土结构性及其定量化参数研究的新途径_谢定义

土结构性及其定量化参数研究的新途径*

Soil structure characteristics and new approach in research on

its qu antitative parameter

谢定义齐吉琳

(西安理工大学岩土工程研究所,西安,710048)(兰州冰川冻土研究所冻土工程国家重点实验室,兰州,730000)

文摘考察了当前对土结构性及其定量化指标研究的现状和方法,提出了一个既能反映结构性关于颗粒排列(即几何特征影响),又能反映结构性关于颗粒联结(即力学特征影响),并具有简便、明晰特点的结构性定量指标)))综合结构势。然后通过试验

检验了这个定量化参数在表征结构性对土性影响方面的良好功能和合理性。

关键词土的结构性,结构性定量化参数,试验检验

中图法分类号TU411.3

作者简介谢定义,男,1931年生,西安理工大学教授,岩土工程学科博士生导师,主要研究方向为土动力学和非饱和黄土力学。

Xie Dingyi

(Xi c an University of technology,Xi c an,710048)

Qi Jilin

(State Key Laboratory of Frozen Soil Engineeri ng,Lanzhou Institute of Gl aciology and Geocryology,CAS,730000)

Abstract In this paper,the approach to s tudy the soil structure quantitatively and the situation of the study are analyzed.A new s tructure parame-

ter-comprehensive structure potential(CSP)which can demonstrate both the characteristics of the soil particle arrangement(i.e.the geometric fea-

ture of soil structure)and the soil particle linkage(i.e.the mechanic feature of soil structure)is propo sed.This parameter is easy to be obtained

and distinct in i ts mechanism.It has been proved through a series of experiments that this parameter is not only efficient and reasonable to consider the influence of s o il structure on its property,bu t also sensitive to the factors affecting the soil s tructu re.

Key words soil s tructu re,s tructu re parameter,experiment verification

1前言

长期以来,土力学研究中表示土物理本质特性只用了粒度、密度和湿度3个方面的指标,而对一个已被公认为非常重要的方面,即土的结构性(构度),却缺乏明确而合理的综合性定量指标,从而给土性研究带来很大的不便和复杂化,在认识土性时,只能对土结构性从定性角度予以解释和描述。但是,关于土结构性研究的重要性,早由土力学的奠基人太沙基所指出[1]。沈珠江将它作为/21世纪土力学的核心0[2],一语道出了土结构性在土力学学科发展中的独特地位。本文拟在对土结构性研究的现状与途径分析的基础上,提出一个新方法来建立土结构性的定量指标,并结合实验研究,对这个土结构性定量化参数的合理性作出论证。

2土结构性研究历史与途径的分析

2.1土结构性研究历史

综观土结构性研究的历史,20年代中期到50年代初,基本上是从微结构方面进行研究的,提出了一整套关于土微形态的描述体系和大量的概念、术语,为微结构分类的重要依据。但由于缺乏微形态观测的有效手段,以手持放大镜为工具,只能对复杂的土结构性有一定的感性认识,难以作出系统的研究。50年代中期到60年代后期,光学显微镜、偏光显微镜和X-射线衍射等技术在土微结构观测中的有效应用,使人们对于土微结构的认识上了一个新的台阶,开始注意到结构要素的完整性,使土的各向异性、不均匀性和非线性以及一系列特殊结构性土类的特性得到了不同程度的描述和解释,出现了从某些侧面描述土结构性的定量化指标,对土力学规律的认识与机理分析起到了重要的作用。60年代末到80年代中期,土微结构在结构层次的深度上和结构联结的广度上,得到了较大的发展。在广泛研究的基础上,出现了描述微结构形态诸要素的方法和一些反映结构性影响的力学模型,涌现出一大批土结构性研究的专家。80年代中期以来,对于土结构性的研究,在发现它与工程实践尚有较大的距离,以及在一些土结构性要素定量化的基础上寻找

X国家自然科学基金(No.59779081)及中科院兰州冰川冻土研究所冻土工程国家重点实验室基金(No.9725)资助项目

到稿日期:1999-01-29651

第21卷第6期岩土工程学报Vol.21No.6 1999年11月Chinese Journal of Geotechnical Engineering Nov.,1999

一个综合性定量化指标遇到困难之后,出现了一定的徘徊。这种徘徊和反思使得寻找一个有效、能应用于实际、带有综合性质的结构性指标成了研究者一致的追求,对从颗粒排列和颗粒联结两个方面把握土的结构性形成了共识。这种追求和共识为土结构性研究新高潮的到来奠定了基础,与土结构性研究作为21世纪土力学核心的脉搏形成了共鸣。

