摘要：依据原状黄土的应力应变变化规律及其抗剪强度随结构性参数的变化规律，揭示了黄土结构性与强度之间的内在联系，表明结构性是黄土强度的控制因素，结构性参数比与黄土的强度比符合简单的正比关系，即结构性越强，土的强度也越高。黏聚力随结构性参数的变化呈双曲线形态，而内摩擦角基本不变。当土的结构完全破损时，黏聚力趋于0，与饱和正常固结土相似。并将抗剪强度随结构性变化的关系引入了黄土隧道力学特性的分析中，指出黄土隧道在开挖和支护过程中，对围岩结构性破坏越大，围岩稳定所需的支护力或塑性区的范围将越大。
关键词：软弱黄土；变形规律；结构性；强度
1 引言
随着我国西部大开发战略的实施，西部公路交通网正在逐步形成，而西部地区黄土分布广泛，黄土隧道的数量也逐渐增加。黄土在地质上属于第四系形成的沉积物，在我国分布较为广泛，黄土围岩隧道也广泛分布。黄土具有多孔性、垂直节理发育、受地下水影响大、层理不明显等特征，黄土的土体力学性质使得黄土隧道与岩质隧道在力学机理、开挖工法和支护方案等方面都有较大区别。目前相关研究基本集中在黄土隧道的力学特性上，对变形规律的测试分析相对较少。而隧道变形是隧道结构稳定性的最直观体现，因此，黄土隧道的变形测试具有非常重要的意义。国内外许多学者对黄土的工程特点以及黄土隧道的变形规律进行了一系列的现场测试与试验分析，并取得了一定的研究成果。
国内外许多学者对黄土的工程特点以及黄土隧道的变形规律进行了一系列的现场测试与试验分析，并取得了一定的研究成果。Rogers等采用蒙特卡罗方法，建立了黄土的结构模型；Nishimura等针对非饱和黄土的工程性质，对黄土的强度参数进行了大量研究；乔春生等对饱水状态下黄土隧道的变形规律进行了研究；张新善等通过数值模拟，分析了由于地铁开挖而引起的周围土体的变形规律；曾仲毅等以围岩含水率分布变化引起膨胀应力场为主要研究内容，展开增湿对黄土隧道支护结构的影响研究，可为膨胀性黄土隧道的变形控制进行有效指导。
2 结构性黄土特性
天然沉积的原状黄土未经扰动、加荷或浸水作用时，其原结构保持不变，表现为具有一定的结构性。使土的结构性发生变化或破坏的途径可以是扰动、加荷和浸水。扰动能破坏土的联结作用和已形成的稳定空间排列，使土颗粒间的胶结作用表现出的结构势彻底释放出来；加荷能使土骨架受到压剪作用，弱联结、不稳定的部位首先破坏，逐渐发挥强联结和稳定部位的抵抗作用，但终究既改变了土颗粒的排列方式，又改变了土颗粒的联结特征；浸水可使土中的化学物质弱化、溶解，吸力联结丧失，水膜楔入又可使土发生膨胀。
通过原状土、重塑土和饱和土的三轴剪切试验，可建立反映结构性的定量化指标mσ。结构性黄土典型的应力应变关系曲线和结构性参数的变化规律所示。原状黄土的应力应变关系和结构性严重地依赖于含水量、固结围压和剪切变形。含水量越大，土的结构性将越弱，黄土抵抗变形的能力越弱，强度越低。当固结压力未能破坏原状土的结构性时，随着围压的增大，黄土抵抗变形的能力增强，强度增大；当固结压力破坏了原状土的结构性时，结构性在剪切过程中逐渐恢复，土的变形和强度与重塑土的类似。在土结构未遭破损以前，土抵抗剪切作用的能力强，剪切变形发展小；随着剪切变形的发展，土的结构性在较小应变水平下即表现衰减特征，剪切变形继续增大，结构性的持续衰减使土抵抗剪切作用的能力下降，即表现为应变软化的力学特性。
