1.2　黄土的工程性质研究现状

黄土和黄土状土覆盖着全球大陆面积的2.5%以上。我国黄土面积约为64万km2，是世界上黄土分布最广泛的地区。我国黄土主要分布在西北地区，在华北平原及东北的南部地区也有一定分布面积。我国西北地区黄土地层最厚、最完整，其工程特性最为典型。对黄土工程性质的研究，国外的苏联、东欧国家和美国起步较早，但多偏重于黄土湿陷特性、水土流失规律的研究，对黄土其他工程性质研究成果较少。我国随着国民经济建设的发展，对黄土力学及工程性质进行了全面、系统和深入的研究。特别是在中国西北地区集中了一大批专家学者，提出了一批又一批科研成果，这些成果都反映了黄土力学性质研究发展的最高水平。黄土力学是在中国城乡建设、铁路、公路、水利电力、机场等各类工程建设中逐渐形成，并得到突飞猛进的发展，同时又在这些工程建设中起到了重要的作用。多年来研究的成果主要有以下几个方面。

1.2.1　黄土的定名

（1）以地质特征（地层、年代、成因）为基础的体系。例如，Q1黄土、Q2黄土、Q3黄土、Q4黄土；午城黄土、离石黄土、马兰黄土；老黄土、新黄土、新近堆积黄土；风积黄土、冲积黄土、洪积黄土、坡积黄土等。

（2）以湿陷特性为基础的体系。例如，非湿陷性黄土、湿陷性黄土；自重湿陷性黄土、非自重湿陷性黄土等。

（3）以颗粒组成特性为基础的体系。例如，以塑性指数表示，如砂黄土（4<IP<6）、粉黄土（6<IP<17）、黏黄土（IP>17），以及将粉黄土再分为砂质粉黄土（6<IP<9）、粉黄土（9<IP<15）和黏质粉黄土（15<IP<17）3个亚类，将黏黄土再分为粉质黏黄土（17<IP<20）和黏黄土（IP>20）两个亚类。此外，像大孔土、类黄土等也时有所闻。

每一种的分类定名都可以从不同角度带给我们关于黄土的若干信息以及这些信息在不同土类上的差异，从而为它的应用和积累更多的资料提供方便。形象生动的定名，可以达到闻其名而知其人的效果。

1.2.2　黄土的强度理论

黄土的强度理论是黄土地区工程建设的关键理论问题。研究成果有以下几个：

（1）莫尔-库仑强度准则的应用。早在20世纪50年代通过直剪试验资料证明，黄土的强度基本符合莫尔-库仑强度准则。以后大量三轴试验资料也证明黄土的强度基本符合莫尔-库仑强度公式。不少学者在研究黄土的结构强度对强度的影响时提出，由于结构强度的影响，黄土的抗剪强度不服从莫尔-库仑定律，而要分段线性表示。但从文献资料和工程实际看，这种现象都是在低压力下才出现，对工程应用影响不大，用莫尔-库仑强度定律表述黄土的强度不会产生较大的误差。

（2）增湿时的强度特性。黄土增湿剪切变形是在剪应力和浸水共同作用下产生的，并随着剪应力水平而逐渐发展甚至出现增湿剪切破坏。黄土的增湿剪切过程不仅有增湿剪缩，还有增湿剪胀现象。浸水强度与天然强度之比的剪应力水平不是常数，而是固结压力的函数，其变化范围为0.3～0.5。

（3）黄土的长期强度。黄土的长期强度是指应力作用持续时间不同时土的强度，它随应力作用持续时间和增加而变化，一般是越来越小，但有个极限，即长期强度极限。研究方法是在莫尔-库仑强度表达式中，把长期强度下的内摩擦角与短期强度下的内摩擦角比值称为摩擦角折减系数ηφ，把长期强度下的黏聚力与短期强度黏聚力比值称为黏聚力折减系数ηc，把长期强度与短期强度比值称为强度折减系数ητ，并用这些折减系数来反映长期强度的衰减。试验结果为ηc=0.18～0.63，ηφ=0.81～0.98，ητ=0.51～0.85，表明原状黄土流变性强度衰减显著。

