黄土结构性及初始结构性试验研究

黄土结构性及初始结构性试验研究

官少军  ,翟天一

中建二局第三建筑工程有限公司，湖北省武汉市 430000

摘要：本文以湿陷性黄土为分析研究对象，主要以湿陷性黄土的结构性质、初始结构性质为研究。通过确定黄土是具有一定结构性，在验证黄土结构性存在的同时，计算出反映黄土初始结构性的初始结构性参数。

关键词：湿陷性黄土；结构性；初始结构性

1黄土研究背景

黄土是一种第四纪沉积物，本文基于原状黄土与重塑黄土在同一条件下的各项力学指标，运用侧限压缩试验，无侧限抗压强度试验，通过扰动，重塑，饱和等方式对原状黄土与重塑土的压缩曲线进行整理，并分析其异同；定义一个综合反映土体粒度，密度，湿度等指标的物理特征量，尝试建立其与原状黄土初始结构性参数的关系；综合初始结构性参数与原状黄土的湿陷系数揭示原状黄土初始结构状态对于湿陷性的影响。

2黄土结构性研究

2.1土的初始结构性参数的表达式

土的初始结构性主要与粒度、密度、湿度等指标有关，且粒度、密度、湿度也对土的初始结构性有较大的影响。所以通过扰动重塑饱和土释放综合结构优势，对同一干密度情况下，不同含水量的原状土样及重塑土样进行无侧限抗压强度试验，以原状土样的无侧限抗压强度与重塑土样的无侧限抗压强度的比值来定量确定土初始状态结构性。定义如下初始结构性参数：

式中：

mis——土初始结构性参数；

（pu）y——原状土样的无侧限抗压强度；

（pu）rs——饱和重塑土的无侧限抗压强度。

从上式看出，土初始颗粒联结越强、初始颗粒排列越不稳定，重塑饱和后土结构强度损失越大，得到重塑饱和土的无侧限抗压强度越小，土初始结构性参数越大。初始结构性参数可以反映土在剪切过程中初始结构性的损失，该参数对土结构性强弱的灵敏度很高[4]。

2.2侧限压缩性试验

在含水量为15%、20%、25%三种原状土样的压缩曲线中，我们可以发现其结构损伤点较含水量为5%的原状土样有所前移，而含水量为30%的原状土样的结构损伤点较前几种含水量更进一步的发生了前移，所以根据以上的数据表明，随着含水量的增大，原状黄土的结构损伤点会随着含水量的增大而发生前移。

这种变形随着压力的增加而发生突变的现象，表明了原状土样的结构性比重塑土样更加显著。而饱和扰动黄土在竖向压力作用下，其压缩曲线并无明显的转折，对比各个含水量情况下的重塑土样压缩曲线，其在各个含水量情况下，压缩曲线基本趋于一致，这表明了重塑土样的结构性并不像原状土样那样明显。

通过对比试验中不同含水量情况下重塑土样的应力应变曲线，可以发现重塑土样在荷载作用下有以下趋势：1）重塑土样在含水量w=5%时的无侧限抗压强度大于其他含水量情况下重塑土样的无侧限抗压强度，随着含水量的增大，重塑土样的无侧限抗压强度逐渐降低，直至含水量达到30%时，重塑土样的应力应变曲线发展平稳，无明显峰值点。2）重塑土样含水量w＜20%时，在荷载作用下，土体结构性的破坏往往十分迅速，且土样轴向应力在加载后期往往完全丧失；当含水量w＞20%时，重塑土样的轴向应力发展平稳，应力应变曲线基本以一稳定值不断延续。

