（地质工程专业论文）土的结构性特征对上海粘性土压缩特性的影响.pdf

摘要 摘要 我国东南沿海地区广泛分布着深厚的软弱粘土层。这些天然软粘土含水率 高、压缩性高、强度低。以胶结作用为主形成的自然沉积粘性土体拥有一定的 结构强度，这些天然软粘土由于结构性的存在表现出与重塑土不同的性质。这 类结构性土体是本文的主要研究对象。本文主要采用传统的土力学手段，通过 室内常规试验，对现场取来的原状未扰动土样( 薄壁土样) 以及制备的重塑土样进 行各种物理指标测试，以及一维固结试验，对上海粘性土的压缩特性进行分析 研究。并结合系统收集的国内和国际上经典结构性粘性土的试验结果，以及对 上海地区的天然沉积软粘土的地质勘探和取样试验资料进行了调查，对上海地 区粘性土的结构性进行了分析。通过本论文的工作，得到如下研究成果： ( 1 ) 典型的原状软粘土e p ，e 1 0 9 p 曲线是分段的，结构性强的原状粘土具 有明显的结构屈服应力。原状土的e 1 0 9 p 压缩曲线为前缓后陡型曲线，而重塑 土的压缩曲线近似为一条直线。结构性较强的原状土体在低于屈服压力的应力 范围内，土的压缩性较小；当荷载超出结构屈服应力，压缩性则显著增大。 ( 2 ) 上海地区第层淤泥质粘土有着较强的结构性，而这个性质与其相对较 大的含水率是有一定的关系的。含水率较大的粘性土，其结构性特征表现越明 显。第层土的结构屈服应力值在1 0 0 1 5 0 k p a 之间。 ( 3 ) 原状土和重塑土的压缩指标随着荷载的增大呈现不同的变化趋势。原状 土的压缩模量随荷载增加而呈非线性增大，而重塑土的压缩模量随荷载增加而 呈线性增大；原状土在施加较小荷载时的压缩系数远小于重塑土的压缩系数， 而当施加荷载超过结构屈服应力之后二者均随着荷载增大而减小并逐渐趋于一 致；原状土在施加较小荷载时的压缩指数远小于重塑土的压缩指数，随着荷载 的增大，原状土的压缩指数迅速增大，之后超过重塑土的压缩指数并开始下降， 可以预见二者亦将趋于一致。重塑土的压缩指数随荷载变化不大。 ( 4 ) 原状土和重塑土的压缩曲线和压缩模量、压缩系数、压缩指数等压缩指 标随着荷载的增大，逐渐趋于一致。这说明随着荷载的增大，原状土的结构强 度消失以后，其压缩特性向着重塑土所表现的“固有特性”转化。 关键词：上海粘性土，原状土，重塑土，结构性特征，压缩曲线，压缩指标 a b s t r a c t s o f tc l a y sa r ew i d e l yd i s t r i b u t e di nt h ec o a s t a la r e ao ft h es o u t h e r nc h i n a t h e s e n a t u r a lc l a y su s u a l l yh a v eh i 【g hw a t e rc o n t e n t , e x t e n s i v ec o m p r e s s i b i l i t ya n dl o w s t r e n g t h t h es t r u c t u r a ls o i l ，w h i c hi sp r i m a r i l yf o r m e db yc e m e n t a t i o ne f f e c t ， p o s s e s s e sac e r t a i nd e g r e eo fs t r u c t u r a ls t r e n g t h t h ep r o p e r t i e so fn a t u r a lc l a y sd i f f e r f r o mr e c o n s t i t u t e dc l a y sd u et ot h ei n f l u e n c eo fs o i ls t r u c t u r e t h i st y p eo fs t r u c t u r a l s o i li st h em a i nr e s e a r c ho b j e c to ft h i sd i s s e r t a t i o n t h et r a d i t i o n a ll a b o r a t o r yt e s tm e t h o d so fs o i lm e c h a n i c sa r eu s e di n t h i s r e s e a r c h b a s e do nt h ec o n s o l i d a t i o nt e s t so fs h a n g h a ic l a yi nu n d i s t u r b e da n d r e c o n s t i t u t e ds t a t e ，a sw e l la st h ep r e v i o u sr e s e a r c ha n dt h ed a t ao fe n g i n e e r i n g g e o l o g i c a ls u r v e yo fs h a n g h a i ，t h ec o n c l u s