1.2.3　黄土的应力-应变数学模型

（1）线弹性模型。现在工程中还广泛应用着这种模型。像以压缩试验为基础的分层总和法；用K、G或E、μ为参数的有限元分析法，这种模型简便，概念清楚，工程经验丰富，但是很难用来描述土的非线性，更难描述加载（如施工）过程的应力与应变关系。同时，只有试验与实际的应力路线相近时结果才比较令人满意。

（2）非线性模型。典型的是双曲线应力、应变关系为基础的E-μ模型和K-G模型。这种模型在应用于黄土时，要根据应力、应变关系进行必要的修正。这类模型如果在加、卸载时使用不同的弹性模量，在一定程度上可以描述一些较复杂的应力路线下的应力与应变关系。但该模型的参数是从常规三轴试验确定出来的，应用于工程中常见的平面问题就会产生一定的误差，特别是体积变化失真，不能用于比奥固结理论计算，因为初始孔隙水压力计算不准。

1.2.4　黄土的湿陷变形理论

黄土的湿陷变形是黄土的突出特性。由于黄土的湿陷变形具有突变性、非连续性和不可逆性，对工程产生的危害严重，所以一直是湿陷性黄土地区工程建设的关键技术问题，吸引了一大批专家学者对其进行研究，所提成果较多，主要有以下几个：

（1）黄土的湿陷机理。关于黄土湿陷机理有多种见解。主要有两大类：一是加固黏聚力降低或消失的假说，其理论基础是认为水膜楔入作用和胶结物溶解作用下，加固黏聚力破坏，同时结构也破坏；二是黏土颗粒膨胀和土粒间抗剪强度突然降低的假说，它指出黏土颗粒表面吸附水的增多导致黏土发生膨胀，必然也将使颗粒骨架分开，结构强度破坏而产生湿陷。无论哪一种假说都从不同的侧面说明了黄土产生湿陷的原因是黄土内部固有的特殊因素和外界适当的条件共同作用的结果。内部因素主要指它的特殊粒状架空结构及特殊组成成分，外部条件是指水和力的作用。

（2）增湿、减湿、间歇性增湿的湿陷性。黄土的增湿，可以由地下水位上升引起，也可以由地表水的入渗引起。前者增湿自下而上发展，浸水面积大，湿陷均匀，浸湿速率一般较慢，湿陷变形的过程较长，而后者增湿自上而下发展，浸水面积局限在小范围（浸湿不均匀），湿陷速率一般较大，湿陷变形的过程较快。两种增湿对建筑物的影响不同。试验表明，黄土在一定压力下浸水饱和与在初始含水率分级增大湿度直到充分饱和产生的总湿陷量相等，与浸水次数无关。地下水位的大幅度下降、大气的蒸发属于减湿过程，而渠道的间歇性过水属于增湿、减湿交替过程。研究表明，减湿如发生在受荷以前，它可以使受荷后的压缩变形减少，而湿陷变形增大；减湿如发生在受荷变形之后，它将不会再引起新的变形。减湿后的再次增湿，只要不超过以前的增湿水平，也不会再有新的增湿变形，间歇性浸水引起的湿陷变形，只随浸水最大湿陷水平的增大而增大，而与浸水往复次数的多少无关。

（3）压实黄土湿陷性。在黄土地区，广泛地应用黄土作为建筑材料，如黄土筑坝、压实黄土渠堤等。这些建筑物往往在蓄水或引水后发生裂缝甚至滑塌，主要是因为填筑体浸水后产生较大湿陷变形。研究表明以下几点：

