湿陷性黄土的结构性课件

* 湿陷性黄土的结构性 及其变形强度特性 邵生俊 邓国华 龙吉勇 周飞飞 陶虎 西安理工大学岩土工程研究所 2007年10月 * 1、黄土的结构特征及其基本力学特性 2、非饱和结构性土的综合结构势 3、复杂应力条件下黄土的综合结构势 4、黄土的综合结构势应力应变关系 5、黄土的结构性强度变化规律 6、黄土的损伤特性 7、黄土的等效骨架相应力及有效应力 8、结束语 湿陷性黄土的结构性及其变形强度特性 * 1、黄土的结构特征及其基本力学特性 黄土的细观结构特征： 黄土的骨架由单粒、集粒、凝块组成； 黄土的骨架具有架空的大孔隙特征； 黄土颗粒间由盐分胶结、收缩膜联结； 黄土中存在微节理裂隙。 黄土的细观结构形成理论： 双电层理论 收缩膜理论 物质组成理论 * 1、黄土的结构特征及其基本力学特性 黄土细观结构的认识： 一定尺度内土粒构架在空间分布不均匀； 一定尺度内土粒构架中的孔隙在空间分 布不均匀； 土粒间有易溶盐胶结物加固土粒构架，且 胶结物随土中含水量的多少可能存在相变； 水气交界面：收缩膜对土粒构架有加固作用； 浸水、受荷作用下黄土细观结构的变化趋势： 土粒构架趋于稳定、分布均匀化；孔隙减小 分布均匀化；胶结逐渐丧失破损化；水膜 转移均匀化。 * 黄土的压缩变形特征： 1、黄土的结构特征及其基本力学特性 湿陷性黄土一般属于欠 压密结构性土：上覆压 力大于先期固结压力， 小于结构屈服压力。 结构屈服破坏前压缩变 形随压力的增长率较小； 之后增长率逐渐增大。 原状黄土压缩曲线与正常 固结曲线给出了同一压力 下结构破损（增湿）后孔 隙比的可能变化量。 原状黄土 * 黄土的压、剪变形特征： 1、黄土的结构特征及其基本力学特性 固结围压小于结构屈服 压力时，剪应力剪应变 曲线呈软化型； 固结围压越小，压缩作 用造成的结构破损越小 ，剪切过程中有明显的 剪切体胀特性，且剪缩 剪胀的转折点一般对应 于剪应力剪应变曲线的 峰值点。 * 黄土的压、剪变形特征： 1、黄土的结构特征及其基本力学特性 固结围压大于结构屈服 压力时，剪应力剪应变 曲线呈硬化型； 固结围压越大，压缩作 用造成的结构破损越大 ，剪切过程中剪切体缩 越大。 * 黄土的压、剪变形特征： 1、黄土的结构特征及其基本力学特性 原状黄土压缩曲线与临界 状态曲线给出了同一压力 下结构破损（增湿、剪切） 后孔隙比的可能变化量。 临界状态线 正常固结线 * 2、非饱和结构性土的综合结构势 土的结构性参数综合结构势 （谢定义、齐吉琳1999） 结构性土具有结构的可稳性与结构的可变性； 原状土的结构性可以通过加荷、浸水、扰动等作用释 放出来； 饱和原状土与原状土的压缩变形比m1表示可变性； 原状土与扰动重塑土的压缩变形比m2表示可稳性； 综合结构势 mp= m1/ m2 * 2、非饱和结构性土的综合结构势 复杂杂应力条件下的应用 侧限压缩试验 测试随压力增大的压缩变形 三轴压缩试验 测试随变形发展的剪切应力 基于应力条件的结构性参数 * 3、复杂应力条件下黄土的综合结构势 原状土三轴剪切试验 扰动土三轴剪切试验 饱和原状土三轴剪切试验 原状土与饱和原状土的 剪应力比m1表示可变性 原状土与扰动重塑土的 剪应力比m2表示可稳性 胶结强度 吸力强度 原装样 重塑样 饱和样 * 三轴剪切试验结果 原状土样为Q3黄土，干密度约为1.30g/cm3，天然含 水量为8.5%。