（岩土工程专业论文）原状黄土的应力路径本构关系研究.pdf

摘要 论文题目：原状黄土的应力路径本构关系研究 学科专业：岩土工程 研究生：何军芳签名： 指导教师：陈存礼高工签名： 摘要 在不同的岩土工程建设中，土体要经历不同的应力路径。应力路径对土体的应力应变 关系有着显著的影响，而目前工程设计中大多采用常规试验得到的参数，对原状黄土的不 同应力路径本构关系的研究还较少。因此，研究考虑应力路径影响的本构关系具有重要的 理论和实际意义。为此，本文以西安黄土作为研究对象，在对其进行不同应力路径试验的 基础上，建立了原状黄土的应力路径本构关系。 首先，在常规三轴应力路径、等r l ( 五个不同的r l 值) 和等p 应力路径三类应力路径 下，对不同含水量的原状黄土和重塑黄土进行了大量的三轴排水剪切试验( 包括卸载再加 载试验) ，研究了原状黄土和重塑黄土在不同应力路径下的变形强度特性，分析了应力路 径、结构性不同以及含水量、球应力p 、应力比，7 的大小不同对其变形强度特性的影响， 得到了一些规律性的认识。研究结果表明，等，7 应力路径下无卸载体缩现象，而常规和等 p 应力路径下皆存在卸载体缩，且等p 应力路径比常规三轴应力路径下的卸载体缩要显著 一些；应力路径、结构性、含水量皆对黄土的变形强度特性有较大的影响，但其强度特性 指标基本不受应力路径的影响。 其次，通过对试验资料的进一步分析，得到了等r l 应力路径下体应变、偏应变与球应 力p 的关系，等p 应力路径下体应变、偏应变与偏应力比，7 的关系以及卸载体缩与偏应力 比叩的关系。并以无结构性的饱和重塑黄土的体应变关系为基础，分别引入了反映原状黄 土结构性影响的结构性体应变差值，对原状黄土的体应变与球应力p 、偏应力比叼的关系 进行了定量描述。 最后，根据等r l 和等p 应力路径试验结果，考虑应力的交叉影响，将任意应力路径分 解为若干个等球应力p 微元和等应力比，7 微元，分别建立球体应变增量d 。与球应力增量 和的关系、偏体应变增量d 。与应力比增量d 叩的关系、球偏应变增量d 。与球应力增量 咖的关系、偏偏应变增7 星d e 。与应力比增量d 叩的关系，得到了能够反映应力路径、结构 性、卸载体缩等特性的原状黄土的应力路径本构关系，并用此本构关系计算了常规三轴应 力路径下的应力应变关系，计算结果与试验结果吻合较好。 关键词：原状黄土含水量三轴试验应力路径结构性本构关系 西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：r e s e a r c ho nc o n s t i t u t i v er e l a t i o no fi n t a c tl o e s s c o n s i d e r i n g c o m p l e xs t r e s sp a t h m a j o r ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：h e j u n f a n g s u p e r v i s o r ：c h e nc u n l i a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： d i f f e r e n ts t r e s s p a t h sm a yb eu n d e r g o n eb ys o i l m a s si nd i f f e r e n t g e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n s t r e s s s t r a i nr e l a t i o no fs o i lm a s si si n f l u e n c e db ys t r e s sp a t h e v i d e n t l y b u ta tp r e s e n t ，t h ep a r a m e t e r sd e t e r m i n e db yc o n v e n t i o n a lt r i a x i a lt e s ta r ca d o p t e di n m a n ye n g i n e e r i n gd e s i g n ，t h e r ei s af e ws t u d i e so nc o n s t i t u t i v er e l a t i o no fi n t a c tl o e s s c o n s i d e r i n gc o m p l e xs t r e s sp a t h s o ，t h er e s e a r c ho nc o n s t i t u t i v er e l a t i o no fi n t a c tl o e s s c o n s i d e r i n gc o m p l e xs t r e s sp a t hi sv e r yi m p o r t a n ti nt h e o r ya n dp r a c t i c e t h e r e f o