1）当压实黄土与原状黄土的含水率、干密度均相同时，压实黄土的湿陷性比原状黄土的湿陷性大。

2）压实黄土当干密度较大（如ρd=1.708g/cm3），而含水率较低时，仍会出现中等湿陷性。

3）当填筑含水率低于最优含水率2.0%～3.0%时，压实黄土在浸水后就会出现湿陷性，因此压实黄土筑坝筑堤时必须用填筑含水率不低于最优含水率的2%～3%和最大干密度来控制施工质量。

（4）湿陷敏感性。黄土的湿陷量是造成建筑物破坏的主要因素。但湿陷量的发展快慢对建筑物破坏程度却不一样，这种快和慢就是湿陷的敏感性，对它作定量表示具有实际价值。湿陷敏感性表示方法较多，但典型的还是模糊综合评判法。该法以黄土的地质年代、自重湿陷量的大小、最上一层自重湿陷性黄土的埋藏深度以及自重湿陷性黄土层厚度在湿陷性黄土层总厚度中所占的比例大小的影响作为影响因素，用自重湿陷性敏感系数β将地基分为不敏感（β<0.5）、较敏感（0.5≤β≤0.7）和敏感（β>0.7）。用它对12个地基评判的可靠度达到90%以上。

（5）黄土湿陷本构模型。

1）湿陷非线性模型。对于某一种具体湿陷性黄土而言，其湿陷本构方程可写成应力、含水率和时间的函数。若只考虑浸水饱和后的最终湿陷应变，最终湿陷应变只是应力状态的函数。根据三轴等应力比湿陷试验资料，将湿陷的体变和平均正应力曲线及湿陷剪应变和剪应力曲线分段表示，转点以下近似表示为双曲线，转点以上近似表示为幂函数，这种非线性数学模型实际上反映了湿陷变形对应力状态的依赖关系，同时体现了应力交叉效应；而转点前后的曲线形状则反映了浸水后土结构的破坏程度与残余强度对湿陷变形的影响。在转点前，主要反映土原有结构的破坏和残余强度的丧失；在转点后，既反映原有结构的破坏和强度的丧失，又反映新的结构和强度的形成。该模型除有上述理论上的优点外，还可反映土在湿陷过程中的侧向胀缩。

2）含水率作为参数的湿陷塑性模型。根据湿陷初始压力的概念提出了湿陷初始破坏准则。该准则在p-q面上由M-C破坏准则和圆形初始应力线组成。而且圆心坐标和圆半径都是含水率的函数，当含水率变化时，用相同的方法可以求得湿陷初始压力轨迹曲线簇，该模型相当于含水率作为参数的湿陷塑性模型。

3）含水率作为变量的湿陷塑性模型。根据岩土塑性力学的基本理论和湿陷起始应力的意义得到起始屈服面，它近似于椭圆形。对于湿陷性黄土地基在含水率不变的条件下，荷载继续增加时，土体会连续产生新的塑性变形，塑性能将发生变化，其应力状态也将从起始屈服面跳到一个新的屈服面上，从而获得一个新的屈服面，对于应力及含水率均在变化时，屈服面在空间上也将在新的平衡条件下形成。该模型是根据黄土湿陷变形特点与塑性力学结合建立起来的，具有重要的理论价值。

4）损伤力学模型。首先假设原状黄土为理想弹性体，求出杨氏模量、侧限压缩模量以及相应的泊松比。其次，把结构强度完全破坏以后的黄土当作粉土看待，其三轴压缩和侧限压缩曲线用数学表达式表示出来。最后假定应变增加和水分增加，均可引起结构强度的损失，提出演化规律方程。并将原状黄土应力与应变关系、完全破坏以后的黄土应力与应变关系以及损伤演化规律代入双弹簧模型就得到黄土湿陷的损伤力学模型。

1.2.5　黄土的动力理论

研究黄土动力特性的现实必要性早已被黄土地区地震作用下大量的滑坡、震陷甚至液化事故所证实。该项研究起步于20世纪70年代末80年代初，几十年来，许多学者进行了大量的工作，取得了不少成果，也揭示了不少规律，并将其初步用于对实际问题的分析。目前较为成熟的成果主要有以下几个方面：

