黄土三轴压缩扰动演化特性研究

抽象的

本文基于扰动状态的概念，研究了西安黄土结构性效应的演化规律。首先，对5种不同含水率、4种不同围压下的原状黄土和重塑黄土进行了固结排水三轴压缩试验。其次，提出了两个不同参数的扰动函数，对黄土的结构性效应进行了数学量化。最后，利用其他研究人员的测试结果对所提出的扰动函数进行了验证。结果表明，以变形模量为参数的单参数扰动函数为应用提供了方便，但没有考虑偏应力和平均应力对黄土扰动演化特性的各自贡献。以剪切模量和体积模量为参数的双参数扰动函数能够区分这两种贡献，很好地反映了不同含水率和围压下黄土的扰动演化特征。含水率和围压对扰动函数参数的影响是不稳定的。所提出的扰动函数为建立考虑结构效应的黄土本构模型奠定了基础。

1.介绍

黄土由于其独特的形成和地质条件，具有随机分布的大孔隙多、颗粒结合力强、水敏性强等特点[1-5.］.因此，难以模拟黄土土壤的力学行为。尽管存在这种困难，但对结构黄土土壤的扰动演化行为的调查具有重要意义，因为它影响了黄土地区内置基础设施的安全性和稳定性。

许多学者对结构土进行了不同的研究，并取得了一些成果。高(6.[通过扫描电子显微镜（SEM）研究黄土的微观结构和黄土可折叠变形的结构理论。结果表明，黄土的可塌陷与微观结构的类型密切相关。陈 [7.]采用CT方法研究非饱和结构性土的微观结构，建立了结构性土的弹塑性模型。Fang et al. [8.]，考虑到内消旋结构的演变，对非饱和黄土进行CT测试。根据测试结果，建立了非饱和黄土的本构模型。损伤力学，复合模型，砖石模型，以及结构性土二元介质模型的理论基础上，提出了沉和他的同事[9.-11］.然而，难以提出量化黄土的微结构特征的通用参数。难度可能是由复杂的黄土形成过程和应力历史以及影响黄土结构行为的各种因素引起的。此外，由于功能形式的复杂性以及在强度软化后，所提出的扰动功能的应用是非常有限的。

根据土力学理论和压缩试验结果，Xie和Qi [12提出一个参数m_P.定量描述土壤结构。这个参数称为综合结构势。自综合结构势概念提出以来，谢老师的学生又提出了许多其他概念。这些概念是基于主应力差的结构参数、综合结构应变势[13]、孔隙比、主应力差、试验锥、应力比、结构指数[14］.这些以土力学为基础的研究没有考虑土体颗粒黏结和组合特性，因此未能捕捉到黄土结构性状随外力演化的变化。另一种模拟黄土结构行为的方法是基于固体力学的。该方法有效地描述了黄土微结构在加载过程中的变化和扰动，避免了测量参数对黄土微结构特征的量化。因此，本文采用该方法对西安黄土土的结构性状进行了模拟研究。

该扰动状态理论，提出了由德赛于1974年，谁也建立了粘土的弹塑性模型[15-19］.徐[20.-22]研究结构黄土的机械性能在西安，并提出了一维干扰功能。一维干扰功能的演化规律进行了分析，并且还开发了结构性黄土的扰动本构模型。于是，邵珠[23]提出了体积应变扰动因子( ）和偏应变干扰因素（D._S.)．朱及邵[24]进行了一项关于Q的实验研究_3.提出了陇东黄土的体积应变扰动因子D._P.和剪切应变干扰因子D._问：．上面讨论的建立扰动函数的方法主要是建立在数学推导的基础上，需要做许多假设。在这些方法中，许多已建立的扰动函数都是由孔隙比或应力定义的，这无法反映颗粒土在剪切和体积应变联合扰动作用下的实际破坏过程。因此，需要大量的实验数据对这些扰动函数进行进一步的验证。