r , i nt h i s p a p e r , b a s e do nd i f f e r e n ts t r e s sp a t h st e s t st ox i a ni n t a c tl o e s s ，t h ec o n s t i t u t i v er e l a t i o no fi n t a c t l o e s sc o n s i d e r i n gc o m p l e xs t r e s sp a t hi si s t a b l i s h e d f i r s t l y , m a n yt r i a x i a ld r a i n e ds h e a rt e s t s ( i n c l u d i n gu n l o a d i n g - l o a d i n gt e s t s ) f o ri n t a c ta n d r e m o l d e dl o e s sw e r ec o n d u c t e du n d e rc o n v e n t i o n a lt r i a x i a ls t r e s sp a t ha n de q u a l ，7 ( 5 d i f f e r e n t r v a l u e ) a sw e l la se q u a lps t r e s sp a t h t h ed e f o r m a t i o na n ds t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i c su n d e r d i f f e r e n ts t r e s sp a t h sa l es t u t i e d t h ei n f l u e n c eo fs t r e s sp a t h ，s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i ca n dw a t e r c o n t e n t ，s p h e r i c a ls t r e s sp ，s t r e s sr a t i or t ot h ed e f o r m a t i o na n ds t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i c sa r e a n a l y s i e d t h er e s e a r c hr e s u l ts h o w st h a tt h ep h e n o m i n ao fu n l o a d i n gs h r i n k a g ed o e s n te x i s t u n d e re q u a l r s t r e s sp a t h ，b u ti te x i s t su n d e rc o n v e n t i o n a lt r i a x i a ls t r e s sp a t ha n de q u a lp s t r e s sp a t h t h ep h e n o m i n ao fu n l o a d i n gs h r i n k a g eu n d e re q u a l ps t r e s sp a t hi sm o r ee v i d e n t t h a nt h a tu n d e rc o n v e n t i o n a lt r i a x i a ls t r e s s p a t h ；t h e i n f l u e n c eo fs t r e s s p a t h ，s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c ，w a t e rc o n t e n tt od e f o r m a t i o na n ds t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i ci se v i d e n t ，b u tt h a tt o s t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i ci n d e x si sv e r yl i t t l e s e c o n d l y , d i f f e r e n tp a t t e r n ss t r e s ss t r a i nr e l a t i o n s h i p sa r eo b t a i n e db yf u r t h e ra n a l y s i st o t h et e s td a t a ，w h i c hi n c l u d ev o l u m e t r i cs t r a i ne 节- s p h e r i c a ls t r e s sp ，d e v i a t o rs t r a i n e 印- s p h e r i c a l s t r e s spu n d e r e q u a lr s t r e s sp a t h ，v o l u m e t r i cs t r a i n ，。