结构性粘土的研究现状与发展趋势

结构性粘土的研究现状与发展趋势

1结构性土研究土壤的内部结构是指土壤中颗粒和颗粒之间的状态、排列形式（或称为组结构）和颗粒之间的相互作用。必须说，土壤具有一定的结构特征，尤其是天然土壤的结构特征对土壤特性有很大影响。目前对于重塑土的研究已可在一定程度上满足工程的需要，但结构性土的研究在试样制备、试验方法、土工特性和应力-应变关系的描述等方面都很不成熟。本文主要是针对结构性粘土的微观机理、试样的制备、土工特性和数学模型的研究进展进行叙述。2土体结构的特征模型土的微结构概念最早由Terzaghi(1925年）使用，W.L.Kubiena(1938年)给微结构以确切的定义，他用组构一词描述土的基质和骨架的排列及其相互关系，R.Brewer(1964年)提出了土结构或构造，指出形成复合颗粒的基本颗粒和复合颗粒本身以及相应的孔隙的大小、形状和排列所表现的土的物理构成。后来人们发现土粒间存在着多种联结形式，Raymond,Tuncer和Kutay(1975年)认为，组构为颗粒排列的几何特征，而结构包括组构与相邻颗粒间的相互连接力。比较公认的观点是，土的结构指土粒本身的形状、大小和特征，土粒在空间的排列形式、孔隙状况及粒间接触和联结特征的总和。胡瑞林认为，土的微结构主要包括结构单元体特征、颗粒的排列特征、孔隙性和结构连接。施斌认为，土结构的具体内容包括了以下三个方面(1)形态学特征，指结构单元体的大小、形状、表面特征及其定量的比例关系；(2)几何学特征，指各单元体在空间上的排列状况；(3)能量学特征，指各单元体间的连接特征。中国在20世纪80年代初期召开了关于土和土体结构工程特性学术讨论会，高国瑞对细粒土结构进行了术语、概念和分类命名的研究，蒋国澄研究了粘性土的结构稳定性及某些特殊土的性状。土体结构性本构模型的建立已成为21世纪土力学的核心问题，胡瑞林、王思敬等提出了土体微结构力学的“概念·观点·核心”，指出了微观结构力学体系形成的3个阶段：结构量化阶段、结构力学效应分析阶段和结构性本构模型建立阶段。同时，结构性土样制备技术对研究结构性土也非常关键。2.1材料土土体莫斯科大学率先研制结构性土样制备仪器。之后，李生林、吴义祥等相继开发了结构性土样制备装置(冷冻真空升华干燥仪)，使得土体的结构图像能较客观地反映土体的原始结构。此外，蒋明镜等通过在原料软土中掺入冰粒和微量水泥，人工设定化学胶结作用和大孔隙组构来模拟天然粘土的结构性，谢定义等和胡再强等也采用相似方法人工制备了结构性土。施斌发展了冷冻刀切干燥技术。陶秀珍在均质粉状高岭土中掺入添加剂，制备具有化学胶结作用的试样，模拟海成粘土的化学胶结作用。2.2土体微结构的表征这一工作已经取得了重大进展，文献对此做了详细综述。目前土的微结构形态量化信息提取的方法如下：直接手段包括(1)压汞→孔隙的大小和数量(2)气体吸附→孔隙大小；间接手段包括(1)X射线衍射→定向性(2)电弥散法→孔隙性(3)磁化率法→定向性(4)渗透性法→各向异性度(5)声波法→各向异性度(6)偏光显微光度法→定向性(7)计算机图像分析→可获得结构图片上的所有结构信息。近期采用了无损伤探测土体内部结构的CT技术。施斌应用Videolab图像分析系统，并引进了概率熵来反映微观结构单元体排列有序性，对粘性土在击实过程中形成的5种微观结构类型进行了定量评价，同时应用能谱分析技术分析了石灰对膨胀性粘土稳定性的影响。王清等通过SEM图像处理技术，提出了粘性土微结构中结构单元体形态、定向性、孔隙特征等结构要素的定量评价指标。李向全等根据土体具有的非线性特征，运用分形几何理论提出了粒度分维、颗粒定向分维等7项定量表征土体微结构状态的分维指标，发现固结过程中软土微结构要素调整变化具有明显的阶段性。陈嘉欧对珠江三角洲粘性土进行微结构研究，从粘性土的微结构与工程加固效果的相关性进行了初步探索。施斌等、蒲毅彬等、吴紫汪等、李晓军等、LiXiaojun等都应用了CT技术对土体的微结构进行了分析。文献应用分形几何对土的微结构进行了量化，表明可以建立分维数与土微结构的定量关系。同样，文献对粒状材料进行了分形研究，可以得到粒状材料的三维形状信息。由于组构张量(fabrictensors)决定了微观测量分布的方向性，所以，研究并测量组构张量非常重要。C.Y.Ku等应用自动图像分析系统，对组构张量的空间分布进行了研究。A.Anandarajah等基于土不同方向的导电性，间接地测量了颗粒定向性的变化。A.G.Papadimitriou等考虑微结构的影响，引入了组构演化指数，并把这一指数引入到存在的本构模型，通过模拟对比，验证了指数的有效性。为了对微结构进一步的定量，近年来有的学者探讨了用数值方法来模拟微结构，并进行定量的分析。