1、黃土穩定孔隙比原理的試驗研究胡再強1，謝定義1，沈珠江2(1.西安理工大學 水電學院；2.南京水利科學研究院)摘 要：通過對人工制備土樣在充分擾動及飽和情況下進行側限壓縮、三軸剪切試驗及等應力比三軸試驗，驗證和證明了充分擾動飽和黃土存在穩定孔隙比并滿足穩定孔隙比原理，為建立黃土結構性本構模型，揭示黃土結構性對黃土力學特性的影響和作用提供了試驗和理論依據。關鍵詞：飽和黃土；穩定空隙比；穩定狀態原理基金項目：國家自然科學基金資助項目(19772019)作者簡介：胡再強(1964-)，男，陜西周至人，博士，西安理工大學副教授，主要從事黃土力學與工程的研究。黃土是第四紀沉積物，具有不同于同期的其他沉積

2、物的一系列內部物質成份和外部形態特征。黃土的結構性是指黃土顆粒的排列方式和顆粒的膠結形式2，3。黃土骨架顆粒的排列方式是指黃土中孔隙的形態、大小和性質，黃土的孔隙一般有團粒之間的大孔隙架空孔隙和粒間孔隙等6。黃土中顆粒膠結主要是鹽類膠結及粘性膠結。由黃土的壓縮性質、剪切特性、應力-應變關系及黃土所具有的濕陷性質都可以看出黃土具有一定的結構性，即有一定的結構強度4，5。為建立能夠描述結構性黃土的本構模型，揭示黃土結構性對黃土力學特性的影響和作用，必須對充分飽和黃土力學性質進行研究，基于上述觀點，對人工制備土樣在充分擾動及飽和情況下進行了側限壓縮、三軸剪切試驗及等應力比三軸試驗，驗證和證明了充分擾

3、動飽和黃土存在穩定孔隙比并滿足穩定孔隙比原理。1 試樣制備制備充分擾動飽和黃土試樣時，先把風干的原狀黃土用木碾在橡膠板上碾碎，過0.1mm的篩徑，除去大的不純雜質。稱取一定數量的土樣，放入容器中加水，讓水慢慢滲入土中，繼續加水使水位超過土面。靜置一段時間，使土樣充分飽和，把土樣攪拌成泥漿狀態，再將泥漿狀態的土樣裝入制樣器中，制樣器的直徑為10cm，高度20cm。在放入泥漿前，要在制樣器的底部放上透水石和濾紙，裝上泥漿土樣后，再在土樣上放上濾紙和透水石。加上加壓蓋板，加一比較小的壓力讓其固結，所加壓力的大小看是否把土樣擠出制樣器。在較小的壓力下固結一段時間后，再把壓力增加到50kPa，使土樣在5

4、0kPa的壓力下固結。當固結完成后，即可得到直徑10cm，及一定高度的圓柱形充分擾動的土樣。這時，就可用其制備壓縮試樣和三軸剪切試樣，壓縮和三軸剪切試樣制備完成后，再把它們放入飽和器中抽氣飽和。這樣就人工制成了充分擾動飽和黃土試樣。2 試驗方案和方法利用充分擾動飽和黃土試樣進行如下試驗：(1)側限固結試驗，所用儀器為南京水利科學院土工所的磅秤式側限壓縮儀，分別測定每級壓力下的固結系數，固結系數用時間平方根法確定，研究充分擾動飽和黃土的壓縮特性和求取固結系數；(2)三軸剪切試驗，利用常規應變三軸儀進行了固結排水剪，研究充分擾動飽和黃土的剪切特性及求取有關的力學參數；(3)等應力比三軸試驗，所用為

5、應力控制式三軸儀，等應力比三軸試驗為排水剪，驗證黃土的穩態孔隙比原理及求取有關的計算參數。試驗對充分擾動飽和黃土在各級固結壓力下計算固結系數cv時，采用了時間平方根法，等應力比三軸試驗時的應力比=3/1，分別取值為0.0、0.3、0.75、1.0四個應力比。并且在應力比=0.0的條件下，進行了卸載和再壓過程。3 試驗結果及分析充分擾動飽和黃土在各級固結壓力下的固結系數見表1。表中同時給出了原狀黃土、原狀飽和黃土、人工制備結構性黃土以及人工制備結構性飽和黃土的固結系數。圖1及圖2示出了人工制備黃土、人工制備飽和黃土及充分擾動飽和黃土的固結系數與壓力關系曲線，對原狀黃土、原狀飽和黃土有關的規律性見

6、文獻4，5所述。表1 黃土室內側限固結試驗的固結系數固結壓力/kPa原狀黃土固結系數/(cm2/s)原狀飽和黃土固結系數/(cm2/s)人工制備結構性黃土固結系數/(cm2/s)人工制備結構性飽和和黃土的固結系數/(cm2/s)擾動飽和黃土固結系數/(cm2/s)500.0540.0550.0750.0540.0261000.0510.0520.0770.0400.0232000.050.0230.0800.0350.0233000.0530.0220.0790.0230.0254000.0480.0190.0820.0190.0278000.0220.0170.0270.0220.01916