黄土是一种典型的特殊土壤类型，广泛分布在我国黄土高原地区。黄土的蜂窝状结构伴随着大量的微孔并没有减弱黄土高抗剪强度的特性[25-29]. 其不完全固结和水敏性的结构特征与湿陷性密切相关[30.-34］.下外部负载和水的影响，黄土展品破碎，轧制和滑动，这会导致在黄土粒度分布，数量，形状，尺寸和布置的变化。通过执行一系列的动三轴压缩试验，吴等人。[35[研究了结构参数对宁夏，山西和甘肃收集的黄土土壤动态应力 - 应变行为的影响。发现概率熵，孔隙率，分形尺寸和等效直径可以被视为黄土污垢的结构参数，并且随着狭窄的压力和水分含量的增加，初始结构参数减少。张等人。[36[j] .岩石力学与工程学报，2013,30(4):559 - 566。试验结果表明，经过11次冻融循环后，黄土的强度和模量均有所提高。Zhen等人[37]研究的不受干扰的热导率和重塑黄河的第一平台收集和发现，在饱和度和干密度，原状黄土的热传导率比重塑黄土的较大的马兰黄土。为了提高强度和黄土的变形行为，黄土的稳定化已使用不同的材料已经尝试如新型反应性氧化镁承载粘合剂[38]、石灰及飞灰堆[39]和纳米粘土[40]. 然而，由于文献中提出的扰动函数的适用性是特定于场地的，因此三轴压缩下黄土的结构行为尚未得到充分研究。此外，验证所提出的扰动函数所需的原状和重塑黄土的实验数据很少。因此，为了进一步了解黄土的扰动演化行为，还需要进行实验和模拟研究工作。

在本文中，西安黄土被作为研究对象。基于干扰状态理论，单参数扰动函数D.₁以变形模量为参数，采用双参数扰动函数D.₂以剪切模量和体模量为参数。此外，结合三轴压缩试验结果，分析了扰动函数的参数以及扰动函数的演化规律。

2.实验

2．1.土壤样品制备和测试设备

原状黄土样品取自西安北郊某建筑工地。土壤取样深度约为5.0 m。土壤呈黄色，处于塑性状态，属于典型的Q型黄土_3.．根据中国土壤分类系统，土壤被归类为粉质粘土。进行标准压实试验以确定最大干密度和最佳水分含量。土壤样品的基本物理性质如表所示1．

２.２.测试方法

为了避免干扰，用手挖出土壤，然后在钢劈模中切割成标准样品。土样被制成高度为80毫米，直径为39.1毫米的相同圆柱形。为研究黄土扰动演化特性，对8、16%、22%、28%、46.5% 5种不同含水率下原状和重塑黄土进行了常规三轴压缩试验。三轴压缩试验使用计算机控制的GDS(全球数字系统)三轴试验系统进行。该测试系统基于莫尔-库仑强度理论设计，能够测量不同围压下土样的应力-应变关系和剪切破坏强度。通过围压加载系统对轴向室内土样施加围压，轴向加载系统对土样施加轴向应力，在保持围压不变的情况下控制土样的应变速率。随着偏应力的增大，土体逐渐达到剪切破坏的极限平衡状态。

根据标准程序，将remoulded土壤样品用五层压实。土壤样品通过真空泵方法饱和。通过在真空条件下采用蒸馏水完全饱和所有样品24小时。通过水分迁移和天然空气干燥来控制土壤样品的不同水分含量。在测试期间，在土壤样品上施加的采用的狭窄压力为4个幅度，为50,100,200和300kPa。

3.扰动函数与演化规律

3．1.扰动状态概念

扰动状态概念(DSC)是Desai在1974年提出的一种本构模拟方法。DSC的发展是基于材料的力学扰动[15那16那21那22］.根据这一概念，材料微观结构的扰动不可避免地会引起其宏观力学性能的变化。这对应于材料微观结构状态从相对完整(RI)到完全调整(FA)的自调节转变。扰动过程可以用扰动函数来描述D.(也称为干扰因子)如图所示1．在应力下的材料的实际变形是两种状态的材料变形的叠加，因此可以表达为 在哪里=实际值的应变张量，=扰动函数,= RI状态的应变张量 = strain tensor of the FA state.