原状土样、重塑土样的含水量控制在2 18%范围，三轴剪切试验的固结围压控制在50300kPa 范围。分别进行了不同固结围压、不同含水量的原状土 、重塑土的三轴试验，以及不同固结围压的饱和原状土 三轴剪切试验。 3、复杂应力条件下黄土的综合结构势 * 原状土三轴剪切试验结果 3、复杂应力条件下黄土的综合结构势 * 原状土三轴剪切试验结果 3、复杂应力条件下黄土的综合结构势 * 相同围压下一定 含水量的原状土 、重塑土三轴剪 切试验结果与原 状饱和黄土的剪 切试验结果 3、复杂应力条件下黄土的综合结构势 * 相同围压下一定 含水量的原状土 、重塑土三轴剪 切试验结果与原 状饱和黄土的剪 切试验结果 3、复杂应力条件下黄土的综合结构势 * 结构性参数与轴向应变的关系 3、复杂应力条件下黄土的综合结构势 * 结构性参数与轴向应变的关系 3、复杂应力条件下黄土的综合结构势 * 3、复杂应力条件下黄土的综合结构势 * 已经确定的结构性参数考虑了含水量、初始固结压力及剪 切变形发展对于结构性变化的影响，将其引入应力应变关系曲 线，即将测试确定的不同应变条件下的主应力差除以结构性参 数，可以得到如下的关系曲线。 4、黄土的综合结构势应力应变关系 * 4、黄土的综合结构势应力应变关系 * 4、黄土的综合结构势应力应变关系 * 4、黄土的综合结构势应力应变关系 * 4、黄土的综合结构势应力应变关系 * 4、黄土的综合结构势应力应变关系 * 4、黄土的综合结构势应力应变关系 * 4、黄土的综合结构势应力应变关系 * 5、黄土的结构性强度变化规律 当固结压力较小时，压缩作 用造成的结构性丧失程度较小， 剪切作用下具有明显的峰值强度 ，此后随着结构性的逐渐丧失， 抗剪强度逐渐衰减； 当固结压力较大时，压缩作 用造成结构性丧失程度较高，破 坏应变时土的抗剪切强度最大； 不同结构性状态的土，其抗 剪切强度不同。 * 5、黄土的结构性强度变化规律 抗剪强度比与结构性参数比的关系 * 5、黄土的结构性强度变化规律 同结构性参数条件下土的破坏应力状态 * 5、黄土的结构性强度变化规律 同一密度条件下，随着结 构性参数的增大，土的粘 聚力在逐渐增大，且趋于 稳定值；但摩擦角基本不 变。 * 5、黄土的结构性强度变化规律 应力空间中强度破坏面随结构性参数的变化 * 6、黄土的损伤特性 基本认识 原状黄土具有显著的结构性。工程中的黄土一般 受荷载、浸水作用，使得土的含水量及应力状态发 生改变，引起土结构的逐渐破坏，即土结构的损伤 变化。 土损伤力学一般应用复合体理论，即一定损伤状 态的土承受的应力由原状结构部分和完全重塑 （正常固结状态）部分共同承担，即可表示为： * 6、黄土的损伤特性 偏应力的剪切作用、球应力的压缩作用、浸水增 湿作用均可以引起土结构的损伤，损伤比的定义必 须反映上述三种作用的影响。 假定复合体的原状结构部分和完全重塑部 分具有相同的应变，则依据土全量模量的变 化可以定义损伤比： * 6、黄土的损伤特性 AB反映了原状土的抗力； BC为原状土的固结压缩线； AD为正常固结土压缩曲线； 一定压缩应变条件下 为完全重塑土承担的应力 ， 为原状土承担的应力； 正常固结线 原状黄土 d p 压缩条件下的损伤特性认识 * 6、黄土的损伤特性 AB为考虑湿度影响的原状土的 最大抗力；BC为原状土的固结 压缩包线；AD为正常固结土压 缩曲线；一定体积应变条件下 为完全重塑部分承担 的应力 ， 为原状部分承 担的应力； d p 增湿、压缩条件下的损伤特性认识 正常固结线 原状黄土 * 6、黄土的损伤特性 AO反映了原状土的抗剪力； OB为正常固结土强度线； ACD为原状土强度曲线； 一定应变条件下 为完 全重塑部分承担的应力 ， 为原状部分承担的应力 ；E、F两点分别位于原状土 和完全重塑土的强度，它们 具有相同应变。 