i o n sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h et y p i c a le - pa n de - l o g pc u r v e so fu n d i s t u r b e dc l a y sa r ep i e c e w i s e ，a n d s t r u c t u r a lc l a yh a so b v i o u sy i e l d i n gs t r e s s t h ee - l o gc u r v eo fa nu n d i s t u r b e ds o i l s a m p l ei ss m o o t hi nt h ef o r m e rp a r tw i las t e e pt u r ni nt h el a t t e rp a r t o nt h eo t h e r h a n dt h ec u r v eo far e c o n s t i t u t e ds o i ls a m p l ei sa p p r o x i m a t e l yas t r a i g h tl i n e t h e c o m p r e s s i b i l i t yo f u n d i s t u r b e dc l a yi sl o ww h e ns u b j e c t e dl o a di sb e l o wt h es t r u c t u r e y i e l d i n gs t r e s s ，a n dt h ec o m p r e s s i b i l i t ya c u t e l yi n c r e a s e sw h e nt h el o a de x c e e d st h e s t r u c t u r ey i e l d i n gs t r e s s ( 2 ) t h ef 0 r d ll a y e ro fs h a n g h a ic l a yh a ss t r o n gs t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c h i sr e l a t e dt oi t sr e l a t i v e l yh i g hw a t e rc o n t e n t t h eh i g h e rt h ew a t e rc o n t e n to f c l a yi s ， t h es t r o n g e rs t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i ct h ec l a yw i l ls h o w t h es t r u c t u r ey i e l d i n gs t r e s s o f t h ec l a yi sb e t w e e n1 0 0t o1 5 0k p a ( 3 ) t h ei n d e x e sf o rc o m p r e s s i b i l i t yo fu n d i s t u r b e da n dr e c o n s t i t u t e ds o f tc l a y s h o wd i f f e r e n tt r e n d sw i t hi n c r e a s i n gl o a d s t h ec o m p r e s s i o nm o d u l u so fu n d i s t u r b e d s o i ls h o w san o n l i n e a ri n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n gl o a d ，w h i l et h eo n eo f r e c o n s t i t u t e ds o i ls h o w sal i n e a ri n c r e a s e w h e nas m a l ll o a di si m p o s e d ，t h e c o m p r e s s i o nc o e f f i c i e n to fu n d i s t u r b e ds o i li sf a rl e s st h a nt h er e c o n s t i t u t e ds o i l w h e nt h ei m p o s e dl o a dr e a c h e sa n de x c e e d st h es t r u c t u r ey i e l d i n gs t r e s s ，b o t h a b s t r a c t c o m p r e s s i o nc o e f f i c i e n t s d e c r e a s e w i t ht h ei n c r e a s i n gl o