三轴压缩条件下黄土扰动演化特性研究

抽象的

本文从扰动状态的概念出发，探讨了西安黄土土结构效应的演化规律。首先，对5种不同含水率和4种不同围压下的原状和重塑黄土试样进行了一系列固结和排水三轴压缩试验。其次，提出了两种不同参数的扰动函数，对黄土的结构效应进行了数学量化。最后，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具有应用方便性，但没有考虑偏应力和平均应力对黄土扰动演化行为的各自贡献;以剪切模量和体模量为参数的双参数扰动函数能够区分这些各自的贡献，较好地反映了不同含水率和围压条件下黄土的扰动演化特性。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

由于形成独特和地质条件，黄土土壤的特征在于含有大量随机分布的大孔，强颗粒键合和急性水敏感性[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土的微观结构，建立了结构土的弹塑性模型。Fang等人[8.[考虑到中间结构的演变，对不饱和黄土土壤进行CT试验。基于测试结果建立了不饱和黄土的组成型模型。基于损伤力学理论，沉及其同事提出了结构土的复合模型，砌体模型和二元介质模型[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。

根据土力学的理论和压缩试验的结果，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。自综合结构势的概念提出以来，谢的学生提出了许多其他的概念。这些概念是基于主应力差、应变综合结构势等结构参数[13.]、孔隙比、主应力差、试验锥、应力比、结构指标[14.］．这些以土力学为基础的研究没有考虑土体颗粒的黏结和组合特性，未能反映出黄土结构性状随外荷载演化的变化规律。模拟黄土结构特性的另一种方法是基于固体力学。该方法可以有效地描述黄土在加载过程中的微结构变化和扰动，避免了测量参数对黄土微结构特征的量化。因此，本研究将此方法应用于西安黄土土的结构特性模拟。

1974年，德贝提出了令人不安的国家理论，他还建立了粘土的弹性模型[15.-19］．徐[20.-22]研究了西安结构黄土的力学性能，提出了一维干扰功能。分析了一维干扰功能的演化定律，还开发了结构黄土的干扰本构模型。然后，邵和楚[23]提出体积应变干扰因子（ ）和脱极的应变扰动因子（D._S.）.楚少[24对Q进行了实验研究_3.黄土在龙洞，提出了体积应变干扰因子D._P.和剪切应变干扰因子D._问：．上述扰动函数的建立方法主要是建立在数学推导的基础上，需要做很多假设。在这些方法中，许多已建立的扰动函数是通过孔隙比或应力来定义的，不能反映颗粒土在剪切和体应变共同扰动下的实际破坏过程。因此，需要大量的实验数据来进一步验证这些扰动函数。

黄土是一种典型的特殊土壤类型，广泛分布于中国黄土高原地区。黄土的蜂窝状结构伴随着大量的微孔隙并没有削弱黄土的高抗剪强度特性[25-29］．其不完全合并和水敏感性的结构特征与折叠性密切相关[30.-34］．在外部载荷和水的影响下，黄土土壤展示破碎，轧制和滑动，这导致黄土粒子分布，数量，形状，尺寸和布置变化。通过执行一系列动态三轴压缩测试，Wu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[摘要]研究了循环冻融对西宁黄土固结土物理力学特性的影响。试验结果表明，经过11次冻融循环，黄土的强度和模量均有所提高。郑等人[37[从黄河的第一个露台收集的未受干扰和重新折叠的Malan黄土的热导体研究，发现，在饱和度和干燥的密度下，未受干扰黄土的导热率大于重折叠黄土。为了提高黄土的强度和变形行为，使用不同的材料如新型反应摩托粘合剂（如新型反应氧化镁粘合剂）试图稳定[38]、石灰及飞灰堆[39]和纳米粘土[40］．然而，由于文献中提出的干扰函数的适用性是特异性的，因此尚未完全研究三轴压缩下黄土土壤的结构行为。此外，关于验证所提出的扰动功能的不受干扰和重复的黄土的实验数据是罕见的。因此，仍然需要实验和建模研究，以进一步了解黄土干扰演化行为。

在本文中，西安黄土土壤被视为研究对象。基于扰动状态理论，单参数干扰功能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。结合三轴压缩试验结果，分析了扰动函数的参数及扰动函数的演化规律。

2.实验

2．1．土壤样品制备和测试仪器

原状黄土土样取自西安北郊某建筑工地。土样采集深度约为5.0 m。土壤呈黄色，处于塑性状态，属于典型的黄土Q_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，土壤是用手挖的，然后在钢剖模中切割成标准样品。土壤样品制作成高度80毫米，直径39.1毫米的相同的圆柱形。为研究黄土扰动演化特性，分别对原状和重塑黄土在8%、16%、22%、28%和46.5% 5种不同含水率条件下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。采用围压加载系统对轴室土样施加围压，在保持围压不变的前提下，通过控制应变速率的轴向加载系统对土样施加轴向应力。随着偏应力的增加，土样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)是德赛在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必然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)的自调整转变。扰动过程可以用扰动函数来描述D.(也称为扰动因子)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，和 = 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