压、剪条件下的损伤特性认识 正常固结土 原状黄土 * 6、黄土的损伤特性 AO反映了原状土的最大抗剪 力；OB为正常固结土强度线 ；ACD为不同湿度原状土强 度包线； 一定应变条件下 为完全重塑部分承担 的剪应力 ， 为原状部分 承担的剪应力；E、F两点分 别位于原状土和完全重塑土 的强度，它们具有相同应变 。 增湿、压、剪条件下的损伤特性认识 正常固结土 原状黄土 * 应力应变方程 6、黄土的损伤强度变形特性 * 7、黄土的等效骨架相应力及有效应力 天然的非饱和土和饱和土一般均具有结构性，它泛指 土粒排列和连接所表现出的抗压、抗剪作用； 天然非饱和土的结构性一般包括了胶结物加固作用、 电化学作用、收缩膜加固作用、土粒和孔隙空间排列不均 匀表现的宏观作用。这些作用与土粒构架一起承担变形稳 定时的附加应力作用，它们构成了等效骨架相，其承受的 应力为等效骨架相应力； 非饱和土等效孔隙中充满了可流动的液体和气体，其中 气体是可压缩的流体，在压缩作用下会产生瞬时体缩； * 7、黄土的等效骨架相应力及有效应力 天然饱和土的结构性一般包括了胶结物加固作 用、电化学作用、土粒和孔隙空间排列不均匀表现 的宏观作用。这些作用与土粒构架一起承担变形稳 定时的附加应力作用，它们也构成了等效骨架相， 其承受的应力为等效骨架相应力； 但是、饱和土等效孔隙中充满了可流动的液体 ，完全饱和状态时其中没有气体，在压缩作用下不 会产生瞬时体缩； * 7、黄土的等效骨架相应力及有效应力 非饱和土： 原状饱和土： 等效骨架 相应力 等效流体 相压力 等效骨架 相应力 孔隙水压力 * 7、黄土的等效骨架相应力及有效应力 正常固结饱和土（完全重塑、纯净水饱和、等 向压缩）：没有胶结作用、收缩膜作用、电化学作 用；土粒和孔隙空间分布均匀。一般没有结构性， 变形稳定时土粒构架承担了附加应力；固结过程孔 隙水分担部分压力。 正常固结饱和土： 骨架相应力孔隙水压力 * 正常固结饱和土 密度、有效应力（骨架相应力）和抗剪强度具 有一一对应的关系。即一定体缩应变时，土的有效 应力和抗剪强度都是一定的。 7、黄土的等效骨架相应力及有效应力 结构性土（原状饱和土、非饱和土） 由于结构性随着变形而变化，不断改变结构性 土的等效骨架相，因此，结构性土的密度、等效骨 架相应力和抗剪强度不具有一一对应的关系。但是 ，随着扰动、增湿作用，使土的结构性完全丧失时 这种对应关系是存在的。 * 7、黄土的等效骨架相应力及有效应力 黄土是具有显著结构性的非饱和土，其等效骨 架相应力也是给定结构性土骨架承担的应力，扣除相 应的结构性作用，由土粒构架承担的应力才能引起土 粒构架变形，即产生土骨架变形。 比较相同初始密度状态和相同应变状态的正常固 结土的有效应力状态和原状土的等效骨架应力状态， 即可以区分出结构性分担的应力。从而，可以研究非 饱和黄土等效骨架相应力的构成及其变化规律。 * 8、结束语 黄土的微观结构特征是其具有显著的结构性。根据其密度 状态对应