a da n dt r e n dt o w a r d s c o n s i s t e n c y w h e n as m a l ll o a di si m p o s e d ，t h ec o m p r e s s i o ni n d e xo fu n d i s t u r b e ds o i l i sa l s of a rl e s st h a nt h er e c o n s t i t u t e ds o i l u n d i s t u r b e ds o i lc o m p r e s s i o ni n d e x i n c r e a s e sr a p i d l ya n de x c e e d sr e c o n s t i t u t e ds o i lc o m p r e s s i o ni n d e x ，a n df i n a l l yb e g i n s t od e c l i n ew i t ht h ei n c r e a s i n gl o a d t h et w oc o m p r e s s i o ni n d e x e sa r ee x p e c t e dt ob e t h es a m ei nt h ee n d d i f f e r e n tf r o mo t h e ri n d e x e sf o rc o m p r e s s i b i l i t y , t h e c o m p r e s s i o ni n d e xo fr e c o n s t i t u t e ds o i lh a r d l yc h a n g e sd u r i n gt h ec o m p r e s s i o n t e s t ( 4 ) t h ec o m p r e s s i o n c u r v e sa n dt h ei n d e x e sf o rt h ec o m p r e s s i b i l i t y ( c o m p r e s s i o nm o d u l u s ，c o m p r e s s i o nc o e f f i c i e n ta n dc o m p r e s s i o ni n d e x ，e t c ) o f u n d i s t u r b e ds o i la n dr e c o n s t i t u t e ds o i lt r e n dt o w a r d sc o n s i s t e n ta st h ei m p o s e dl o a d s b e c o m eb i g g e r t h e s ep h e n o m e n ai n d i c a t et h a t ，w i t ht h ei n c r e a s i n gl o a d s ，t h e s t r u c t u r a l s u e n g t h o fu n d i s t u r b e ds o i li sd e m o l i s h e d ，a n dt h ec o m p r e s s i o n c h a r a c t e r i s t i co fu n d i s t u r b e ds o i lt r a n s f o r m sg r a d u a l l yt ot h e ”i n t r i n s i cp r o p e r t y ” w h i c hi sd i s p l a y e db yt h er e c o n s t i t u t e ds o i l k e yw o r d s ：s h a n g h a ic l a y , u n d i s t u r b e ds o i l ，r e c o n s t i t u t e ds o i l ，s o i ls t r u c t u r e ， c o m p r e s s i o nc u r v e ，i n d e xf o rc o m p r e s s i b i l i t y 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：陈伐戈气 年2 月c s 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 学位论文作者躲 京 q 删i 年2 _ y j c r 日 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 土体的结构性，是指土体颗粒和孔隙的性状和排列形式( 或称组构) 及颗 粒之间的相互作用【1 】【2 1 。绝大多数天然土都有一定的结构性。 我国粘性土地区分布广泛。在我国沿海各地区，特别是在海河、黄河、长 江、钱塘江、甬江、闽江和珠江等入海口附近，作为建筑物与构筑物地基的土 层往往由软粘土( 淤泥质粘土和淤泥质粉质粘土) 组成。