基于整合和排出的三轴压缩试验的结果，单个参数干扰功能D.₁提出了变形模量作为其参数： 在哪里 = modulus of the RI state, = secant modulus of the FA state, and = secant modulus between the RI state and the FA state, as shown in Figure2．

3.2.2。单参数干扰功能的演化定律

原状和重塑黄土土样在四种不同围压和五种不同含水率下单参数扰动函数的演化规律如图所示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。

另外，从图中重塑的黄土土样曲线也可以看出3.原状黄土土样单参数扰动函数与重塑黄土土样在中间轴向应变(即: ）而不是极端轴向菌株。此外，随着50至300kPa的限制压力，减少了这种差异。在50×100kPa的限制压力下，水分含量对未受干扰的土壤样品的干扰功能的影响与水分含量对Refoulded土壤样品的扰动功能的影响一致。然而，这种一致性不再存在于其他两个限制压力。这可能是较高的限制压力削弱了水分含量对黄土污染的扰动行为的不利影响。

3．3.双参数扰动函数及其演化规律

对试验结果的分析表明，单参数扰动函数无法反映不同应变下球应力和偏应力的贡献。同时，由于两种情况下应力历史的不同，偏应力的贡献与球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之间的关系，以及偏应力扰动函数与偏应力剪切模量之间的关系。

因此，扰动函数可以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，和= FA态剪切模量。

黄土土作为一种非线性材料，在应用中经常采用的模量为割线模量，如图所示4.和5.．这些模量的幅度变化，取决于测量的等效菌株。因此，干扰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.，可见围压和含水率对黄土的体积模量都有影响。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。在较低围压条件下，原状土样扰动函数的演化规律变化小于重塑土样;在较高围压条件下，原状土样扰动函数的演化规律变化大于重塑土样;对于一定含水率，围压对原状土样扰动函数演化规律的影响大于重塑土样。

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.无论是原状土样还是重塑土样，基于体应变的扰动函数的演化规律和基于剪应变的扰动函数的演化规律可拟合为: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.， 和Z._S.是干扰功能的参数。

方程(5.） 和 （6.)可简化为

这样，之间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.， 和Z._S.在扰动函数中，可以得到原状黄土和改造黄土的扰动函数。

3．4．含水率和围压对扰动函数参数的影响

图中提出了湿度含量和限制压力对未受干扰和重新排序的土壤样品的双参数干扰功能参数的影响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，需要进一步研究含水率和围压对双参数扰动函数参数的影响。

4.验证干扰功能

提出的单参数和双参数扰动函数与Chu和Shao [24[中国庆阳市收集的结构Q3黄土。数字9.呈现了（1 - D.₁）楚和邵的实验结果的轴向菌株[24本研究中提出的单参数干扰功能的预测结果。对四种不同的水分含量（即10％，15％，20％和25％）和四种不同的限制压力（即100,200,300和400kPa）进行比较。从图9.，可以指出指数单参数扰动功能恢复龙东地区未受干扰和后果黄土土壤的实验观察到的干扰演化行为。此外，如图所示，进一步比较了不同水分含量和限制压力的扰动演化法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。这种差异与本研究得到的结果是一致的。

比较（ ）采用Chu和Shao的实验结果[24]，提出基于体积模量的双参数扰动函数的预测结果如图所示10.．可以从图中观察到10.提出的基于体积模量的双参数扰动函数能够较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行为的影响随着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。

实验观测和预测的(1−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.．比较表明，基于剪切应变的水分含量和限制压力对双参数扰动功能的影响（即，D._S.）在水分含量的较低幅度下较小，并且限制压力比水分含量的较高幅度和限制压力更高。随着狭窄压力的幅度增加，水分含量对黄土土壤结构行为的影响变得更严重，表明较高的狭窄压力（例如，400kPa）对黄土土壤的结构行为具有不利影响。然而，所提出的扰动功能的验证已经证明了所提出的扰动功能适用于其他地区的黄土土壤。

5.结论

为了研究黄土土的扰动演化特性，对5种不同含水率和4种不同围压下的原状和重塑西安黄土土进行了固结和排水三轴压缩试验。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随着提出参数的剪切模量和体积模量。基于对测试结果和所提出的扰动功能的分析，可以绘制以下结论：（1）单个参数扰动功能，作为其参数的致正模量作为指数函数，能够量化结构扰动的强度。单参数干扰功能在描述未受干扰的黄土土壤中的性能显着。（2）限制压力和水分含量对参数产生很大影响一种的扰动函数，对参数有轻微的影响Z.扰动功能。狭窄的压力和水分含量对未受干扰的土壤样品的干扰功能的参数产生了很大影响，并且对扰动功能的参数略有影响，使Remulded土壤样品。（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。基于剪切应变和体应变的双参数扰动函数的演化规律可以用指数形式方便准确地描述。（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。需要更多的试验来进一步调查这一现象。

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

作者声明没有利益冲突。

致谢

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

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