(yōu)越性。(5）如果對(duì)不同初始含水率（不同初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度）蘭州、西安原狀黃土試樣所得到的壓縮曲線用所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)性參數(shù)作歸一化處理，即做出不同含水率原狀樣的e/pm-lgp曲線（圖5），則可以看出，原來分布在較大范圍的壓縮曲線，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后均分布在很窄的帶內(nèi)，可以歸一為一條曲線，即考慮結(jié)構(gòu)性的影響后，不同含水率下會(huì)得到歸一的結(jié)果。這又一次說明了用式（2）計(jì)算結(jié)構(gòu)性參數(shù)的合理性。(6）由圖4(b)可做出結(jié)構(gòu)性參數(shù)與含水率的關(guān)系（圖6）?？梢钥闯?，不同壓力下，結(jié)構(gòu)性參數(shù)與含水率的關(guān)系曲線表現(xiàn)為相對(duì)平緩和下降二個(gè)階段，只是由平緩段轉(zhuǎn)為下降段的含水率隨壓力的增大而減小。壓力較低時(shí)，平緩段很長，下降段很短甚至消失；壓力愈大，平緩段愈短甚至消失，下降段愈長。可以認(rèn)為，在平緩段含水率的增長只為土結(jié)構(gòu)的破壞積累創(chuàng)造條件，下降段土結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞；結(jié)構(gòu)性隨含水率而變化的特性和壓力P與cP間大小關(guān)系密切相關(guān)。例如，壓力P=200kPa，含水率ω<29.52%時(shí)，黃土的cP均比P大，結(jié)構(gòu)性參數(shù)隨含水率增大基本沒有變化，而cP隨之減小。當(dāng)ω≥29.52%時(shí)，P≥cP(cP=200kPa），隨著含水率的增大結(jié)構(gòu)性開始被破壞（圖6）。這表明當(dāng)作用壓力P比一定含水率下的cP低時(shí)，黃土可穩(wěn)性很強(qiáng)，可變性很小，黃土對(duì)含水率的敏感性較弱，其結(jié)構(gòu)性隨含水率的增加而基本保持不變。只有當(dāng)含水率的增加量累積到一定程度而使P大于等于cP時(shí)，黃土的可穩(wěn)性減弱，可變性增強(qiáng)，黃土對(duì)含水率的敏感性增強(qiáng)，其結(jié)構(gòu)性參數(shù)隨含水率的增大才發(fā)生明顯的降低。壓力愈低，cP≥P且差值愈大，需要愈多增濕才能使P≥cP，水的敏感性愈弱；壓力愈高，cP與P間差值愈小，需要愈少增濕就可使P≥cP，水的敏感性愈強(qiáng)。由于當(dāng)含水率大于結(jié)構(gòu)性參數(shù)下降段的起始含水率時(shí)，土的結(jié)構(gòu)才開始發(fā)生破壞，故可把下降段的起始含水率稱為結(jié)構(gòu)破壞起始含水率fω，則fω隨壓力的增大而減小。(7）含水率的增大或減小引起原狀黃土的結(jié)構(gòu)性按上述規(guī)律發(fā)生變化，由此導(dǎo)致不同壓力下原狀黃土的壓縮變形S與含水率ω的關(guān)系曲線（圖7）也表現(xiàn)為平緩和增長兩個(gè)階段，由平緩轉(zhuǎn)為增長的結(jié)構(gòu)破壞起始含水率fω也隨壓力的增大而減小。壓力較低時(shí)，平緩段很長，增長段很短，甚至消失；壓力愈大，平緩段愈短，甚至消失，增長段愈長。由于在平緩段隨含水率增大，結(jié)構(gòu)性基本沒有變化或降低很小，而使壓縮變形隨含水率的增大基本沒有增長或緩慢增長；在含水率大于結(jié)構(gòu)破壞起始含水率fω的增長段，結(jié)構(gòu)性隨含水率的增大而迅速減小，使壓縮變形隨含水率的增大迅速增長。因壓力的不同使同等增濕產(chǎn)生的增濕變形很不相等。低壓力時(shí)，需要更高的增濕才能使黃土的結(jié)構(gòu)性發(fā)生破壞而產(chǎn)生大的增濕變形，因此，對(duì)水的敏感性弱；高壓力時(shí)，稍許的增濕就可使黃土的結(jié)構(gòu)性發(fā)生破壞而產(chǎn)生大的增濕變形，因此，對(duì)水的敏感性強(qiáng)。在黃土地區(qū)，結(jié)構(gòu)破壞起始含水率fω是黃土水敏性的重要指標(biāo)，當(dāng)含水率大于fω時(shí)，黃土場(chǎng)地的少量浸水即可使黃土的結(jié)構(gòu)性急劇降低，導(dǎo)致黃土基礎(chǔ)發(fā)生較大的不均勻沉降，甚至引起黃土工程事故。3.3濕陷系數(shù)和含水率的關(guān)系圖8為不同含水率下原狀黃土濕陷系數(shù)δs與壓力P關(guān)系曲線。圖9為不同壓力下原狀黃土濕陷系數(shù)與含水率關(guān)系曲線?？