这类土孔隙比大、含 水率高、多呈软可塑状态。一般认为，软粘土具有强度低、压缩性高和灵敏度 高等不利的工程性质，是这些地区高速发展的工程建设中需要特别重视的一类 软弱土层。这就必然要求土力学工作者对软粘土的工程力学形状有一个全面和 深入的认识。 近年来，原状软粘土的结构性及其对粘土力学性质影响的研究引起人们广 泛的关注。研究成果表吲3 1 ，土体的宏观力学性质与其结构性密不可分。从内因 上来说，土体的初始结构性会导致其在各向异性、固结系数和渗透系数方面的 显著差异；从外因上来说，如应力作用过程、路径和水平、冻融循环等，可以 改变土本身的结构、形成次生结构，使同一种土在不同应力状态下具有不同的 力学性质。从工程实践应用角度来讲，一般有以下两个方面的问题：一方面若 仅基于重塑土样或扰动土样的室内试验结果，而未考虑土体结构性，则会低估 土体抵抗变形和破坏的能力，从而使设计偏于安全，造成经济上的浪费；另一 方面若仅认识到较低应力状态下天然软粘土呈现低压缩性的特点而忽视了当应 力水平超过屈服应力后压缩性迅速增大的现象或结构性土易扰动的特点，则会 高估软粘土抵抗变形的能力，带来工程安全隐患。因此，土的结构性无论在理 论研究还是实际应用上，都有着重要的意义。土结构性研究的重要性在1 9 2 5 年 由太沙基指出【4 】，沈珠江称之为“2 l 世纪土力学的核心”【5 1 ，谢定义认为“土结 构性是决定各类土力学特性的一个最为根本的内在因素”1 6 】，不难看出土结构性 在土力学学科发展中的重要地位。 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 土的结构性的研究思路 土的结构性与体形成过程有关，也酃与颗粒性质、各种沉积力、的 沉积环境及土颗粒表面力、以及沉积后各种地质营力的作用有关。前人在该方 瑟开展了大量工作，其磅究方法大致可分为三种f 】。其一是匿体力学的砚究方法， 它试图从数学力学的观点出发建立一种能够有效描述土的结构性在受力过程中 变形和破坏的力学模型，并由此推导和反映士的宏观力学行为。其二是自上个 世纪2 0 年代沿袭下来的微结构形态学豹研究方法，试图通过对土微观结构的研 究进以建立土体微观结构模型，具有逐步向微观土力学分支学科方向发展的趋 势。虽然它立足于多年来众多的磅究成果、光电量测技术以及计算机图像技术 的支持，但由于它在很大程度上将微结构当成土的结构性的代名词，这致使其 在全面描述土的结构性的几何特征和联结特征上遇到了巨大的困难。加之各种 测试技术的复杂性，势必对它的发展造成了巨大的障碍。最后一种是力学的 研究方法，长期以来它受到了土力学工作者的重视。但该方面的理论研究难度 较大，工作进展相对缓馒，在描述结构性软的物瑗、力学性质方面取褥了一 定的初步成果。总体来讲，土的结构性研究还处在初步发展的阶段。随着技术 的发展，计算机模拟也可以成为该领域的重要的研究手段。 1 2 2 结构性粘土的微( 细) 观结构研究 1 9 2 5 年，t e r z a g h i 最早提出了土的微观结构的概念1 4 】，他将在一定的上覆荷 载作用下的粘粒悬液通过魄解质作用形成的絮凝沉积物结构称为蜂窝结构。这 之后，g o l d s c h m i t 和c a s a g r a n d e 3 l 相继提出了卡片和书本结构强j 。这些都是以单 个颗粒的几何排列堆积为基础，并用以解释沉积土结构的天然形成作用。 在前入的基磁上，我鬻学者陈寒基在1 9 5 7 年提密了片状颗粒的接触形式， 并给出了相应的三维网络模型【9 】。 直至u 1 9 6 3 年，v a no l p h e n l 提凄了“凡俺体 的结构模型，这开剑了主的“霞 粒结构研究。1 9 7 6 年，借助于电予显微镜与其它测试手段，m i t c h e l l 和y o n g 将 单粒结构成功的发展到团粒结构l l 】。 2 第一章绪论 李生林( 1 9 8 0 ) 1 1 】对广西宁明典型膨胀土进行偏光显微镜、扫描电镜研究，研 究表明，土中微层理、微裂隙以及片状水云母团聚体沿层理的定向排列，均可 促使土的强烈膨胀。 王永焱，滕志宏( 19 8 2 ) 【1 2 】对不同地区的黄土进行了详细的扫描电镜研究，将 黄土的微结构分为三种结构组合，六个结构类型；并认为影响黄土湿陷性、透 水性和工程性质的主要因素是胶结物。 孔令伟等( 2 0 0 2 ) t 1 3 】【1 4 】【1 5 1 分别对琼州海峡、海口海域及湛江海域结构强弱不 同的两种软土进行了系统地室内试验研究，从矿物组成、物理化学性质、胶结 特性与孔隙结构特征几方面分析了其特殊工程性质的微观机制，揭示了其影响 爆炸挤淤施工的机理，加深了对海洋软土基本性质的认识。 在土体结构性的研究中，仅仅根据微观结构形态特征定性地描述土体的工 程性质显然是不够的，有必要开展土体结构性的定量化研究。在对中国黄土的 微结构与湿限性进行研究的基础上，高国瑞提出了黄土显微结构的十二种类型 1 1 6 。通过对结构性较强的湛江粘土的微观结构特性进行深入研究，谭罗荣指出 湛江粘土的组构单元是由许多单片堆叠成的片堆颗粒单元、粒状碎屑物和少量 单片粘土颗粒组成【1 7 1 8 】。