7、000.0210.0180.0330.0200.023表中：原狀黃土及人工制備結構性黃土的=14.0%，d=12.9kN/m3。圖1 原狀黃土的固結系數與壓力關系曲線圖2 人工制備黃土的固結系數與壓力關系曲線從原狀黃土、原狀飽和黃土、充分擾動飽和黃土在不同固結壓力與固結系數的關系中可以發現，在壓力低于結構強度時(其結構強度分別為500kPa、49kPa)，固結系數值較高且都基本接近一常數；當固結壓力接近結構強度時，固結系數急劇降低，最后都趨近于各自擾動飽和樣的固結系數值，而充分擾動飽和黃土的固結系數在各級壓力基本為一常數。圖3及圖4給出了充分擾動飽和黃土的軸向應力與軸向應變及體應變與軸向應變之

8、間的關系。從中可以發現，在小圍壓和大圍壓情況下，它們的應力-應變關系都表現為硬化型，體積應變隨著周圍固結壓力和軸向應力的增加而增大。這說明對于充分擾動飽和黃土可消除土體結構性的影響，在研究其力學性質時，可不考慮土體的結構性對其力學特性的影響。把不同應力比下的試樣的孔隙比e與球應力m畫在半對數坐標紙上，可得到不同應力比下試樣的孔隙比與試樣的球應力的關系曲線，見圖5所示。并且在應力比=0.0的條件下，進行了卸載，得到了回彈和再壓曲線。由得到的充分擾動飽和黃土的壓密曲線可見，在應力比為零的孔隙比e與logm成直線關系，并且回彈和再壓曲線也成直線關系。不同應力比下的孔隙比e與logm也成直線關系，并與

9、應力比為零時的關系曲線平行，且相差很小。這說明充分擾動飽和黃土也滿足穩定孔隙比和穩定狀態原理，這一唯一性原理最早由Rendulic提出，并由Henkel完整地表述過7，即充分擾動飽和黃土的孔隙比與有效應力狀態之間存在唯一關系，可表示為圖3 充分擾動飽和黃土的應力-應變關系曲線圖4 充分擾動飽和黃土體應變與軸向應變關系曲線es=e1-cclog(m/m1-cd/log2log1+(/f)2(1)式中：m=1/3(1+2+3);=s/m為剪切比。s=1/(1-2)2+(2-3)2+(3-1)21/2(2)式中：es為穩定孔隙比；e1為初始孔隙比；cc是壓縮指數；cd可以稱為剪縮系數，其含義為由等向

10、壓縮狀態(=0)到破壞狀態(=f)所引起的孔隙比減小量。當采用橢圓屈服面模型時，cd=(cc-cs)log2,cs為回彈指數。土體的孔隙狀態符合上述公式時可以稱為穩定狀態，相應的孔隙比稱為穩定孔隙比。劍橋模型學派把剪切破壞時的孔隙比趨向于穩定不變時的狀態稱為臨界狀態1。這一臨界狀態可以看作穩定狀態在=f條件下的特例。定義了穩定狀態以后，可以進一步把同一應力狀態下孔隙比大于穩定孔隙比的狀態(e>es)稱為欠壓縮狀態，而把孔隙比小于穩定孔隙比的狀態(e<es)稱為超壓縮狀態。不難想到，欠壓縮狀態和超壓縮狀態的概念實際上是土力學發展早期針對一維固結狀態的欠固結狀態和超固結狀態的推廣1。圖

11、5 充分擾動飽和黃土壓縮曲線圖6 充分擾動飽和黃土壓密曲線通過試驗曲線確定上式中的壓縮指數cc和回彈指數cs。按照剪縮系數cd為等向壓縮狀態到破壞狀態所引起的孔隙比減小量，當采用橢圓屈服面模型時，剪縮系數cd=(cc-cs)log2。由充分擾動飽和黃土三軸固結排水剪試驗數據可得到其孔隙比e與平均壓力p的關系曲線如圖6所示，它和等應力比三軸試驗結果(圖5)比較接近，兩者都表現出減縮量較小，并且進一步證明對于充分擾動飽和黃土的孔隙比與有效應力狀態之間存在唯一關系，即滿足穩定孔隙比和穩定狀態原理。4 結論試驗結果表明充分擾動飽和黃土可消除土體結構性的影響，在研究其力學性質時，可不考慮土體的結構性對其

12、力學特性的影響，這說明充分擾動飽和黃土滿足穩定孔隙比和穩定狀態原理，即充分擾動飽和黃土的孔隙比與有效應力狀態之間存在唯一關系，同時為建立黃土結構性本構模型奠定了試驗和理論基礎。參 考 文 獻：1 沈珠江.廣義吸力和非飽和土的統一變形理論J.巖土工程學報，1996，18(2)：1-9.2 劉祖典，胡再強.我國黃土力學與工程近況與展望J.地下空間，1999，19(5)：732-737.3 謝定義，齊吉林，張振中.考慮土結構性的本構關系J.土木工程學報，2000，33(4)：35-41.4 胡再強，沈珠江，謝定義. 非飽和黃土的結構性研究J.巖石力學與工程學報，2000，(6).775-779.5 胡再強，沈珠江，謝定義. 非飽和黃土的顯微結構與濕陷性J.水利水運科學研究，2000，(2)：68-71