A.Anandarajah应用基于离散元的集合分析技术(assemblyanalysistechnique)对颗粒定向性的各向异性研究表明：宏观的应力-应变关系决定于颗粒束与束之间的接触。J.P.Latham等采用MonteCarloMethod生成了随机的颗粒面接触和空间排列，探讨了颗粒形状等对孔隙的影响。J.Bohac等应用离散元(PFC2D)方法，成功地模拟了颗粒的破碎过程。C.Haynie等数值模拟了1-D和2-D微结构，然后，应用小波变换研究了微结构的尺度效应。2.3胶结土的粘聚力目前，微结构的力学效应研究的不多。雷华阳、肖树芳研究了海积软土的微结构参数与力学强度的关系发现，在不同固结压力作用下孔隙的存在是结构要发生变形的根本原因、孔隙在固结前大，在固结后小。随压力增加孔隙平面分布分维数呈减小趋势，压力增大使孔隙复杂度变小。她们又从微观的角度出发，结合净势能曲线解释了固结曲线上拐点的意义，研究了次固结系数的变化规律。姚海林等利用人工合成的针铁矿胶结高岭土的微观胶结机理和模型，计算了天然针铁矿胶结的贵州红粘土的粘聚力的理论值，揭示了该天然胶结土粘聚力的微观本质。李得福等对某高速路段不同深度的软土样品，以电镜扫描为主要手段，获得其微观结构图像，对该地区土体结构进行分类，同时分析了土体在固结过程中的结构变化规律，结合现场监测资料，研究土体固结机理与微观结构的关系。V.I.Osipov等研究了粘性土触变过程的微结构变化，研究表明：在剪切过程中，微结构的破坏不是由于振动引起的，相反，单元体内微结构会变的更均匀，且由于接触点处的粘聚力的减少，系统的强度会降低。X.Bai等研究了高岭土在固结和剪切过程中的微结构变化，在剪切的早期阶段颗粒束(畴)趋向于水平排列，后一阶段会轻微破坏；同样的试样，通过光微镜观察到，随着应变增加，有的结构特征变的明显，有的变的不明显，也就是说，应变对于微结构变化的影响不相同。D.R.Katti等研究了膨胀土在膨胀过程中的微结构演化规律，采用SEM技术进行微结构分析，膨胀量的增加和由于膨胀引起的膨胀压力降低的同时，颗粒的大小也减少了，这可能归因于粘土颗粒由大的集粒破碎成小的颗粒，膨胀对微结构的重要影响对粘土的变形和水力特性有重要影响。P.Dudoignon等对高岭基质土在剪切过程中的颗粒排列的宏观与微观特性进行了测量，应用光微镜、相关的图像分析技术和SEM表明了颗粒的定向性，并测量了剪切面与邻近基质的孔隙变化，研究得出在三轴剪切试验中，颗粒的排列机理与水的排出、粘土渗透性的各向异性和孔径的弯曲程度有关。3宏、微观相结合的建模思想在我国建立和解文献指出，定量研究微结构变化的每个细节既不可能，也不必要。只要把变形的微观机制搞清楚了，建立宏观模型时充分考虑这些机制，最后结果自然就符合实际。这就是我们主张的宏、微观相结合的建模思想，由此建立的模型不妨称之为结构性模型。目前，结构性对土工特性的影响进行了深入的研究，类似的综述可看文献。3.1土样扰动和模型优化李作勤对有结构强度的欠压密土的力学特性、粘土的压密状态和压密类型作了大量的工作，根据天然荷重对粘土压密作用的有效性，把欠压密土分为两类，即一般压密土和有结构强度的欠压密土，分析了欠压密土的地质条件，讨论了颗粒间固化联结键的成因，指出粘土的“先期固结压力”和“结构屈服压力”具有不同的物理概念，有结构强度的欠压密土，当外荷引起的组合压力超过其“结构屈服压力”时，欠压密土的力学性质便暴露出来。通过定义稳定孔隙比，可以把同一应力状态下孔隙比大于稳定孔隙比的状态称为欠压缩(密)状态，而把孔隙比小于稳定孔隙比的状态称为超压缩(密)状态。李涛等根据土样扰动对土的e-logp压缩曲线的影响，提出了一个能描述受到不同程度扰动土的压缩曲线的数学模型，并据此建立了利用扰动和重塑样压缩试验的结果来估算“不扰动土”先期固结压力pc的方法。王国欣等通过建立数学模型消除结构强度对先期固结压力的影响，从重塑土的角度出发，通过其压缩及回弹曲线求先期固结压力，用作图法确定结构性土不同孔隙比下存在的结构强度，直观地表现了结构性土逐渐破损的过程。3.2压缩性的变化J.B.Burland、沈珠江、张诚厚、龚晓南等、H.Tanaka等和F.Cotecchia等都研究了结构性土的压缩特性。压缩曲线的特点大致为：压缩曲线的初始段很平缓，当压力超过某一值时出现陡降段，并向重塑土的压缩曲线靠近，也就是说，在低于屈服应力的范围内，土的压缩性小，在高于屈服应力的范围内，土的压缩性大，最后与重缩土的压缩曲线相同。J.C.Chai研究结构性粘土发现，对于灵敏度(Sensitivity)大于3的结构性粘土，e与p′的关系用ln(e+ce)-lnp′表达更接近于线性，把这一关系代入到弹塑性模型中可以进行沉降计算。吕海波等研究了结构性对琼州海峡软土压缩特性的影响，讨论了土结构性的存在对工程防波堤地基处理工程效应的影响。房后国等研究了天津海积软土结构强度及其对力学特性的影响。