- s t r e s sr a t i o 叩，d e v i a t o r s t r a i ne s ”s t r e s sr a t i or u n d e re q u a lps t r e s sp a t h ，t h er e l a t i o nb e t w e e nu n l o a d i n gs h r i n k a g e a n ds t r e s sr a t i or o nt h eb a s i so fv o l u m e t r i cs t r a i nr e l a t i o no fs a t u r a t e dr e m o l d e dl o e s sw i t h o u t s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c s ，t h ed i f f e r e n c e o fs t r u c t u r a lv o l u m e t r i cs t r a i nw h i c hr e f l e c t st h e 2 摘要 i n f l u e n c eo fi n t a c tl o e s s ss t r u c t u r ei si n t r d u c e ds e p a r a t e l y t h er e l a t i o n s h i p so fi n t a c tl o e s s s v o l u m e t d cs t r a i n - s p h e r i c a ls t r e s spa n dt h ev o l u m e t r i cs t r a i n s t r e s sr a t i or a r ep r e s e n t e d l a s t l y , c o n s i d e r i n gt h ec o u p l i n go fs p h e r i c a ls t r e s sa n dd e v i a t o rs t r e s s t od e f o r m a t i o n ， b a s e do nt h er e s u l to fe q u a lr t e s ta n de q u a lpt e s t ，r a n d o ms t r e s sp a t hi sd e c o m p o s e di n t o s o m ed i f f e r e n t e q u a lp u n i ta n d e q u a lr u n i t ，t h e r e l a t i o n sw h i c hi n c l u d e d 巾勿，d e ，一d r l ，d e 印一勿，d ，叩一d r l a r ee s t a b l i s h e ds e p a r a t e l y t h ec o n s t i t u t i v er e l a t i o no f i n t a c tl o e s si so b t a i n e dw h i c hc a nb e u s e dt oc o n s i d e rc o m p l e xs t r e s s p a t h ，s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c ，u n l o a d i n gs h r i n k a g ee t c t h er a t i o n a l i t y o ft h i sc o n s t i t u t i v e r e l a t i o n s h i p i s c o n f i r m e db yt h ea g r e e m e n to ft h es t r e s s s t r a i nr e l a t i o nu n d e rc o n v e n t i o n a lt r i a x i a ls t r e s sp a t h c a c u l a t e du s i n gt h i sc o n s t i t u t i v er e l a t i o n w i t ht h a tt e s t e d k e y w o r d s ：i n t a c tl o e s s ；w a t e rc o n t e n t ；t r i a x i a lt e s t ；s t r e s sp a t h s ；s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c ； c o n s t i t u t i v er e l a t i o n 3 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：4 1 丑壹苎加，年；月彬日 学位论文使用授权声明 本人鱼专壹在导师的指导下创作完成毕业论文。