在剪切过程中，伴随着土结构的破损，黄土所表现出抵抗变形的能力将逐渐减弱，其强度也将发生显著的变化。剪切的初期（εs<1 %）是结构性逐渐表现出来的过程，结构性参数迅速增大；当结构性参数达到峰值后，开始减小，表明土的结构性在衰减，然而土抵抗剪切破坏的能力仍在增长；当土承受的剪切应力达到峰值后，随着变形的发展，结构性参数仍在继续衰减，与抗剪切强度的衰减一致。由此可见，结构性土的抗剪切强度与其结构性参数有密切联系，不同结构性的土其抗剪切强度不同，结构性的衰减过程伴随着土抗剪切强度的充分发挥及衰减变化，当土结构的胶结、固化丧失后，土粒（团粒）间的摩阻作用才能逐渐发挥出来。以往依据峰值强度、破坏应变等标准研究土的抗剪切强度时，实质上忽略了土结构性不同的影响。在分析强度与结构性参数的关系时，必须要考虑剪切过程中黄土所具有的结构性或强度是否完全表现出来，对于强结构性黄土，呈现出应变软化特征，剪切应变达到15 %的过程中，土的结构性得到了充分释放，土的抗剪切能力充分发挥，在土的抗剪切能力充分发挥后的衰减过程中也伴随着结构性显著地衰减变化。对于弱结构性土，呈现出应变硬化特征，剪切应变达到15 %的过程中，土的结构性虽然也得到了充分的释放，但是土的强度直到最后才完全发挥。土在变形过程中，土结构性参数变化的过程实际上是土颗粒相对位移导致土强度发挥的过程，因此，结构性参数与土的强度必然存在某种密切的关系。整理不同围压、不同含水量条件下黄土的结构性参数比和抗剪强度比的关系，不同湿度、不同压力状态下结构性参数比与抗剪强度比测试点分布在一个狭窄带内，基本上呈线性变化规律。这一关系不仅说明了已建立的结构性参数具有很好的稳定性，而且也表明了结构性参数与土抗剪强度的关系。即，土的结构性与其强度有强烈的相关性。
3 病害机理分析
非饱和黄土在物理性质方面较一般黄土有较大差异，其黏聚力是由土中水膜的物理化学作用以及土矿物颗粒的黏结力和颗粒间分子吸力所构成；摩擦力取决于土颗粒接触面上的正应力大小和土颗粒与胶结物接触面之间的摩擦程度；吸附强度由基质吸力产生，受含水量的影响较大，当土的含水量达到饱和状态时，土的基质吸力和吸附强度随之消失．因此非饱和土摩尔－库仑强度条件下的抗剪强度为.png)
式中：Cw为黏聚力；S为基质吸力；bSd为吸附强度；σtanφ为摩擦力；b，d为随取土点而变化的拟合参数。由式中可以看出，非饱和黄土基质吸力的变化对于土体的力学形态影响较大，从而直接影响了非饱和黄土隧道病害的发生及其发展。
4 结语
（1）软弱黄土隧道变形量较大、变形时间长，变形基本稳定后，拱顶下沉远大于水平收敛，依地质条件不同差异性很大。在临界埋深范围，软弱黄土隧道变形大于深埋和浅埋，且变形量离散性高。
（2）分析了结构性参数与强度参数之间的关系。结果表明，黏聚力随结构性参数的增大呈双曲线形发展，而摩擦角基本不变。当土的结构完全破损时，黏聚力趋于0，与饱和正常固结土相似，此时土的强度只包含摩擦分量。
（3）分析了黄土隧道围岩所需支护力和塑性区半径与结构性参数的关系，定量地给出了结构性降低引起的附加支护力。分析表明保证黄土的结构性是降低对支护要求的关键。
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论文作者:包朋华1,高兵1,芦勇2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第28期
论文发表时间:2020/1/18
标签：结构性论文; 黄土论文; 强度论文; 隧道论文; 参数论文; 围岩论文; 应变论文; 《基层建设》2019年第28期论文;