（1）由于黄土结构对水作用的特殊敏感性，根据湿度状态一般将黄土划分为干型黄土、湿型黄土和饱和黄土，其动力特性有明显的差异。干型黄土的动本构关系具有直线形关系，破坏应变范围内的动模量为常数，动强度呈脆性拉断破坏，固结应力比的影响不大，由振密引起的震陷很小。湿型黄土的动本构关系呈双曲线形，动强度呈塑性压剪破坏。固结应力比的影响视其是否能引起黄土结构强度的破坏，而使动强度随应力比的增大发生增大或减小。振密变形受起始静应力的影响，并随动应力的增大而增大，存在一个不发生明显变形的临界动应力。饱和黄土本构关系也是双曲线形，但因其具有高湿度、低密度和弱结构强度而发生较大的动变形，表现出较小动强度，可能会出现动孔压大幅度增长，甚至表现出类似于砂土液化现象。

（2）黄土的震陷是一个具有实际意义的重要特性，影响黄土震陷量的主要因素为含水率、固结应力、动应力、振动次数等。震陷临界含水率关系曲线可作为判别震陷发生的标准，用静三轴试验的压缩和湿陷变形系数可以预测某一动荷作用下的震陷量。

（3）在假定黄土地基的静承载力和动承载力直接与黄土的静强度和动强度有关，且静、动承载力之比等于静、动强度之比的条件下，通过静、动强度的研究探讨了黄土地基抗震承载力调整系数的变化机理及数值。该值已为冶金部抗震规范所采用。

（4）动弹性模量与固结压力的大小有关，当固结压力比相等时，固结压力值越大，动弹性模量的值也越大；不同固结比情况下，黄土的最大动剪切模量与平均有效固结应力比的平方根成正比。

（5）黄土可以在两种情况下发生类似砂土的液化现象：一种是饱和黄土在静应力较低、动荷较大时，由于动荷引起黄土结构的迅速破坏，导致孔压的迅速上升，或者剩余湿陷变形的迅速发展而出现液化现象；另一种是干燥黄土，当其受到较大动应力的剪揉作用而发生快速的结构破坏时，粉颗粒彼此散开，并向大孔隙落入。此时，由于孔隙中的空气一时来不及排出，致使在粉粒悬落过程的瞬间，土的强度丧失，发生液化流动。

（6）在模拟实际地震作用下的不规则波情况下，也初步揭示了黄土动力特性的变化规律，此时的动应力与动应变曲线仍然可以用双曲线表示，只是不规则波特性的不同，整理方法对应有不同的曲线参数。研究表明，用统计学和随机过程理论来研究不规则波下黄土动力特性已显示出良好的前景。

总之，尽管人们对黄土的动力特性进行了较为全面的研究，也解决了一些实际问题，但较为系统的研究基本上只有为数不多的几家，而且采用的方法还各具特色，其研究的土类也多集中在西安和兰州附近，这同全国范围内广大的黄土分布也极不相称，同时给我们提出新的挑战。

1.2.6　黄土的结构理论

土的结构是决定土的工程性质的主要因素之一。黄土之所以被认为是一种特殊土，就是因为它具有特殊的工程性质，而这些性质又是由其特殊的结构所决定的。这方面的研究成果很多，这里只能分类进行叙述：