本人己通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，强p ：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：4 墨叠蓦 导师签名： 位左剑 刀矿脾 月冲日 笫1 章绪论 1 绪论 1 1 引言 随着我国经济的发展，各类地上和地下建筑物的工程建设项目正在进行。如各个城市 的地铁建设、各种地下洞室工程、作为交通工程的高速公路、高速铁路建设工程以及水利 工程等都在蓬勃的发展。由于“空中楼阁 的建设是不存在的，与岩土相邻是它们最终的 归宿。因此，各种工程建设都有与岩土工程密切相关的部分。各种各样的工程的实施使得 土体经历不同的应力路径，使土体表现出不同的变形和破坏特性。而众多研究表明，应力 路径对土体的应力应变关系有着显著的影响。目前，岩土工程的设计常采用室内常规三轴 试验所得的力学指标，而常规三轴试验是一种特定的应力路径试验，这和许多工程的实际 情况难以相符，将特定的应力路径下测得的力学指标应用于不同应力路径下的实际工程当 中的时候，必然使得设计计算与实际情形产生较大的差异，工程事故因此也时有发生。对 于此类问题的解决急需能够反映不同应力路径影响的本构关系的出现，以便为实际工程问 题的解决提供一定的理论依据。因此，研究不同应力路径下的土的力学性质不仅具有一定 的理论意义，还具有重要的现实意义。 随着西部大开发的推进，西部岩土工程建设也在迅猛发展。而西部大部分地区为黄土， 黄土具有明显的结构性和水敏性，这些特殊的性质以及应力路径对黄土工程性质的影响又 使得这些工程设计变得更为复杂。为了更好地解决这些工程建设问题，有必要针对应力路 径对黄土力学性质的影响作进一步的研究和探索。 本章将主要针对应力路径对土的变形及强度特性的影响，黄土的特征及其强度和变形 特性，黄土本构关系的研究现状予以介绍，进而提出本文的研究思路和研究方法。 1 2 应力路径对土的变形以及强度特性影响的研究 土体单元在经历外部荷载作用时，都要经历应力状态和应变状态的变化。近代土性研 究和非线性土力学的发展已经表明，土的力学性质不仅取决于土体的最初和最终的应力水 平和应力状态，而且与应力与应变状态变化的方式及此前的应力或应变历史有关。应力路 径( 或应变路径) 就是对这一历史过程的描述，它指的是在外部荷载作用下，土中某点的 应力( 应变) 状态的变化在应力( 应变) 空间中的轨迹。对应力路径知识的提出和研究， 表明人们了解到了土体具有非线性的本质并采取相应的研究方式，是非线性土力学内容趋 向丰富的表现之一。应力路径分析方法已日益为岩土工程界所了解和掌握，发展同趋成熟， 除可加深对土的基本性质的了解还逐步应用在工程实践中，发展并产生了应力路径分析和 设计方法。可见，应力路径方法已成为人们认识土性、发展土力学理论、为实践服务的有 效工具。 在实际的工程建设当中，由于工程建设的性质、施工方法等的不同，都会引起一定范 围内岩土体应力状态的改变，从而使土体经历不同的应力路径，其力学性质因此而发生显 著的变化，其失稳、破坏的形式也有很大的差别。例如：在基坑开挖中，开挖区的土体被 西安理工大学硕士学位论文 移走，坑壁水平同作用荷载和坑底竖向作用荷载被卸除，使得坑壁经历水平向的卸载、坑 底经历竖向荷载，两者经历的应力路径不同而表现出不同的变形及破坏方式，出现坑壁侧 向位移、坑底土体隆起的现象；在边坡开挖中，有天然边坡削坡和路堑边坡开挖之分。前 者在自然营力作用下已有一次临空面水平向荷载卸除，工程边坡施工过程中往往是坡底和 坡脚进一步开挖。两者所经历的应力状态的改变显然不同。路堑边坡的形成与基坑开挖相 似，按平面问题分析，边坡中土体单元应力路径与基坑壁的相似，也是水平向卸载，只是 削坡开挖中还有显著的主应力轴旋转；在洞室开挖中，洞壁形成了新的临空面，洞内原有 土体传递的竖向、水平向荷载全部转移到洞周土体中，洞周土体单元沿径向传递的压应力 明显减小，同时主应力轴发生了较大地旋转。 应力路径对土体的变形和强度特性有明显的影响，国内外许多学者对不同应力路径下 土体的变形强度特性进行了研究。l a m b en 一1 阐述了应力路径方法，并就工程中如何考 虑应力路径的影响提出了具体的步骤。刘国彬3 1 根据大量的应力路径试验，特别是模拟 基坑开挖和软土隧道施工过程中的应力路径，得出了上海地区的几种典型软土的卸荷变形 模量与应力路径的关系表达式。张于龙模拟边坡开挖过程的土体应力应变特征，利 用膨胀土原状土样在室内进行了平面应变状态下的等主应力比卸载试验研究。孙淑贤1 对基坑开挖引起地基土应力状态和地下水状态改变给土压力计算所带来的影响进行了分 析，提出了应采用侧压减少试验和卸载试验方法确定的强度指标来计算主、被动土压力， 并提出了考虑地下水渗流影响的土压力计算方法。向大润6 1 用山西省曲峪水坠坝的坝坡 料做了等应力比排水试验，认为土的应力应变关系可以适当地归一化，在整理试验资料的 过程中，比较成功地采用了两种新的拟合函数，并建立了广义剪切应变f 。