3.3服应力时cv值比较沈珠江、张诚厚、龚晓南等研究表明：在压力低于屈服应力时，Cv值较高且基本为一常数；当接近屈服应力时，Cv值急剧降低，最后趋近于重缩土的Cv值。未扰动土的Cv最高值与最低值之间相差几十倍。3.4天然地基的剪切曲线J.B.Burland、沈珠江、张诚厚、龚晓南等研究表明：由于粘土存在结构性使强度包线呈折线型，与压缩曲线以σpc为界形成性质截然不同的两段类似，天然土的剪切曲线在围压等于σpc前后也有明显的转折。3.5粘土的结构J.B.Burland、沈珠江、张诚厚、龚晓南等、李作勤等研究表明：对结构性较强的粘土，当固结压力高于结构屈服应力时，应力-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-应变关系呈应变软化型。粘土的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；超过初始屈服面时，土体呈塑性。3.6固结应力对孔隙压力的影响张诚厚研究认为，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，孔隙压力才会出现峰值；对结构性较强的湛江粘土，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；固结应力较高时，孔隙压力随应变增大而增大，逐渐趋近于稳定值。沈珠江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。3.7沉降的影响因素张诚厚等研究了软粘土的结构性对路基沉降的影响，表明由于结构性的存在，在沉降计算中必须考虑结构性的影响，并且在施工中注意施工的进度。孙红等通过室内试验，研究了软粘土的结构性及其在受力过程中的损伤特性，并讨论结构损伤对地基瞬时沉降和固结沉降的影响。3.8原位地基的特性张诚厚、J.B.Burland、沈珠江、H.Tanaka等研究了结构性土的现场原位土工特性，原位侧向变位曲线往往呈凸出型，孔压静力触探试验能定性的反映出结构性的变化。3.9显微结构特征胡再强等研究了非饱和黄土的显微结构与湿陷性，黄土湿陷性的内因是黄土的骨架颗粒形态、排列方式、孔隙特征和颗粒胶结形式等显微结构特征；而土体的吸力和非水稳定性胶结力的破坏及由此而引起的水稳定性胶结力和摩阻力的超载，所导致的土体结构破坏，则是黄土湿陷性的外因。3.10各向异性原理张诚厚研究认为，结构强度的各向异性会造成抗剪强度的各向异性。L.Callisto等的研究表明，结构性土真三轴试验结果具有强度各向异性，而常规三轴与真三轴均发现测量的刚度强烈的依赖于应力路径的方向。4结构土壤的数学模型从土力学的发展来看，结构性本构模型的建立有微观模型与宏观模型之分，目前这两种建模思想还没有很好地结合。4.1微结构力学材料模型微观模型的基本思路出自Taylor(1938年）提出的材料中不同方向微滑面上的应力-应变关系。这些关系的建立有2个前提，即微滑面上的应力是宏观应力张量的分量(静态约束)，微滑面上的变形是宏观应变张量的分量(动态约束)。钟晓雄等研究了散粒体的微观组构与本构关系：通过引入微观组构张量和接触密度分布函数，将散粒体的微观力学变量与宏观力学变量联系起来，从而建立了散粒体的本构理论，得到应力-应变的增量关系为施斌等根据土蠕变的速率过程理论、塑性滑动理论和虚功原理，从土的微观结构角度，建立了各向异性粘土蠕变的微观力学模型，给出了模型的数值解，首次确定了粘粒定向分布函数。蠕变的应力-应变关系为式中ηijkm为土体四阶粘滞张量。苗天得等基于微结构突变失稳假说，深入研究湿陷性黄土的变形机理，将体积湿陷与剪切湿陷统一到同一个突变模式，给出了黄土湿陷变形的一个完整本构关系。G.R.Mcdowell等研究可压缩土的微结构力学特性，建立了单个颗粒断裂的微结构力学特性与可压碎集粒体的宏观力学特性之间的关系，应用脆性基质材料考虑断裂的Weibull分布，解释了扁平板之间的颗粒压碎的试验现象。G.T.Houlsby等应用微结构力学模型来建立粘土的屈服面形状，简单模型具有和粘土特性类似的特点，尤其是可以估计由于K0固结引起的各向异性屈服面的形状，及随着应变发展的演化规律。Y.W.Pan等基于微结构力学方法估计了粒状材料的组构。S.Yimsiri等应用微结构力学理论建立了描述土在小应变特性的模型，该模型可以考虑组构各向异性、应力条件和接触特性对小应变模量的影响，求得了各向同性应力条件下各向同性组构时小应变模量的封闭解。G.R.Mcdowell等评述了小应变情况下土刚度的应力依赖性。S.Yimsiri等应用微结构模型分析了土在小应变时刚度的各向异性，对给定的颗粒集合体，建立了5参数的交叉各向异性（cross-anisotropic）弹性材料与微结构变量(组构各向异性、接触刚度、颗粒半径、接触点数)的关系。