可以从微分方程获得干扰状态的概念增量方程：

3.2。单参数干扰功能和进化法

3.2.1之上。单参数扰动函数的定义

根据原状和重塑黄土的固结和排水三轴压缩试验结果，建立了单参数扰动函数D.₁建议以变形模量为参数： 在哪里 = modulus of the RI state, = FA状态的割线模量，以及 = RI态和FA态之间的割线模量，如图所示2．

3.2.2。单参数扰动功能的演变规律

原状黄土和重塑黄土样品在四种不同围压、五种不同含水率下的单参数扰动函数演化规律如图所示3.．从图中可以看出3.在相对低的水分含量下制备的未受干扰黄土土壤样品的结构性更明显。由于其强大的结构性和轻微的扰动影响，扰动功能相对较小。随着水分含量的增加，水敏感性对黄土土壤的内部微观结构的影响变得更加显着。由于水的干扰，由布置和连接组成的黄土结构逐渐增强。因此，干扰因素逐渐增加。

此外，从图中重塑黄土土样的曲线也可以看出3.原状黄土和重塑黄土样品的单参数扰动函数在中轴应变(即 ）比在极端轴向应变。更多的over, this difference is reduced with increasing the confining pressure from 50 to 300 kPa. At the confining pressures of 50 and 100 kPa, the effect of moisture content on the disturbance function for undisturbed soil samples is consistent with the effect of moisture content on the disturbance function for remoulded soil samples. However, this consistency no longer exists at the other two confining pressures. The reason for this may be that a higher confining pressure weakens the adverse effect of moisture content on the disturbance behavior of loess soil.

３．３．双参数扰动函数与演化规律

对试验结果的分析表明，单参数扰动函数无法捕获不同应变下的球应力和偏应力的贡献。同时，由于两种情况的应力历史不同，偏应力的贡献与球面应力的贡献是不同的。因此，为了更好地考虑扰动的影响，本文提出了一种双参数扰动函数。即建立了球应力的体积模量与球应力扰动函数的关系，以及偏应力扰动函数与偏应力剪切模量的关系。

因此，扰动函数可通过体模量和剪切模量定义为 在哪里 = bulk modulus of the RI state,= FA态的体积模量，= RI状态的剪切模量= FA状态的剪切模量。

而黄土作为一种非线性材料，在应用中经常采用的模量是割线模量，如图所示4.和5.．这些模量在幅度上变化，这取决于所测量的等效应变。因此，扰动功能和也应该是等效应变的函数。在这种情况下，借助于在不同的水分含量和不同的限制压力下的未受干扰和Remouded黄土土壤样品的固结和排出的三轴压缩试验的结果，可以建立基于体积应变和剪切应变的干扰功能。

3.3.1。基于体积应变的扰动函数演化规律

在图中，基于体积菌株的扰动功能的扰动函数的演化定律在四个狭窄压力下和五种水分含量下的不受干扰和重组土样品6.．从图6.，可以看出围压和含水率对黄土体模量都有影响。扰动函数曲线表明，含水率对原状土样扰动函数演化规律的影响大于重塑土样。在低围压条件下，原状土样扰动函数演化规律的变化小于重塑土样。在高围压条件下，原状土样扰动函数演化规律的变化大于重塑土样。在一定含水率下，围压对原状土样扰动函数演化规律的影响要大于重塑土样。

3.3.2。基于剪切应变的扰动功能演化法

原状和重塑黄土土样基于剪切应变的扰动函数演化规律如图所示7.．从图中可以看出6.和7.对于原状土样和重塑土样，基于体积应变的扰动函数和基于剪切应变的扰动函数的演化规律均可拟合为以下两个方程。一是基于体积应变的扰动函数(即， )，另一种是基于剪切应变的扰动函数(即D._S.）：