（1）显微结构的研究。起初采用简单的设备（如双目放大镜等）对黄土的颗粒、孔隙进行了定性描述，由于试验设备简单，在当时也只能得出简单的定性结论，但为黄土结构理论的形成做了很好的基础工作。随着科学技术的发展，现代化设备的出现促使黄土的微结构理论大大向前推进一步。用扫描电子显微镜对我国北方黄土进行了广泛深入的研究，提出了黄土结构12种分类形式，得出了显微结构类别与湿陷系数的关系、显微结构类别与湿陷起始压力的关系。采用压汞法进行了黄土孔隙研究，它能定量地揭示黄土中孔隙的分布特征，并能定量地了解黄土中孔隙的连通性和渗透性。由于黄土的结构是颗粒、孔隙排列和颗粒之间胶结的统一，单纯从某一个分量定量研究都很难在工程中得到应用。

（2）数学力学模型研究。有的人用杆单元模拟黄土的结构单元，采用结构力学的方法推导出黄土湿陷的数学模型；有的人用突变理论对黄土的湿陷性建立微观结构失稳模型，并按照现代连续介质力学方法给出了湿陷性黄土的本构关系；还有的人从土受力变形到破坏过程是原状土结构逐渐破坏次生结构而形成的过程，也就是从原状土到扰动土的转化过程，提出了黄土的损伤力学模型。这些方法新颖，提出了一种新的思路，在一定程度上可反映黄土的结构特征，但很难模拟黄土颗粒胶结和排列特性。

（3）土力学试验研究。土力学试验方法避开了难以确定的黄土微结构排列、胶结、孔隙、颗粒分布等因素，通过试验应力-应变曲线算总账的办法确定黄土的结构，具有它的优越性。这方面的研究所提方法较多，但最具特色的还是文献所提方法：通过结构性的机理分析，提出了土的颗粒连接的可稳性和颗粒排列的可变性两个新概念。在分析土结构性变化规律的同时，构造了反映土的排列特征和连接特征的结构性参数；将结构性参数与土变形和强度联系起来，发现土的结构性参数对土的变形曲线有较好的归一化作用；两种土结构参数之比与两种土变形之比为一直线，且各种土的这种关系斜率基本一致，对于强度问题也有同样规律，说明研究土结构性指标的重要意义；将简单应力条件下得来的结构参数推广应用到复杂应力状态，表现出结构参数描述土结构性质的思想具有广阔的应用前景。可望这一研究成果在工程实际中得到广泛应用。

1.2.7　非饱和黄土理论

我国北方地区处在干旱和半干旱地区，又广泛分布着黄土，所以在工程建设中，经常遇到非饱和黄土。以往解决黄土地区建筑物地基、土坡以及堤坝材料时，常常采用总应力法，很难正确模拟工程实际，大大降低了土力学指导工程实践的作用。针对这一实际，近年来随着量测技术的发展和计算机的广泛应用，这一古老而现实的课题又重新活跃起来，所取得的成果有以下几个。

1.非饱和黄土的孔隙压力特性研究

大量试验表明，非饱和黄土在无外荷情况下的吸力主要受含水率的影响，随着含水率的增大，吸力的值在减小，曲线也愈来愈缓；非饱和黄土试样在固结时，周围压力对孔隙气压力影响明显，孔隙气压力随周围压力的增大而增大，含水率愈大增大愈快，周围压力对孔隙水压的影响在含水率较低时并不明显，在含水率较高时，孔隙水压力随周围压力的增大而增大。随着周围压力的增大，各不同含水率状态下的吸力值均增大，含水率低时增大的趋势要强一些。黄土试样在剪切过程中同时产生两种趋势：一种趋势是含水率低时，随着剪切试验轴向应变增加，孔隙变小引起水膜凹面曲率变大，引起吸力增长；另一种趋势是含水率较高时，水膜变厚导致水膜凹面曲率变小，从而引起吸力降低。这两种趋势共同决定了黄土试样在剪切过程中吸力随应变的变化情况。

