黄土稳定孔隙比原理的实验研究

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1、黄土稳定孔隙比原理的试验研究胡再强1，谢定义1，沈珠江2(1.西安理工大学水电学院；2.南京水利科学研究院)摘要：通过对人工制备土样在充分扰动及饱和情况下进行侧限压缩、三轴剪切试验及等应力比三轴试验，验证和证明了充分扰动饱和黄土存在稳定孔隙比并满足稳定孔隙比原理，为建立黄土结构性本构模型，揭示黄土结构性对黄土力学特性的影响和作用提供了试验和理论依据。关键词：饱和黄土；稳定空隙比；稳定状态原理基金项目：国家自然科学基金资助项目(19772019)作者简介：胡再强(1964-)，男，陕西周至人，博士，西安理工大学副教授，主要从事黄土力学与工程的研究。黄土是第四纪沉积物

2、，具有不同于同期的其他沉积物的一系列内部物质成份和外部形态特征。黄土的结构性是指黄土颗粒的排列方式和颗粒的胶结形式[2，3]。黄土骨架颗粒的排列方式是指黄土中孔隙的形态、大小和性质，黄土的孔隙一般有团粒之间的大孔隙架空孔隙和粒间孔隙等[6]。黄土中颗粒胶结主要是盐类胶结及粘性胶结。由黄土的压缩性质、剪切特性、应力-应变关系及黄土所具有的湿陷性质都可以看出黄土具有一定的结构性，即有一定的结构强度[4，5]。为建立能够描述结构性黄土的本构模型，揭示黄土结构性对黄土力学特性的影响和作用，必须对充分饱和黄土力学性质进行研究，基于上述观点，对人工制备土样在充分扰动及饱和情况

3、下进行了侧限压缩、三轴剪切试验及等应力比三轴试验，验证和证明了充分扰动饱和黄土存在稳定孔隙比并满足稳定孔隙比原理。1试样制备制备充分扰动饱和黄土试样时，先把风干的原状黄土用木碾在橡胶板上碾碎，过0.1mm的筛径，除去大的不纯杂质。称取一定数量的土样，放入容器中加水，让水慢慢渗入土中，继续加水使水位超过土面。静置一段时间，使土样充分饱和，把土样搅拌成泥浆状态，再将泥浆状态的土样装入制样器中，制样器的直径为10cm，高度20cm。在放入泥浆前，要在制样器的底部放上透水石和滤纸，装上泥浆土样后，再在土样上放上滤纸和透水石。加上加压盖板，加一比较小的压力让其固结，所加压力

4、的大小看是否把土样挤出制样器。在较小的压力下固结一段时间后，再把压力增加到50kPa，使土样在50kPa的压力下固结。当固结完成后，即可得到直径10cm，及一定高度的圆柱形充分扰动的土样。这时，就可用其制备压缩试样和三轴剪切试样，压缩和三轴剪切试样制备完成后，再把它们放入饱和器中抽气饱和。这样就人工制成了充分扰动饱和黄土试样。2试验方案和方法利用充分扰动饱和黄土试样进行如下试验：(1)侧限固结试验，所用仪器为南京水利科学院土工所的磅秤式侧限压缩仪，分别测定每级压力下的固结系数，固结系数用时间平方根法确定，研究充分扰动饱和黄土的压缩特性和求取固结系数；(2)三轴剪切

5、试验，利用常规应变三轴仪进行了固结排水剪，研究充分扰动饱和黄土的剪切特性及求取有关的力学参数；(3)等应力比三轴试验，所用为应力控制式三轴仪，等应力比三轴试验为排水剪，验证黄土的稳态孔隙比原理及求取有关的计算参数。试验对充分扰动饱和黄土在各级固结压力下计算固结系数cv时，采用了时间平方根法，等应力比三轴试验时的应力比η=σ3/σ1，分别取值为0.0、0.3、0.75、1.0四个应力比。并且在应力比η=0.0的条件下，进行了卸载和再压过程。3试验结果及分析充分扰动饱和黄土在各级固结压力下的固结系数见表1。表中同时给出了原状黄土、原状饱和黄土、人工制备结构性黄土以及人

6、工制备结构性饱和黄土的固结系数。图1及图2示出了人工制备黄土、人工制备饱和黄土及充分扰动饱和黄土的固结系数与压力关系曲线，对原状黄土、原状饱和黄土有关的规律性见文献[4，5]所述。表1黄土室内侧限固结试验的固结系数固结压力/kPa原状黄土固结系数/(cm2/s)原状饱和黄土固结系数/(cm2/s)人工制备结构性黄土固结系数/(cm2/s)人工制备结构性饱和和黄土的固结系数/(cm2/s)扰动饱和黄土固结系数/(cm2/s)500.0540.0550.0750.0540.0261000.0510.0520.0770.0400.0232000.050.0230.080

7、0.0350.0233000.0530.0220.0790.0230.0254000.0480.0190.0820.0190.0278000.0220.0170.0270.0220.01916000.0210.0180.0330.0200.023表中：原状黄土及人工制备结构性黄土的ω=14.0%，γd=12.9kN/m3。图1原状黄土的固结系数与压力关系曲线图2人工制备黄土的固结系数与压力关系曲线从原状黄土、原状饱和黄土、充分扰动饱和黄土在不同固结压力与固结系数的关系中可以发现，在压力低于结构强度时(其结构强度分别为500kPa、49kPa)，固结系数值较高且都基

8、本接近一常