重塑土样在无侧限抗压强度试验中，根据土样的破坏特征，主要可以分为两种类型：1）当重塑土样含水量w＜15%时，土样在加载过程中，其表面会出现大量细微裂缝，但未待土样中上部的裂缝发展，土样上部的土体便会随着竖向压力的增大而不断剥落，土样轴向应力迅速丧失，直至土样完全破坏。2）当重塑土样含水量w≥15%，土样在加载过程中，基本无土体剥落现象产生，在此含水量范围内，土样破坏主要是由于土样中部的细微裂缝沿土样表面不断发展，直至裂缝沿斜截面贯穿土样或沿表面形成贯穿上下的竖直裂缝，其中沿斜截面出现裂缝的重塑土样多是含水量为15%、20%的土样，在形成斜裂缝后，土样便会迅速破坏。而含水量为25%、30%的重塑土样，其裂缝多是上下贯穿的竖向裂缝，在竖向裂缝形成后，土样并未完全破坏，反而不断向四周膨胀，随着竖向压力的施加，土样越来越扁，上升降板深入土体，但土样并未完全破坏[7]。

在重塑土样的破坏过程中，随着含水量的不断增大，土样的无侧限抗压强度值不断下降。根据侧限压缩试验中，原状土样及重塑土样压缩曲线的对比，我们可以发现，原状土样的结构性要比重塑土样更加明显。在重塑土样的配水过程中，土样会出现软化现象，若所配水量过大，重塑土样则会由于过软，甚至无法放置于无侧限压力仪的升降板之间，可见重塑土样的轴向应力主要来源于土样密实时，其提供的反力，而非其骨架结构提供的结构抗力。所以随着含水量的不断增大，土样孔隙中的水量不断增加，土样随着含水量的增加而不断软化，无侧限抗压强度不断减小。当重塑土样含水量达到30%时，由于含水量过高，土样接近饱和，该试样的应力应变曲线呈线性下降，该含水量情况下的无侧限抗压强度也远小于其他含水量情况下的重塑土样。通过对比图3、4的应力应变曲线，这表明黄土的结构性虽然主要由土单元骨架结构的土体之间的粘聚力组成，但是黄土的无侧限抗压强度主要来源于土单元骨架结构的支撑与联结，而非土体之间的粘聚力。

3结束语

3.1原状土样的结构性与土样含水量之间相关性显著，在侧限压缩试验中，随着土样含水量的增大，土样结构性逐步减弱。在压缩曲线上，表现为原状土样结构屈服点对应的结构屈服压力逐步减小，即在同一干密度情况下，随着含水量的增加，原状土样抵抗外界荷载的能力在逐步下降。

3.2原状土样的结构性比重塑土样更为明显，在无侧限抗压强度试验中表现为，同一干密度、含水量情况下，重塑土样的破坏往往要比原状土样更加迅速、彻底。就土样表面的破坏特征划分，低含水量情况下（w≤5%），原状土样的破坏多是由于土体剥落；含水量增大（5%＜w≤20%），原状土样的破坏是由于其中部发生劈裂破坏；在高含水量情况下（w＞20%），原状土样强度的丧失是由于土样裂缝上下贯穿，但并未完全破坏，整体呈现“裂而不坏”的状态。而重塑土样在破坏过程中土体剥落现象比原状土样要显著，并不会出现劈裂破坏。

3.3土样的无侧限抗压强度随含水量的增大整体呈递减趋势，且通过对比原状土样及重塑土样无侧限抗压强度随含水量的变化曲线的差异，更进一步说明了原状土样的结构性较重塑土样更为显著。

3.4原状土样的初始结构性参数随着含水量的增大而逐步减小，因为在较低含水量的情况下，原状土样内部的土单元骨架结构并没有遭到破坏，起到了支撑联结作用；随着含水量的增大，土样中起骨架支撑作用的结晶盐溶于水中，土粒孔隙间充满了水，导致结构遭受到破坏，初始结构性降低。

参考文献：

[1]刘坤.黄土结构性试验研究[D].陕西:西安建筑科技大学,2008.DOI:10.7666/d.d194238

[2]陈存礼,蒋雪,杨炯等.结构性对压实黄土侧限压缩特性的影响[J].岩石力学与工程学报,2014,(9):1939-1944.DOI:10.13722/j.cnki.jrme.2014.09.026.

[3]陈存礼,蒋雪,苏铁志等.结构性对压实黄土无侧限压缩特性的影响[J].岩石力学与工程学报,2014,(12):2539-2545.DOI:10.13722/j.cnki.jrme.2014.12.020.