2.非饱和黄土的应力变形规律

（1）将非饱和土视为三相不混溶的混合物，从动量守恒定律得到三相运动方程和总体平衡方程，根据力学量和渗透规律建立了非饱和土固结的混合物理论。

（2）根据试验资料，提出了一个新的吸力增加屈服条件，并建议了一个在三轴剪切条件下描述屈服应力的新方法。

3.非饱和黄土孔隙流体运动规律

非饱和土作为一种多孔多相介质，在孔隙中既有气体的运动又有液体的运动。这两种流体的运动规律及其相互间的关系直接影响到土的固结和变形，因此，揭示非饱和土中孔隙流体的运动规律及其与饱和度、密度间的变化关系是非饱和土除力学特性以外的一个非常重要的课题。通过广泛研究提出的成果总体上看具有系统性和完整性。

（1）由理论分析表明，非饱和黄土中的水、气流动均可用达西定律描述。

（2）引入了利用试样初始饱和度及外加水后的稳定饱和度所对应的吸力来计算渗水梯度及渗水系数的新方法。

（3）在试验研究的基础上得出6cm的试样高度较为合适的结论，对渗水稳定时间的确定，提出了误差影响分析的方法，提高了试验精度。

（4）在低饱和度范围内，渗水系数的变化幅度较大，而渗气系数的变化较小。干密度的变化则对渗气、渗水系数影响均较大，但在高饱和度范围内，渗气系数呈突降的趋势，而渗水系数却缓慢增长。但总的趋势是饱和度愈大，渗气系数愈低，渗水系数愈大。

4.试验设备的改进和试验方法研究

非饱和土试验设备和试验方法是非饱和土理论发展的前提和基础。由于非饱和土的三相特性，因此试验研究仍然是非饱和土力学当前最迫切的困难问题之一。组装了非饱和土三轴仪，该仪器压力室活塞与试样面积相等，由于关键部位处理的科学性，使活塞无摩擦力存在。其优点是在剪切过程中避免了试样帽的倾斜，有利于安装气压传感器，使试验中测定土样孔隙气压力方便、可靠。水压力量测靠压力室底座上镶嵌陶土板，再接上水压传感器实现。量测数据采集和记录用非饱和土测定仪，针对武功黄土进行了从初始吸力测定到剪切的一系列试验，得出了施加围压前是否测初始吸力只影响施加围压过程初始吸力的变化，不影响终止初始吸力值结果，建议了非饱和黄土的剪切速度为0.0107mm/min，在这样的速率下所测孔隙水压力、孔隙气压力、体变值能够协调。水利部西北水科所研制了一台非饱和土的压缩仪，以武功黄土和王瑶水库大坝为对象对黄土进行了非饱和压实黄土的不排气、不排水压缩试验、非饱和压实黄土的排气、排水压缩试验、非饱和压实黄土的湿陷试验、非饱和压实黄土在常吸力下的压缩与湿陷试验。徐淼、刘奉银（1996）的作者和单位研制了非饱和土γ射线三轴仪，对土工三轴仪的体变量测系统、增湿浸水系统、应力控制系统、射线扫描系统及吸力量测系统5个方面进行了改进，解决了双源双能γ射线量测中一系列难题，全面研究了提高测试精度的措施与要求，使新仪器能够以土工试验要求的精度测定非饱和土加荷和浸水条件下的力学性状，同时得到试样的轴向变形、侧向变形、体积变形和底部的孔隙压力，并进而获取试样沿高度上各点的干密度和含水率以及孔隙水压力，实现了在非饱和加载与浸水条件下精确量测压力、变形、孔压和湿密状态变化的各类参数和多种功能，很有创见性。作者和单位研制并完善了非饱和土新型水汽运动联合测定仪和试验分析方法。该仪器具有很大的优势和潜力，可以方便地研究非饱和土在湿度和密度发生大变化条件下的水、气运动的演化规律，结合探索和总结的一套试验方法。将Ts-526型多功能三轴仪压力室底座镶嵌一块陶土板，并增加孔隙气压力和孔隙水压力量测系统，改制成非饱和土真三轴仪。同时开展了非饱和黄土的真三轴试验研究，揭示了非饱和黄土三维有效应力变化规律。