，体积应变占， 与平均正应力p ，广义剪应力q ，应力比r 的经验关系。吴宏伟、施群7 1 介绍和讨论了微 裂硬粘土中l o m 深基坑附近的有效应力变化，比较了现场观测到的应力路径和室内试验得 到的应力路径。发现连续墙前的有效应力路径与室内不排水伸长试验的应力路径相同。杨 光霞阳1 对深基坑土参数试验方法进行了研究，分析了选择试验方法时的各种影响因素， 指出对卸载问题采用不固结不排水试验指标偏于不安全。徐光明阳1 用应力路径仪对击实 粘土做了几种应力路径试验，认为应力路径对内摩擦角基本上没有影响，利用常规三轴试 验测定内摩擦角是可行的，应力路径对击实粘土的变形影响的趋势是明显的。陆士强n 们 从应力历史和应力路径的观点出发，在大量的砂土排水试验基础上，对等围压条件下轴向 压缩和拉伸两类试验的应力应变双曲线关系随固结路径的变化规律进行了讨论，所建立的 侧向应变与轴向应变间的关系能够对三轴试验中的体积变化进行符合试验情况的描述。潘 韶湘等1 1 对面板坝垫层料用大型三轴仪进行了等k 应力路径试验，认为对粗粒料而言， 应力路径对强度特性的影响不大，但对应力应变特性影响显著。周健1 明基于h v o r s l e v 强度理论，以卸载前应力状态为基准，推导了软土等向卸载后，土体处于类似超压密状态 时卸载土体强度与卸载前正常固结土强度之间的关系：采用太沙基一维固结理论，编制了 内嵌固结计算的修正剑桥模型程序，分析不同卸载量、不同卸载固结时间、不同卸载级数 2 第1 章绪论 对强度的影响。s i l c h e n gr o b e r tl ou 3 1 对粒状土进行了等应力增量比应力路径试验，将 r o w e 剪胀方程和剑桥模型的能量方程联合相差一新的方法预测等应力比应力路径的应力 应变关系。李广信、武世锋n 指出在土的三轴试验中卸载体缩现象普遍存在，卸载体缩 随着围压的增加呈下降趋势，在不同密度下卸载体缩的现象和机理不同。何世秀、韩高升 u 钉对武汉地区某深基坑工程的2 0 个粉质粘土原状饱和试样在l ( o 状态下进行不排水卸载 试验，对其应力应变关系进行分析研究。汪中卫、刘国彬“6 1 根据基坑开挖工程的特点， 通过采用反映土的应力历史及应力路径的卸载模量，并引入反映地铁深基坑实测变形规律 的经验公式，在此基础上进行考虑变形与卸载等多种因素的土压力计算，并与工程实测值 进行了对比分析。朱百里n 用粉质粘土进行了不同l ( o 固结的等k 应力路径试验，确定 修正剑桥模型参数，用于深基坑开挖分析计算。黄质宏、朱立军、廖义玲等m 1 采用不同 应力路径试验以模拟红粘土土体在实际受荷过程中的应力一应变过程，研究结果表明，在 工程实践中应根据实际的受力情况、应力状态来确定相应的应力路径，以正确、合理地测 定红粘土的力学参数。刘元雪、施建勇、伊颖锋n 通过对原状土与重塑土多应力路径的 实验结果比较，揭示了原状土体从小应变到大应变的特殊力学特性及应力路径的影响。张 文慧、王保田1 通过各向等压固结轴向加载三轴压缩试验和等应力比固结侧向卸载三轴 试验获得的土体变形参数，对一个工程实例进行了有限元分析，分析结果表明：等应力比 固结侧向卸荷三轴试验获得的土体变形的计算结果与实测资料比较吻合。孟凡丽、樊良本 乜通过大量的室内模拟试验，对卸载状态下的软粘土的抗剪强度进行研究，得出了卸载 土体抗剪强度值与卸载后上覆压力的关系；并用卸荷比尺和强度残留率厂r ，来研究影响卸 荷土体抗剪强度损失的因素；同时研究了卸荷后滞留时间对卸荷土体抗剪强度损失的影 响。发现卸载土体的抗剪强度的损失受卸荷比的影响很大；土体在卸载滞留时间延长后的 初期对抗剪强度的损失影响显著，而中后期对其影响并不显著。刘恩龙、沈珠江“2 1 针对 应力路径对结构性土力学特性的影响进行了研究，共进行了不同固结应力状态下常围压、 减小围压和增大围压时施加竖向应力直至土样破坏的固结排水和固结不排水三轴试验。得 出不同应力路径和排水条件下，结构性土表现出不同的应力应变特性和孔压特性，不同应 力路径下的结构性土表现出相似的强度包络线。何世秀、余益贤、吴刚刚2 3 1 应用武汉地 区有代表性的原状粉质粘土，模拟基坑开挖中的几种应力路径，进行了一系列室内三轴剪 切试验。针对固结不排水强度指标剪阻角驴。，分析应力路径对其影响。胡德金n 4 1 等人研 究了粉煤灰在不同等应力增量比路径下的应力一应变一体变特性，提出了考虑土的应变软 化、剪胀性和应力路径影响的非线性弹性模型。通过与试验及有限元计算结果对比，验证 了模型的适用性。常银生、王旭东协1 等人利用g d s 多功能三轴仪对原状粘性土进行了常 规三轴压缩、减压三轴压缩和等p 应力路径的固结不排水三轴试验，探讨不同应力路径下 粘性土的强度和变形特性，试验表明：不同应力路径下的应力一应变关系都呈曲线形态相 似的非线性应变硬化型。相同应力路径试验得到的有效应力路径形态一致。陈晓琳2 明对 饱和砂土用数值方法建立岩土弹塑性本构模型的方法克服了寻找塑性势函数的困扰，从试 3 西安理工大学硕士学位论文 验中直接提炼岩土的弹塑性应力应变关系。数值建模方法可以任意选择应力路径，并能够 定量地把应力路径的影响反映到本构模型中，为模拟土体中实际发生的应力路径开辟了有 效的途径。