X.S.Li对非饱和土的有效应力进行了微结构分析。在基本假设的基础上，应用虚功原理，对非饱和土推求出了控制变形和破坏的准有效应力(quasi-effective)。4.2弹塑性损伤模型沈珠江率先从损伤力学的观点出发，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后逐渐破损过程的数值模拟方法。随后，将原先建议的弹塑性损伤模型加以简化，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的探讨。再后来，又提出了一种堆砌体模型，以描述天然粘土变形过程中伴随的结构破坏现象，这一模型把变形过程中的结构性土看作不同大小土块的集合体，总的变形由土块的弹性变形、土块之间滑动引起的塑性变形和土块破碎引起的损伤变形3部分组成，塑性变形用常用的屈服函数描述，损伤变形则引入一种类似的损伤函数加以描述，推导相映的应力-应变关系。在以上模型的基础上，何开胜等建议了结构性粘土的弹塑性损伤模型，可用于结构性粘土的工程计算和流变预测。赵锡宏等以热力学理论为基础，考虑到内变量理论，提出了考虑各向异性损伤的能量指标概念，构造势函数，建立损伤的演化方程，进而建立软土的弹塑性各向异性损伤力学模型。4.3巷道岩体结构材料特性分析沈珠江等首次提出了岩土破损力学的基本概念、目标和任务，并建立了一种理想的脆弹塑性模型，在分析理想固体特性的基础上研究了二元介质模型的特性，并应用于黄土与超固结粘土的特性分析。岩土破损力学的研究对象为具有结构性的天然岩土材料，其主要目标是通过数值分析模拟这类材料在工程背景下的变形和破坏过程，特别是挖方条件下的破损过程。基于结构性岩土材料是由于胶结力空间分布的不均匀性而形成的非均质材料，岩土破损力学把结构性岩土材料抽象成由胶结强的结构块和无胶结的软弱带组成的二元结构体，变形过程中胶结块逐步破损并向软弱带转化。随后，又在非均质材料的均匀化理论的基础上，推导了岩土二元介质模型的增量型一般应力-应变关系。4.4修正cm-clay模型Cam-claymodel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土的本构模型。饶为国等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，通过引入土体结构性影响因子——综合结构势，建立了一个可以考虑结构性影响的土体本构模型。M.Kavvadas等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(MSS)，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，且模拟了天然的Pappadai粘土的试验结果。后来又发展了实用于天然土的各向异性弹塑性模型。V.Sivakumar等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Cam-clay土参数确定，应用天然粘土对模型进行了检验。A.Asaoka等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Cam-clay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。M.D.Liu等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Cam-clay模型中，建立了一个结构性Cam-clay模型。如果土无结构或者因加荷结构完全破坏，则该模型退化为修正Cam-clay模型。为描述土的结构性的影响引入了3个结构参数，模型用于压缩和剪切试验中结构性土特性的预估，结果证实该模型可以定性地和定量地反映结构性土的许多特性。4.5外荷作用下的结构演化模式谢定义等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——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——强度基本规律的本构关系。肖树芳等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.Baudet等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+(s0-1)exp(-kf(εp))，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.Liu等引入结构指数s来反映结构性和结构性的破损过程对压缩曲线的影响，并给出了结构性土的