充分应用计算机图像分析技术，吴义祥从信息熵的角 度对结构性粘土的结构排列状态作了定量分析【l9 1 。基于前人的工作，胡瑞林详 细的总结出了结构性粘土微观结构的主要特征1 2 0 ，即：( 1 ) 颗粒排列特征：( 2 ) 孔 隙性；( 3 ) 结构单元特征；( 4 ) 结构连接。通过对土体的微观结构进行定量化研究， 谢定义认为研究土的结构性最优的方法是将土体的结构性进行破坏( 加荷、扰 动、浸水等) ，将其所蕴藏的结构势充分的释放出来，再对其结构破坏的难易程 度和破坏后的变形程度进行测定，进一步寻求结构破坏特性及其大小与结构性 演变之间的相互规律【6 1 。此外，汤连生等打破传统土力学中以均质体理论研究非 均质土的框架，尝试利用土的结构熵将复杂多变的土的微观结构要素用能量状 态结构熵进行量化【2 1 1 。在前人的研究中可以看出，天然土体种类、矿物成 分、沉积条件以及孔隙水的化学成分等都会对土的结构性造成影响。 随着近几年光电量测技术和计算机图象处理技术的发展，土微、细观结构 研究及其量化研究所取得的进展是勿庸置疑的，但是这种微、细观结构研究与 工程实践尚有较大的距离，怎样使一些土结构性要素定量化并能应用于实际， 一直是该研究领域尚未很好解决的问题。 3 第一章绪论 1 2 3 结构性粘土的试验及宏观力学特性研究 定最研究微结构变化的每个细节的难度是非常之大的，很多学者对于对其 可行性、必要性上提出疑问1 2 2 1 ，并认为只要把变形的微观机制搞清楚了，建立 宏戏模型时充分考虑这些规制，最后结果叁然闻样霹以符合实际，主张宏、微 观相结含的建模思想构性模型。 ( 1 ) 结构性对压缩特性的影响 m e s r ia - 等( 1 9 7 5 ) t 2 3 1 对m e x i c oc i t y 粘土，张i ) i 耨( 1 9 8 3 ) 2 4 】对湛江粘土及上海粘 土，熊传祥、周建安( 2 0 0 2 ) 2 1 对杭州地区淤泥质粘土，王立忠等( 2 0 0 4 ) 2 6 】对温 娥软土以及其他学者( t a v e n a s & l e r o u e i l 等1 2 7 ，1 9 9 0 ；d e l e g e 等l 翊，1 9 5 4 ) 针对 不同地区粘土的结构性进行了研究。结果都表明：结构性强的原状粘土具有明 显的结构矮服应力，结构屈服应力大于上覆有效压力。进行压缩试验孵，在低 于屈服威力的范围内，土的压缩性较小，在高于屈服压力后，土的压缩性增大， 最后与重塑土的压缩曲线相同。结构屈服应力，即指原状土在受压缩过程中， 以土骨架弹性压缩为主的变形阶段基本结束，且土的组构和粒闻联系开始出现 破坏时所对应的应力。 l 。b ，b u r l a n d l 2 9 等予1 9 9 0 年在英国g e o t e c h n i q u e 杂志上发表的论文对此类 研究进展进行了总结。在压缩性研究方面，通过绘制粘性土的i c l ( i n t r i n s i c c o m p r e s s i o nl i n e ) 和s c l ( s e d i m e n t a t i o nc o m p r e s s i o nl i n e ) 并对比之，来得到结构性 对粘性土压缩特性的影响。 针对上海软粘土，冯铭璋【3 0 】通过传统的压缩实验，运用软粘土结构和强度 理论，考虑到勘测技术限制等因素，结合工程勘察特点解释了软粘性土e _ p 曲线 分为a ，b ，c 三段的线型特征。 f 2 ) 结构性对应力一应变关系的影响 李作勤( 1 9 5 2 ) t 3 和t a v e n a s ( 1 9 7 8 ) 1 3 2 】等研究表明：对结构性较强的粘土，当 囡结压力高于结构屈服应力时，应力一应变关系呈“应变硬化型 ，当固结压 力低于结构屈服应力时，应力一应变关系呈“应变软化型”，但对于菜些结构 性弱的土，在剪切中由于排水引起密度增加而获得的强度大于结构破坏造成的 损失时，其应力一应变关系仍呈“斑交硬化型”。糕土结构性使其具有明显的 初始屈服面，在初始屈服面内，土体呈弹性：超过初始屈服面土体呈塑性。研 究还表明：孔隙水压力亦与结构屈服应力和圈绩压力有关( 李作勤疆n ，1 9 8 2 ； 4 第一章绪论 张诚厚1 2 4 】，1 9 8 3 ) ，还认为：结构强度低的粘土，应力一应变关系里双曲线型。 通过实验室模拟天然粘土的结构性，周成【3 3 1 得出了类似的结论，在不排水 条件下，结构性的应力应变蓝线表现为应变软纯的特点，特别是围压较低时 更明显，而重塑土则没有软化现象；在排水条件下，结构性土与重塑土都表现 为应变硬化。 究其原因，沈珠江 蚓f 3 5 】根据软化产生的机理把应力软化区分为减压软化、 剪胀软化和损伤软化三类。减压软化是由土的压硬性所决定的。当剪切过程屡 压降低时，剪切睦线就会出现峰值和应变软化。剪胀软化是与剪切过程中颗粒 组构变化有关的一种软化，反映颗粒接触面状态的变化。损伤软化是当颗粒之 间存在胶维时，相互翡滑动之前必须先发生胶结链的破坏。前两个是与土体质 处环境有关，而最后一个是由土体的性质所决定的，而且具有不可逆性。