2.2土结构性研究途径

目前,土结构性研究存在着三大基本途径。一是由20年代沿袭和发展下来的微结构形态学的研究方法[1,3,4],它几乎将微结构当成了土结构性的代名词。尽管多年来研究的丰富成果以及光电量测技术和计算机图象处理技术的发展给它的进一步发展提供了良好的条件,但它在全面描述结构性几何特征和联结特征方面的困难以及测试技术上的复杂性,不能不为它的发展前景造成疑虑。二是固体力学的研究方法[2,5~8]。它努力从数学力学的观点建立一种能够有效描述土结构性在受力过程中变形和破坏的力学模型,由此推导和反映土的宏观力学行为。这类研究,有的受到第一种研究方法的启发,出现了在某些方面的渗透和结合,显示出将微观力学变量和宏观力学变量联系起来,建立土的本构模型的企图;有的受到土力学中揭示规律的影响,带有现代力学发展意义的特色,但在结构性的表征方式和结构性受到损伤时变化规律的正确反映方面,还有许多工作要做。三是土力学的研究方法[9]。它在长期以来得到了土力学工作者的重视,但它或局限于说明不同结构性的土具有不同的力学规律,或只针对某些土的特殊性质而提出某些对症的表述参数(如结构强度、先期固结压力、湿陷系数、灵敏度和液化度等),从总体上看,仍然缺乏实质、系统、全面的研究,使对于结构性的研究长期游离于土性规律基本关系的研究之外。但可以认为,这类方法在土结构性的研究中仍然具有很大的潜力和良好的发展前景。

3土结构性参数研究的新思路

十分清楚,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。它应该和土力学中描述土物理性质的粒度、密度和湿度一起,成为土变形强度等力学特性变化的依据。从更深刻的意义上看问题,综合表征土结构性在排列和联结两个方面的指标(土结构性参数或构度)将会在一定程度上具有涵盖粒度、密度和湿度等对土力学特性影响的功能,即反映其他3个因素的作用。如果能够找出一个能全面表征土结构性的定量化参数,填补长期以来土力学研究中的空白,则可以预料,它必将对土力学学科的发展起到难以估量的作用。因此,土结构性研究的根本任务在于寻找一个能全面反映土颗粒的排列特征和联结特征的定量化指标。它应该同时与土的变形强度具有密切的联系,以建立和描述它们之间的基本规律。

在研究土结构性参数之前,笔者认为,必须建立如下几点基本的认识,结构性参数应该能够反映这种基本认识和关系:

a)土结构性的强弱,不只是土结构强度的大小,而应对土的联结和排列两个方面综合反映。结构强度大的土除了可能具有较好的颗粒胶结之外,还可能具有较好的颗粒排列稳定性,而后者并不是强结构性土的特征。只有颗粒间的联结强度较大,且排列能使土颗粒在失去联结时处于较大不稳定状态的土才具有较强的结构性,因为它在一定的外来因素下容易表现出较强的非线性和较大的突发性,对结构扰动因素(如荷载和含水量增大)反映出较大的灵敏性。

b)任何土均有自己的初始结构性,它在加荷或浸水过程中,会发生初始结构性破坏和次生结构性形成的耦合变化。因此,土的结构性及结构性参数应该是动态变化的。在作用力未达到初始的联结强度以前,主要是初始结构性的自我调整过程,变形很小,表现为应力与应变之间的线性关系;当作用力达到结构强度时,土的初始结构被大部分破坏,力的微小增量会引起变形的较大增长;当作用力超过土的结构强度而继续增长时,随着变形的增长,被破坏的土结构又会逐渐趋于新的稳定,使次生结构逐渐形成,并且在次生结构形成的强度增长不足以补偿外荷应力增长的速度时出现土的最终破坏。因此,土结构性的研究既要表述土的某一种结构性状态,又要表述这种结构状态与作用力之间的变化关系。

c)特殊土结构性的概念应该与其特殊的力学行为相对应,使土的结构性指标能够描述出特殊土的特殊性质。对湿陷性黄土应该描述湿陷性的强弱,对粘土应该描述结构灵敏性的强弱,对膨胀性土应该描述膨胀性的强弱等。

d)如果把结构的联结特征称为结构的可稳性,把结构的排列特征称为结构的可变性,则只有可稳性和可变性均较强的土才是强结构性的土。虽然土在其受荷过程中,结构可稳性的丧失伴随着结构可变性的发挥,但从主流来看,可稳性主要在荷载增长的前期起作用,可变性主要在荷载增长的后期起作用。没有可稳性的丧失,就不会有可变性的发挥。可稳性的丧失是一个损伤过程,其后果是初始结构由调整到破坏。可变性的发挥是一个愈合过程,其后果是次生结构的形

652岩土工程学报1999年