在哪里 那 那一种_S.，及Z._S.是干扰功能的参数。

方程(5.） 和 （6.)可以简化为

就这样，两者的关系和和之间的关系和可以建立。通过用最小二乘法拟合测试结果，参数的值 那 那一种_S.，及Z._S.得到原状黄土和重塑黄土的扰动函数。

3．4．含水率和围压对扰动函数参数的影响

含水量和围压对原状土样和重塑土样双参数扰动函数参数的影响如图所示8.．从图中可以看出8.与单参数扰动函数相比，含水率和围压对双参数扰动函数参数的影响不明显。因此，为了进一步研究含水率和围压对双参数扰动函数参数的影响，还需要进行附加试验。

4.干扰函数的验证

通过Chu和Shao的实验结果验证了所提出的单参数和双参数扰动函数[24[中国庆阳市收集的结构Q3黄土。数字9.呈现了（1 - D.₁）与从由储和邵[实验结果轴向应变24]并用本文提出的单参数扰动函数进行了预测。对四种不同含水量（即10%、15%、20%和25%）和四种不同围压（即100、200、300和400）进行了比较 （千帕）。从数字9.结果表明，指数单参数扰动函数较好地反映了陇东地区原状黄土和重塑黄土的扰动演化行为。此外，进一步比较了不同含水量和围压下的扰动演化规律，如图所示9（a）-9 (d)结果表明，含水率和围压对单参数扰动函数参数的影响是不同的。这一差异与本研究的结果一致。

比较（ ）体积应变由Chu和Shao的实验结果得出[24]，提出的基于体积模量的双参数扰动函数的预测结果如图所示10．如图所示10提出的基于体积模量的双参数扰动函数能够准确地预测庆阳黄土试验扰动演化行为。含水率和围压对黄土扰动演化特性的影响随含水率和围压的增大而减小。这种一致性进一步验证了基于体积模量的双参数扰动函数。

(1−)的实验观测和预测的变化D._S.）在不同的水分含量下剪切应变，并在图中比较了限制压力11．比较指示的水分含量和围压对双参数扰动功能基于剪切应变的影响（即D._S.）是在水分含量较低的幅度较小，在水分含量和围压更高量值围压比。With an increase in the magnitude of confining pressure, the effect of moisture content on the structural behavior of loess soil becomes severer, demonstrating that a higher confining pressure (e.g., 400 kPa) has an adverse effect on the structural behavior of loess soil. Nevertheless, the validation of the proposed disturbance functions has demonstrated the applicability of the proposed disturbance function to the loess soil in other areas.

5.结论

为研究黄土扰动演化规律，对西安原状黄土和重塑黄土进行了5种不同含水率、4种不同围压条件下的固结排水三轴压缩试验。单参数扰动函数D.₁以变形模量为参数，采用双参数扰动函数D.₂提出了以剪切模量和体积模量为参数的复合材料力学模型。根据对测试结果和拟定干扰函数的分析，可以得出以下结论：（1）单参数扰动函数，拟合为与割线模量作为其参数的指数函数，能够量化的结构干扰的强度。单参数干扰功能的描述原状黄土的表现也是可圈可点。（2）围压和含水量对参数影响较大一种扰动函数，对参数影响较小Z.扰动函数的一种形式。围压和含水量对原状土样的扰动函数参数影响较大，对重塑土样的扰动函数参数影响较小。（3）以剪切模量和体模量为参数的双参数扰动函数考虑了偏应力和球应力对应变的影响。基于剪切应变和体积应变的双参数扰动函数的演化规律可以方便而准确地用指数形式描述。（4)含水率和围压对双参数扰动函数参数的影响没有稳定的节律性。为了进一步研究这一现象，还需要进行更多的试验。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据可根据要求可从相应的作者获得。

的利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

致谢

安徽省高校自然科学基金项目(no. KJ2019ZD60、KJ2013B223);安徽省优秀青年人才基金项目(no. KJ2019ZD60、KJ2013B223);2012SQRL195)，合肥大学人才引荐项目(2012SQRL195);安徽省教育厅质量工程项目(no. 13RC10);2017zhkt383)、合肥大学本科教育质量工程项目(no. 2017zhkt383);2018 hfmooc04和2018 hfjc05)。

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