在排 水条件下，体在损伤软化强度降低的同时由予压剪挤密作用使土体强度有所 增加。因此这时的应力应变关系就表现为软化和硬化机理共同作用的结果，当 软化占主导地位时土体的应力应变关系表现为软化型的应力应变关系，反之则 为硬化型的应力应变关系。 ( 3 ) 土结构性对强度包线的影响 结构性的存在会使粘土的强度包线表现为折线型( 沈珠江，1 9 9 8 ) 1 3 5 】。熊 传祥、龚晓南等人( 2 0 0 2 ) 1 2 5 】通过对杭州地区淤泥质粘土进行的结构性试验研究表 明：其强度包线的转折点发生在固结压力等于结构屈服压力点。具有结构性的 粘土在低围压时具有剪胀性，表现出超固结的特性，在高围压时表现出正常 固结土的特性。 鳓结构性土的孔陈压力特性 张诚厚( 1 9 8 3 ) 1 2 4 j 研究认为，对结构性较弱的上海粘土，在较大的固结应力范 围内，在低应变阶段孔隙压力急剧增大，之后缓慢增大至稳定值；只是在固结 压力很低时，孔隙压力才会潮现峰值；对结构性较强的湛江粘，在固结应力 较低的条件下，孔隙压力会出现峰值，之后逐渐降低；围结应力较高时，孔隙 压力隧应交增大而增大，逐渐趋近于稳定值。沈珠江圈详细地分析了孔隙压力 的产生原因和消散规律，并应用结点固化理论进行了解释。 ( 5 ) 主结构性对露结系数的影响 沈珠江( 1 9 9 8 ) 1 3 5 】同样提出结构性对固结系数也会形成一定影响，结构性粘土 在应力低予结构屈服应力时原状土的固结系数大于重塑土的固结系数，原状土 第一章绪论 结构屈服后与重塑土的固结系数趋予一致。熊传祥、龚晓南等人f 2 习( 2 0 0 2 ) 的研究 表明；结构性糙土在应力低予结构矮服应力时，固结系数基本为一常数，当应 力增加到结构属服应力附近时，固绪系数急剽降低，最后趋近于重塑土的固结 系数，鹫鞭土的固结系数基本为一常数，与应力水平无关。 1 2 4 结构性粘土的力学模型 沈珠江1 9 9 妨骖l 指盘，入稍应该献黄统的弹塑牲模型转彝结构性模型，新一 代的结构性模型殿建立在对土体受力后细观结构改变的全面考察的基础上，但 不必拘混于对土鬏粒运动的定量分辑，用下列图式来定义： 应力_ 结构改变- 应变 总之，正确的研究方趣应当是走宏观与微观摆结含的道路，即首先舞清塑 性变形的微观机制，并以越为桥梁，把应力和应变联系起来，萋建塑性本构理 论。 ( 1 ) 结构槛土的力学损伤模型 沈珠江率先从损伤力学的观点出发【3 6 】，建议了一个可以考虑粘土结构破损 过程的损伤力学模型，推导了弹塑性损伤矩阵，制定了定量描述其受力鹾逐渐 破损过程的数值模拟方法。随后，将原先建议的弹辍性损伤模型加以简化 ( 1 9 9 3 ) 3 7 1 ，提出了一个更实用的非线性损伤力学模型，并对该模型的有限元算法 作了初步翡探讨。再后来，叉提出了一种堆瑚体模型( 2 0 0 舀) 溺，以描述天然糙土 变形过程中伴随的结构破坏现象。 在毁土摸型的基础上，何开胜等( 2 0 0 萄【3 锷建议了结构性粘煞弹塑性损伤模 型，可用于结构憔粘土的_ 工程计算和流变预测。赵锡宏等( 1 9 9 9 ) f 4 0 】f 4 1 3 以热力学理 论为基础，考虑到内变量理论，提盘了考虑各向吴性损伤的能量指标概念，构 造势函数，建立损伤的演纯方程，进而建立软土的弹鬻性各囱异性损伤力学模 型。 国改进魏结梅性土剑桥模型 c a m c l a ym o d e l 是建立在重塑土的基础上的，许多学者对此模型进行改进以 建立结构性熬本搀模型。 饶为国等( 2 0 0 2 ) i 4 2 】考虑到剑桥模型没有包括土的结构性这一因素，基于经典 塑性理论，通过弓l 入土体结构性影响因子一综合结构势，建立了一个可以考虑 6 第一章绪论 结构性影响的本构模型。 v s i v a k u m a r 等( 2 0 0 1 ) t 4 3 】研究了各向异性弹性对超固结天然粘土的屈服特性 的影响。状态边界面内转动屈服轨迹与各向异性弹性特性相关的假定表明，状 态边界面内的弹性墙是倾斜的，状态边界面的形状由各向异性弹性和c a m c l a y 土参数确定，应用天然粘土对模型进行了检验。 m k a v v a d a s 等( 2 0 0 0 ) 】基于增量塑性和临界状态概念，建立了结构性土的 临界状态增量塑性模型( m s s ) ，模型模拟了前期固结压力、老化、胶结等引起的 结构的增强和扰动等引起的结构破损对土的工程性质的影响，且模拟【4 5 】了天然 的p a p p a d a i 粘土的试验结果。后来又发展了适用于天然土的各向异性弹塑性模 型【4 6 1 。 a a s a o k a 等( 2 0 0 1 ) t 4 7 】1 4 8 】为了考虑结构性土和超固结土的力学特性，把超次 加载面引入到原始的c a m c l a y 模型中。在新的模型中，除了可考虑通常的压缩 硬化和膨胀软化外，还可考虑塑性体积膨胀硬化和塑性体积压缩软化，又研究 了砂土和粘土的体积变化特性【4 9 1 。 m d l i u 等( 2 0 0 2 ) 1 5 0 】对结构性土的特性进行了理论研究，把土的结构影响引 入到修正的c a m d a y 模型中，建立了一个结构性c a m c l a y 模型。 ( 3 ) 考虑结构性土参数的结构性土模型 谢定义等( 2 0 0 1 ) 【5 l 】【5 2 】在分析研究了土结构性对土的力学特性影响的基础上， 提出了结构性的定量化参数一综合结构势，然后，把结构性参数引入到土的变 形本构关系和强度本构关系，得到了以结构性参数为基础描述的土变形一强度 基本规律的本构关系。 肖树芳等( 2 0 0 0 ) t 5 3 】在对海积软土结构性研究的基础上，引入了反映土的结构 连接强度及其受力后变化的结构性参数m ，进而建立了结构性弹塑性模型；又 引入结构因子【5 4 】来描述外荷作用下的微观结构变化，并建立了外荷作用下软土 结构演化模式。 b a b a u d e t 等( 2 0 0 1 ) 5 5 】发展了一个新的模型来预测天然土结构的逐渐破损 过程。在新的破损率中，结构的变化等价于灵敏度的变化，即表示为下式： s = 1 + ( s o 一1 ) e x p 【一矿( 占，) 】 把这一演化率引入到重塑土的本构模型中以反映结构性土的特性。 m d l i u 等( 2 0 0 0 ) 【5 6 吲入结构指数s 来反映结构性和结构性的破损过程对压 缩曲线的影响建立了原状土压缩过程中的结构破坏模型，得出原状土压缩过程 7 第一章绪论 中，由士体结构性支撑的相对于重塑土的附加孔隙比与当前平均有效应力成反 比，并绘出了结构性土的应力应变关系，以此求取结构性土的常规一维原始压 缩蓝线特性，然后，推广到硬粘土、裂隙猫土和粘质页岩中去来求取原始压缩 曲线【5 7 1 。 上述土结构性的研究成果表明主体结构性对其压缩特性、变形特性、强度 特性等各方面都产生显著的影响，不少学者也将这种影响引入了本构模型的讨 论中。然焉体结构性表现出极强的地域性和应力历史的依赖性，所以需要对 不同区域土体的结构性做更深入、系统的试验研究，分析其个性中所体现的共 性，并将这种影响更准确地引入本构模型中以用于更广泛地满足不同区域工程 建设的需要。 1 3 本文任务与研究内容 由于我国对于糙性土结构性的研究开展的深度秘广度的原鼹，在工程应用 中，人们可能对舆有结构性的正常压密土与超固结土混淆，这种混淆可能会导 致采用不同的工程措施，因此本文不仅定性，还将定量地对结构性粘土的性状 进行研究帮评价。研究成果对于实际的工程应用具有重要的指导意义。针对上 海地区的粘性土，本文开展了如下工作： ( 1 ) 系统懿纳了天然粘土送缩睦线的基本特点和原状结构性糕土酶力学牲凄。通 过上海地区粘性土的室内试验，结合系统收集的国内和国际上经典结构性粘性 土的试验结果，提出对于转折屈服应力的关键点和关键区域，以及原位压缩曲 线的确定方法。 ( 2 ) 系统归纳了重塑粘土的压缩曲线的基本特点和力学性质。通过制备重塑土样 并进行室内试验，对重塑粘土的蘧缩蓝线的形状和力学性质开展较为深刻的研 究。在此基础上，绘制粘性土的固有压缩曲线i c l ( i n t r i n s i cc o m p r e s s i o nl i n e ) 并 硒究其性质。 ( 3 ) 通过对原状结构性粘土与重塑粘土的压缩曲线性状的对比，研究上海地区粘 性土的结构性与土体沉积特征之间的关系以及粘性土的固有性质。 ( 4 ) 统计了上海地区粘性的工程勘察资料，对上海地区粘性土的原位含水量与 埋深之间进行了定量评价，并绘制沉积压缩曲线s c c ( s e d i m e n t a t i o nc o m p r e s s i o n c u r v e ) 。通过对s c c 以及原状土与重塑土瑟缩益线之对吃。缀合前面昀工作， 3 第一章绪论 对上海地区粘性土的结构性做出评价。并探讨其工程应用性。 9 第二章土的结构性研究的基本理论 第二章土的结构性研究的基本理论 土的物质组成是土存在的物质依据，而结构、构造则反映了土物质的存在 形式，即物质成分间的连结特点、空间分布和变化规律。一般地，土的结构指 的是微观结构，借助于光学显微镜和电子显微镜对实体扫描放大数千倍所鉴定 到的细节。而土的构造是指整个土层( 土体) 空间构成上特征的总和，它们借 助于肉眼或放大镜可以鉴别，也可以说是土的宏观构造。 2 1土的结构 土的结构是指组成土的土粒大小、形状、表面特征、土粒间的连结关系和 土粒的排列情况，其中包括颗粒或集合体问的距离、孔隙大小及其分布特点。 土的结构是土的基本地质特征之一，也是决定土的工程性质变化趋势的内在依 据。土的结构是在成土过程中逐渐形成的，不同类型的土，其结构是不同的， 因而其工程性质也各异。土的结构与土的颗粒级配、矿物成分、颗粒形状及沉 积条件有关。 2 1 1 土粒间的连结关系 土中颗粒与颗粒之间的连结主要有如下几种类型1 5 8 j ： ( 1 ) 接触连结，是指颗粒之间的直接接触，接触处基本上没有粘粒和无定形 物质，接触点上的连结强度主要来源于外加压力所带来的有效接触压力。这种 连结方式在砂土、粉土中或近代沉积土中普遍存在。 ( 2 ) 胶结连结，是指颗粒之间存在着许多胶结物质，将颗粒胶结连结在一起， 一般其连结较为牢固。胶结物质一般有粘土质，可溶盐和无定形铁、铝、硅质 等。