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1、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
2、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；
3、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。,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
4、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。,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
5、构势,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,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218%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
6、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
7、、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
8、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
9、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；,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；,增湿、压缩条件下的损伤特性认识,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
10、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,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
11、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
12、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
13、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的正常固结应力、结构屈服破坏压缩应力及附加压缩应力，可以将其区分为欠固结结构性土、正常固结结构性土和超固结结构性土；基于综合结构势揭示了三轴应力条件下的结构性变化规律，分析建立了引入结构性参数的本构模型；依据等结构性参数下非饱和黄土的强度特性，揭示了结构性强度变化规律。依据原状黄土在增湿、扰动作用下逐渐向正常固结土转化的本质特性，提出了黄土结构性损伤演化分析的土力学试验研究思路与方法以及等效骨架相应力的研究方法。,谢 谢！,