梢钥闯觯?1）δs與壓力P關(guān)系曲線具有與結(jié)構(gòu)性參數(shù)曲線相似的形態(tài)，曲線上有一轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此轉(zhuǎn)折點(diǎn)的壓力P也近似地等于cP，并隨含水率增高而逐漸向低壓力處轉(zhuǎn)移。當(dāng)壓力P小于cP時(shí)，pm隨壓力的增大而增大，使δs也隨壓力的增大而增大；當(dāng)P大于cP時(shí)，pm隨壓力的增大而減小或緩慢上升，使δs也隨壓力的增大而減小或緩慢上升。壓力P相同時(shí)，pm隨著含水率的增大而減小，使δs也隨之而減小，但在大壓力下濕陷的減小速率較小壓力下要大得多。低壓力時(shí)，與pm隨含水率變化的規(guī)律相對(duì)應(yīng)，濕陷系數(shù)也隨含水率的增大而降低很小或基本不變。因此，本文的pm可以合理地解釋原狀黃土的濕陷性隨壓力及含水率而變化的特性，因某種因素（壓力或含水率）導(dǎo)致pm的增大或減小時(shí)，δs也隨之而增大或減小。(2）不同壓力下原狀黃土δs與含水率關(guān)系曲線（圖9）和結(jié)構(gòu)性參數(shù)與含水率關(guān)系的曲線（圖6）形態(tài)相似，也表現(xiàn)為相對(duì)平緩和下降兩個(gè)階段，下降段的起始含水率也隨壓力的增大而減小，并且與該壓力下的結(jié)構(gòu)破壞起始含水率fω基本相等。低壓力時(shí)，由于在平緩段隨含水率的增大，結(jié)構(gòu)性基本沒有變化而使?jié)裣菹禂?shù)也隨含水率的增大變化很小，平緩段長，下降段很短甚至消失；壓力愈大，少量的增濕可使結(jié)構(gòu)性破壞，平緩段愈短甚至消失，下降段愈長。(3）當(dāng)對(duì)各級(jí)壓力下蘭州原狀黃土濕陷系數(shù)與含水率關(guān)系（圖9）用結(jié)構(gòu)性參數(shù)來考察時(shí)，即作出δs與pm關(guān)系圖（見圖10），則可以看出，原來很大范圍的曲線，分布在一個(gè)較窄的帶內(nèi)，基本上可以用線性關(guān)系來表示，濕陷系數(shù)δs隨結(jié)構(gòu)性參數(shù)mp的增大而增大，即結(jié)構(gòu)性愈強(qiáng)，濕陷性愈大，這與以往的研究結(jié)果相一致。當(dāng)把西安原狀黃土各級(jí)壓力下δs與pm關(guān)系的數(shù)據(jù)點(diǎn)與蘭州黃土放在同一個(gè)圖（圖10）上時(shí)，它們同樣分布在一個(gè)較窄的帶內(nèi)。不同土樣或同一土樣在不同壓力或含水率下濕陷變形的差異，均是因結(jié)構(gòu)性不同而產(chǎn)生的，而結(jié)構(gòu)性參數(shù)可以同時(shí)涵蓋粒度、密度和濕度、壓力變化的影響。因此，可以得到這樣一個(gè)結(jié)論，濕陷變形受結(jié)構(gòu)性影響的規(guī)律是相同的，這又一次說明了用式（2）計(jì)算結(jié)構(gòu)性參數(shù)的合理性、靈敏性和穩(wěn)定性。4壓力、含水率的影響(1）西安、蘭州的原狀黃土和重塑黃土都有強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度cP均隨含水率的增大而減小。當(dāng)含水率相同時(shí)，原狀黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度比重塑黃土的大。黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度很大一部分是由吸力聯(lián)結(jié)和膠結(jié)物所提供，含水率對(duì)黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大小有顯著的影響。(2）用本文的結(jié)構(gòu)性參數(shù)隨壓力及含水率的變化特性來研究結(jié)構(gòu)性對(duì)黃土壓縮性、濕陷性的影響可以得到良好的規(guī)律性。(3）同一含水率下的原狀黃土結(jié)構(gòu)性參數(shù)及濕陷系數(shù)與壓力P關(guān)系曲線具有相似的形態(tài)，都有峰值點(diǎn)或轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這些點(diǎn)的壓力都與cP基本相等，結(jié)構(gòu)性參數(shù)及濕陷系數(shù)在壓力未達(dá)到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以前，隨壓力的增大而增大；達(dá)到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之后，壓力增大使結(jié)構(gòu)性參數(shù)和濕陷系數(shù)明顯減小或緩慢增大。(4）同一壓力下結(jié)構(gòu)性參數(shù)、濕陷系數(shù)及壓縮變形與含水率的