可溶盐胶结的强度是暂时的，被水溶解后，连结将大大减弱，土的强度也 随之降低；无定形物胶结的强度比较稳定。 ( 3 ) 结合水连结，是指通过结合水膜而将相邻土粒连结起来的连结形式，又 叫水胶连结。当相邻两土粒靠得很近时，各自的水化膜部分重叠，形成公共水 化膜。这种连结的强度取决于吸附结合水膜厚度的变化。土越干燥则结合水膜 1 0 第二章的结构性研究的基本理论 越薄，强度越高；水量增加，结合水膜增厚，粒间距离增大，则强度就降低。 这种连结在一般粘性土中普温存在。 ( 4 ) 冰连结，是指含冰土的暂时性连结，融化后即失去这种连结。 2 。1 2 的结构类型 r ) 巨粒土与粗粒土的结构类型 臣粒土与糙粒土主要囊粒径大予o 0 7 5 m m 的土粒所组成。由于其鬏粒比较 粗大，土粒间的分子引力相对很小，粒间几乎没有连结，或者连结很弱，单一 颗粒相互堆砌在起形成单粒结构( 图2 。1 ) 。这类土的性质主要取决于粒大小 和排列的松密程度。根据颗粒排列的紧密程度不同，单粒结构还可以分为松散 结构和紧密结构两种类型。松散结构的工程性质较紧密结构要差。在臣粒土和 砾类土中，由于粗、细颗粒含量的不同，因而具有不同的结构形态。著粗粒物 质含量高，相互间直接接触，而细粒物质充填在其孔隙中，称之为粗石状结构【图 2 2 ( a ) 】；若粗粒物质含量低，被包围在缨粒物质中闻两不能直接接触，剃称之为 假斑状结构【图2 2 ( b ) 】。粗石状结构的土具有较高的强度，而其透水性则取决于 粒闻孔隙的充填程度及充填物的性质。假斑状结构土的性质主要取决于组成 的细粒物质的特点。 辩秭瓣 图2 1 土的单粒结构 国松数结梭；c o ) 紧密结构 图2 2 巨粒土、砾粒土的结构 ( a ) 粗石状结孝；渤假斑状结构 ( 二) 细粒土的结构类型 缨粒土颗粒缨小，粒径小于o 0 7 5 m m 。在水中一般都不能以单个颗粒沉积， 而凝聚成较复杂的集合体进行沉积，形成细粒土特有的团聚结构。因为它的形 状像海绵或蜂窝，所以也称海绵状结构或蜂窝状结构。 第二章土的结构性研究的基本理论 细粒土的团聚结构按土粒均匀与否可分为均粒和非均粒两种类型。均粒团 聚结构又分为蜂窝状和絮状结构。蜂窝状结构是粒径一般为0 0 2 - 0 0 0 2 m m 的土 粒在水中下沉时相互连结形成的【图2 3 ( a ) 1 。絮状结构是粒径一般小于o 0 0 2 m m 的土粒在水中凝聚形成的 图2 3 c o ) 。非均粒团聚结构是由粉粒和砂粒之间充满 粘粒团聚体所形成的结构【图2 3 ( c ) 】。 l 哟 图2 3 细粒土团聚结构示意图 ( a ) 蜂窝状结构：c o ) 絮状结构：( c ) 非均粒团聚结构 团聚结构不稳定，易受外界影响而发生变化。如受压缩、剪切、加热、干 燥、浸湿等作用以及水溶液的离子成分、浓度、p h 值等变化的影响，都可以使 结构发生变化而引起土的性质变化。 近些年，国内外许多研究者对细粒土，尤其是粘性土的微观结构进行了大 量的研究，并取得了一定的进展，但分类命名极不统一。对于细粒土微观结构 的分类命名，主要考虑三个方面的内容，即能够发挥独立作用的基本单元体( 包 括碎屑颗粒和包裹粘土微粒的颗粒) 、基本单元体之间的结构连结、孔隙与颗粒 的排列特征。这三方面的内容常称为土结构的三要素： ( 1 ) 能够独立发挥作用的基本单元体。对粗粒土而言，基本单元体是由原 生矿物组成的碎屑颗粒，而细粒土则是由许多微碎屑和粘粒胶结而成的集合体。 基本单元体也简称为土粒。 ( 2 ) 孔隙与颗粒的排列特征。由于沉积速度的不同、沉积环境的差异，不 同性质的基本单元体的排列方式不同，由此形成的孔隙数量、大小和孔隙的形 状是不同的，这对土的工程性质有重要影响。 ( 3 ) 基本单元体间的结构连结。必须指出的是，物质成分内部各质点之间 的连结和基本单元体内部各成分之间的连结( 如集合体内部的连结) 与基本单 1 2 第二章的结毒句性研究的基本理论 元体之间的连结是不同的，它们属于不同的层次，不能混淆。事实上，当外部 蘅载超过某一界限时，土结构的破裂面总是通过强度比较低的基本单元体闻的 连结部位。所以，决定天然土结构强度和工程性质的，主要是基本单元体之间 的连结。 2 1 3 土体结构的不同形态 l e r o u e i le ta 1 ( 1 9 8 4 ) 【瑚指出主体的结构缝是土体受沉积作用、荷载等经历的 一种结果体现；从这个意义上来讲，任何土体在任何状态都具有其相应的“结 构性”。同时，提凄了土体结构四种不同的状态，分别必土体的原位状态、结构 性损伤状态、重塑状态以及再沉积状态。 ( 1 ) 原位( 未扰动) 状态( i n t a c ts t a t e ) l i p 体沉积的天然状态，是复杂的成老过程 ( 包括沉积环境、圆结、侵蚀、触变硬化、淋溶以及风化等) 的结果； ( 2 ) 结构损伤状态( d e s 仃u c t u r e ds t a t e ) ，土体发生一定的体积或剪切变形，其原 有酶天然结构穗应损伤； ( 3 ) 重塑状态( r e m o u l d e ds t a t e ) ，土体受到足够大的荷载结构发生完全破坏，此 时土体强度降至最小值，帮重