赖勇“ 年根据对砂土应力路径的影响的试验结果的分析，小应变下不同应变 的等应变值应力线具有相似的形状，通过刻画等应变值应力线的运动规律，得出了随应力 路径方向变化杨氏弹性模量的变化规律，并对考虑应力路径影响的泊松比进行了研究，建 立了一个砂土在小应变下可以充分考虑应力路径影响的本构模型。周葆春等人托8 1 对应力 路径对重塑粘土本构关系得影响进行了试验研究，结果证实了应力路径对粘土本构关系的 影响是相当大和不容忽视的，而有效平均正应力对应力路径相关性的影响是决定性的。路 德春、姚仰平嚣1 将砂土的任意微元应力路径线性逼近，转变成与其充分接近且易于计算 的等平均应力微元和等应力比微元，计算任意加荷应力路径所产生的塑性应变，并以此为 基础建立了双屈服面的考虑应力路径影响的砂土三维本构模型。通过试验数据的验证表 明，砂土应力路径本构模型可以合理的描述各种应力路径下砂土的变形和强度特性。作者 认为砂土的应力应变曲线具有应力路径的相关性。在相同的起始和最终应力状态下，所经 历的应力路径不同，砂土的应力应变曲线也就不同；如果所经历的应力路径充分接近，其 应力应变曲线也就基本相同，可以利用与其充分接近的应力路径上产生的塑性应变得到。 杨鹏啪1 以杨凌饱和原状黄土作为研究对象，研究了多种应力路径对饱和原状黄土的变形 强度特性的影响，建立了不同固结围压下初始切线模量、抗剪强度与应力路径间关系的统 一表达式，提出了不同应力路径下应力应变双曲线关系表达式中各个参数的确定方法。依 据不同应力路径下饱和原状黄土的三轴试验结果，对排水和不排水条件下在最大强度发挥 面及e x t e n ds m p 面上应力比与应变增量比及应力比与应变比的线性关系拓展应用的可能 性进行了检验。陈存礼、胡再强、王志刚3 对加筋土在常规三轴基础上进行了三种不同 应力路径( ，一c 、p ；c 、r 一c ) 的试验研究，结果表明，不同应力路径对加筋土的应 力应变关系及抗剪强度指标c 有较大影响，但是对其抗剪强度指标够影响不大。 张腾、胡再强、吴兴辉、陈存礼“2 以陕西杨陵非饱和黄土为研究对象，对不同初始含水 率的原状黄土及相应的重塑黄土进行不同应力比下的等应力比加载试验，求取非饱和黄土 在不同应力状态下的综合结构势参数，研究了黄土在等应力比压缩试验状态下的结构变化 特性。结果表明，当初始含水率不变时，应力比的不同( r 一吼o ，) 对黄土的结构性有较 大的影响。 综上所述，以往对于不同应力路径下土的变形强度的研究，主要是针对软土或者无粘 性土，只对于砂土和粉煤灰提出了考虑应力路径影响的本构模型，但针对应力路径对黄土 的变形强度特性的影响的研究较少。而且大部分都局限于应力路径对某些特定的力学参数 或是某方面发展规律影响，反映的是特定的应力路径对黄土变形、强度或者是力学参数的 影响，不能代表任意应力路径的影响，没有将应力路径对黄土变形、强度的影响纳入到本 构关系当中进行考虑。 随着西部大开发的进行，黄七地区的工程建设问题也越来越多，不同岩土工程中土体 4 第1 章绪论 经历的应力路径各不相同、种类繁多。因此，针对任意应力路径影响下的黄土本构关系这 个问题的研究就显得尤为重要。 1 3 黄土的特性及强度变形研究现状 j 1 3 1 黄土的特征汹1 黄土是第四世纪时期的沉积物，主要分布于干旱半干旱气候地区，占国土面积的 6 6 ，自西而东有西北干燥内陆盆地、中部黄土高原、东部山前丘陵及平原三大地区。 其中中部黄土高原是中国黄土分布的中心，该区黄土厚度大，地层完整，形成特殊的塬、 梁、峁特殊黄土地貌。中国湿陷性黄土大部分分布在黄河中游地区，位于北纬3 4 。 4 1 。，东经1 0 2 。 - - - 1 1 4 。之间，西起乌鞘岭，东至太行山，北自长城附近，南达秦岭， 是我国湿陷性黄土典型地区。 对黄土的分类主要有两种，一种是按照其成因特性，另外一种是按照其地质特性。当 按照成因特性将黄土分为风成和水成，黄土的沉积以风力为第一搬运营力，以水力为第二 搬运营力。各种途径所生成的细粒物质，主要是风力从吹蚀区及吹扬区转运到风力减弱的 黄土沉积区，主体沉积成厚层黄土堆积，形成原生黄土。部分原生黄土经过流水、风的多 次搬运沉积到适宜地点，形成次生黄土。 当以地质特征对黄土进行分类时，可分为早更新世黄土( q ，黄土) 、中更新世黄土( q ： 黄土) 、晚更新世黄土( q 。黄土) 和全新世黄土( q 。黄土) ，也可称为午城黄土、离石黄土、 马兰黄土和新近堆积黄土。一般认为，q 。、q ：、q 。黄土或更早的黄土为原生黄土或黄土， 以风成为主。而q 。黄土为次生黄土或黄土状土，以水成为主。 黄土的微观结构由两部分组成：松散结构和密实结构。松散结构的骨架主要由粉粒构 成，粘粒和其它细小颗粒附着于大颗粒表面，起着胶结的作用，土体内部存在着大量的孑l 隙。这种特殊的沉积环境和结构体系决定了黄土特殊的工程性质，如湿陷性和对水的特殊 敏感性等。黄土一般具有以下特征： 颜色以黄色、褐黄色为主，有时呈灰黄色； 颗粒组成以粉粒( o 0 5 , - 一0 0 0 5 m m ) 为主，含量一般在6 0 以上，粒径大于0 2 5 e r a 的颗粒较少； 有肉眼可见的大孔隙和较大孔隙，一般在1 o m m 左右； 富含碳酸盐类，垂直节理发育。 1 3 2 黄土的变形和强度特性阳1 黄土在外荷载作用下，应力与应变性质受到很多因素的制约，如土体结构、密度、含 水量、排水条件、孔隙的饱和度、加载速率、加载历史、当前应力状态等等，因此，在不 同条件下的黄土会表现出不同的变形和强度特性。而且，黄土较强的结构性对其应力应变 关系有着明显的影响。 5 西安理工大学硕士学位论文 在常规三轴加载路径下原状黄土应力应变关系一般呈现为三种类型和五种形式。早更 新世( q 。) 和中更新世( q ：) 黄土的应力应变关系曲线均呈现不同程度的软化型，破坏峰值高， 破坏应变小，峰值前的应力应变关系近似呈直线，峰值后强度软化，土体呈脆性断裂或塑 性破坏：晚更新世黄土( q 。) 和新近堆积黄土( q 。) 质地较松，当湿度较小时仍具有较高的结 构强度，周围压力的大小对其破坏形式有较大的影响。当周围压力小于结构强度时，其应 力应变关系曲线视在剪切过程中土样的剪缩、剪胀情况而呈软化型或弱硬化型；当周围压 力大于结构强度时，在均压固结时土的结构就遭到部分破坏，剪缩现象显著，其应力应变 关系曲线一般呈强硬化型；当周围压力等于结构强度时，在剪切过程中黄土的剪胀、剪缩 现象较小，其应力应变关系曲线一般呈理想塑性。 对于黄土的非线性应力应变关系的数学描述，一般情况下多采用以双曲线应力应变关 系为基础的e u 模型或k - g 模型。如刘祖典等人提出了对四种不同类型，即强硬化型， 弱硬化型、强软化型和弱软化型的原状黄土的应力应变关系曲线，采用幂函数、双曲线、 指数函数、点斜直线等数学模型分别模拟了这几种类型的应力应变关系曲线。这类模型的 参数通常是由常规三轴试验确定出的，即在不同应力路径下都使用了由常规三轴试验得到 的土性参数，而这些土性参数对于不同的应力路径显然不能够通用，当把以常规三轴试验 为基础得到的本构模型应用于土体所经历的不同应力路径的岩土工程中时势必会产生较 大的误差。 黄土的抗剪强度仍然符合库仑定律，由摩擦力与粘聚力组成。摩擦力是土体抗剪强度 的重要组成部分，由土颗粒接触面或颗粒与胶结物质表面上的摩擦产生；粘聚力是非饱和 黄土抗剪强度、结构强度、抗拉强度的主要组成部分，主要由原始凝聚力、加固凝聚力和 吸附凝聚力组成。其抗剪强度指标c 、妒值或c 、妒值的确定与一般粘性土的测试方法相 同，根据工程的实际受力和排水情况，通过直剪仪或三轴仪进行原结构或击实情况的各类 饱和或非饱和剪切试验确定。 1 3 3 黄土的水敏性研究阳卜哪! 黄土的水敏性是指黄土对水的特殊敏感性，即天然低密度下具有明显的高强度和低压 缩性，在一旦浸水或者增湿时会发生大幅度骤降和变形大幅度突增的特性。黄土和黄土状 土是一种天然状态下结构比较强的土质，常处于欠压密状态，弹性变形较小，主要为压密 变形，而压密变形又表现为压缩变形和湿陷变形，而且湿陷变形在浸水后，发展较快，量 也很大，对建筑物有较大的危害性，是位于黄土和黄土状土地基上建筑物的一个重要问题。 黄土对水的特殊敏感性及其在黄土变形、强度和本构关系等力学特性上所表现出来的 影响规律一直是黄土力学特性研究的中心。黄土的变形和强度与含水量的变化有非常密切 的关系，5 0 年代至6 0 年代中期，我国学者对黄土的各项性质开展了大量试验研究，总结 出湿陷性黄土的湿陷变形是压力的函数、湿陷性黄土只有当上覆压力达到湿陷起始压力时 湿陷变形才会显著等一些关于湿陷性黄土的基本理论。张原丁等人曾研究过黄土的湿陷敏 感问题。认为黄土场地的湿陷敏感性是由多方面因素决定的，即与渗透性强弱、应力大小 6 第1 章绪论 及初始湿度有关，也与场地土不同性质土的组合形态有关。张苏民等对湿陷性黄土在增湿 和减湿时强度变形性质进行了深入研究，指出：湿陷性黄土的极限强度是围压和含水量的 二元函数；增湿变形是指黄土在压力作用下变形达稳定后因含水量增加产生的附加变形， 通常所说的湿陷变形是其饱和浸水的特例：湿陷性黄土除有湿陷起始压力外，还有湿陷终 止压力，只有当压力超过起始压力而又不大于湿陷终止压力时饱和浸水才能产生显著的湿 陷变形。研究者通过对不同区域自重湿陷黄土在浸水湿陷过程中的变化规律的研究，发现 它们在产生自重湿陷的敏感程度方面差异较大，建议对湿陷量等级相同但敏感性不同的自 重湿陷黄土应区别对待。钱鸿缙、朱梅、谢爽等人曾对河津黄土地基湿陷变形进行过试验 研究，认为影响自重湿陷敏感性的因素主要有：第一层自重湿陷性黄土的埋藏深度及地质 年代、自重湿陷性黄土层系数刀木和计算自重湿陷量，并且这些因素的影响是模糊的。运 用模糊数学的方法提出了根据自重湿陷敏感性系数来划分自重湿陷性黄土场地的敏感程 度。陈存礼、高鹏、胡再强对不同含水量下的西安、兰州原状黄土进行压缩试验，根据同 一压力下原状黄土与重塑饱和黄土的孔隙比定义一个定量结构性参数m 。，探讨黄土的结 构性参数随压力及增湿含水量变化的特性，用结构性变化特性分析原状黄土增湿变形特 性机制。 除对应力一应变关系有影响外，黄土的水敏性对其抗剪强度影响很大。普遍发展规律 为：随着含水量的增加，黄土的抗剪强度降低，c 和c 随含水量的增大而迅速降低，妒、 妒受含水量变化的影响较小。当黄土的天然含水量低于塑限时，水分变化对强度影响大； 当天然含水量超过塑限时，抗剪强度降低幅度小；而超过饱和含水量时，抗剪强度变化最 小。 综上所述，黄土的水敏性对其变形及强度特性有着重要的影响，因此，黄土的水敏性 是研究黄土的变形及强度特性所必需考虑的特性之一。 1 3 4 黄土的结构性研究3 钉 训 土的结构性从宏观上讲是指土的结构力学效应，即土在受力作用下其结构与力学行为 的相互影响，在力学性质上表现为土体保持原有结构状态不被破坏的能力，结构状态发生 破坏时力学性质发生突变。在微观意义上讲是指土体颗粒和孔隙的性状及空间上的排列状 态，骨架颗粒间的相互作用。从力学角度来考察土的结构性时，对于土骨架来说，更应考 虑土骨架之间的连接特征。若将孔隙看作是反映颗粒排列的一个方面，那么土的结构性就 应该是土中颗粒的排列特征和连接特征。它们是组成土结构性的不可缺少的两个方面。 研究表明，黄土的结构可视为一个由单粒、集粒或凝块等骨架单元共同形成的空间结 构体系。它的单元形态确定了力的传递性能和土的变形性质，它的连接方式( 点接触、面 接触) 确定了土的结构强度，它的 i i e n 方式( 大孔隙、架空孔隙、粒问孔隙) 确定了土的 稳定性。单粒点接触、架空孔隙占优势的结构，湿陷性大；集粒或凝块，面接触、粒间孔 隙占优势的结构，湿陷性小。黄土的结构强度是在黄土的形成过程中形成的，在干旱半干 旱条件下，非饱和黄土形成了明显的柱状节理和大孔隙结构，这种结构以粗粉粒为主体骨 7 西安理工大学硕士学位论文 架，粗粉粒接触点处形成力较强的连接强度。黄土的应力应变关系、孔隙水压力与应变关 系、固结变形等都与黄土的结构性有着显著的关系。土的应力水平对其力学性质的影响表 明了土在受力过程中结构性的变化，土的各向异性也是土结构性的表现。即使是扰动土( 非 饱和) 往往也有一定的结构性。可见，对黄土变形强度特性的研究必须考虑其结构性。 在土力学中，研究土的结构性问题的根本目的在于揭示结构性及其变化的力学效果。 从这个观点出发来考察当代土结构性的基本研究途径有三条，即细观形态学途径、固体力 学途径及土力学途径，下面对这三种研究途径及取得的主要成果分别进行阐述。 a 细观形态学途径的黄土结构性研究 细观形态学途径是从微观角度对土的结构性进行研究，即借助于光学纤维镜、偏光显 微镜、x 一射线衍射等技术手段来研究黄土的微结构。林崇义利用双目放大镜对黄土的连接 特征和受力变形特征进行研究，首次提出黄土的手力破坏时结构的逐渐破坏，土的结构性 是土颗粒的形状、表面特征及相互排列胶结的情况，以及骨架对抗外力一物理、化学、电 作用的能力和强度。高国瑞用扫描电镜对黄土湿陷变形的结构理论进行了深入研究，认为 黄土中存在的架空大孔隙是黄土湿陷性的内因，黄土的湿陷性与微结构类型密切相关。这 些研究成果从微观角度认识黄土结构性的成因以及定性的解释黄土特殊的工程性质具有 十分重要的意义。，但细观形态学方法需要采用复杂的设备，研究结果的代表性差，且很 难寻求一个统一的综合性指标来反映黄土的工程性质，无法考虑土颗粒连接特征的影响， 也就不能全面反映土的结构性，纯粹从微观角度出发对某一个分量的定量研究可能很难在 具体的黄土工程中应用中有所作为。 b 固体力学途径的黄土结构性研究 固体力学途径就是从数学力学的观点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，由此推导和反映土地宏观力学行为。沈珠江用损伤力学的方法来考 虑土的结构性在土受力过程中对应力应变的影响是一种新见解，该理论认为土的变形过程 是土中结构逐渐破损的过程，土从受力变形到破坏的过程是原生结构逐渐破损次生结构逐 渐形成的过程，即从原状土到扰动土的转化过程。在此理论的基础上提出了结构性黄土的 损伤力学模型。虽然固体力学途径提出了解决问题的新思路，具有可以避开直接求取土结 构性的定量化参数的优越性，但它遇到最棘手的问题是水对土的作用，在建立适应不同类 型土地模型时可能面临较大困难，而且确定荷载作用下土地粒度、密度、湿度以及结构的 动态变化中描述土材料变化规律的某种参数也不是一件容易的事，加之它在模拟黄土颗粒 的胶结和排列方面可能遇到较大困难，因此尚未得到广泛应用。 c 土力学途径的黄土结构性研究 土力学途径就是避开求取构成土结构性两个因素及每个因素所包含的内容，直接分析 土的结构性与土的工程性之间的关系。陈存礼等人对不同含水率下的兰州、西安原状黄土 进行压缩试验，根据同一压力下原状、重塑及饱和黄土的孔隙比定义了一个定量结构性参 数，探讨了结构性参数随压力及含水率变化的规律性。研究表明：用结构性参数随含水率 8 第1 章绪论 及压力变化特性来研究结构性对原状黄土的压缩性、湿陷性的影响可以得到良好的规律 性。胡再强等人通过室内侧限压缩试验，对原状黄土和人工制备结构性黄土测定了不同含 水量下的结构强度、压缩曲线、湿陷系数及饱和时的固结系数。从试验得到了非常接近的 结果。试验证明，室内制备的人工制备的结构性黄土来研究非饱和黄土的力学特性是可行 的。谢定义、齐吉琳等人通过对土结构性的机理分析，提出了反映土联结的可稳性和颗粒 排列的可变性两个新的概念，土的结构性强弱，可以用土地联结和排列特征两方面综合反 映，即可以通过可稳性和可变性来反映土的结构势。用扰动、加荷、浸水的方式可以使土 的结构势充分释放出来。用释放结构势的方法求