本文是一篇土木工程论文，本研究主要关注对压实低塑性黄土饱和和不饱和试样在不同应变率下进行一系列不排水三轴压缩试验和排水三轴压缩试验，旨在揭示加载速率对饱和和不饱和重塑黄土的应力－应变特性、强度峰值、剪胀性以及抗剪强度参数的影响规律。
第一章 绪论
1.1研究背景
自然状态中存在于地表的各类岩体经过风化、侵蚀、搬运、沉积等多种物理化学复杂过程后，形成了形态不同，级配不一的土体[1]。土的破坏和变形的性质复杂，主要有三个原因。第一，土体的孔隙中一般填充水或气，形成由固体、液体、气体组成的三相体，其破坏能力与三者之间的相互作用和构成比例密切相关。第二，土骨架由各种各样的颗粒构成，颗粒的大小、形状、矿物组成以及颗粒之间的相互作用也在一定程度上影响着土体的强度。最后，不同类型的土壤受到物理和化学反应的影响，这些因素共同作用，造成了分析和研究上的困难[2]。
随着西部大开发战略的实施，地质灾害防治和工程建设中遇到的饱和-非饱和黄土的强度演化问题急剧增加。我国黄土主要分布于西北内陆盆地、黄土高原、东北平原三个区域（图1.1），占我国陆地面积的6.6%[3]。黄土是第四纪沉积物，孔隙丰富，胶结能力差，粒组以粉粒（粒径5-50μm）为主，质地较均匀，其力学行为与历史应力密切相关[4]。在黄土高原地区，基础设施建设、环境保护等项目所面对的主要难题是作用荷载的非静态特性，包括时变荷载速率效应与往复效应[5]。因此，关于非饱和黄土的变形和抗剪强度的应变速率效应问题显得尤为重要。
1.2国内外研究现状及发展动态分析
1.2.1现状分析
目前，关于非饱和重塑黄土的应变速率效应问题的具体研究现状如下：
(1) 排水条件下应变速率对饱和、非饱和土强度的影响
对于常规的三轴排水剪切试验，一般认为剪切过程中孔压为零，开展排水剪切条件下的三轴试验，对于认识体变作用下土体的力学特性，具有重要的学术和工程意义，进入上世纪90年代，为了明晰应变速率对土的排水强度影响的规律，大批学者展开了对土的应力-应变特性、加载速率的取值问题等方面的研究。
Gibson and Henkel[14]（1954）研究了应变速率对黏土排水剪切孔隙水压力消散的影响，研究选取了London黏土、Haslemere黏土和高岭土，以及2.9×10-4in.2/min、6.2×10-4in.2/min和860×10-4in.2/min三种应变速率下三轴排水剪切试验结果，通过理论计算，推导出土样破坏时的理论固结程度与试验用时的关系，结果显示，排水剪切过程中未消散的孔隙水压力的大小与试验加载的应变速率成反比，为了确保孔隙水压力对测量强度不产生影响。
Carter[16]（1982）研究了有限渗透率、有限加载速率和孔隙水从试样中迁移而引起土体强度变化。试验以Weald黏土为研究对象，采用仅两端排水和所有面排水两种方法，结果显示，在两种排水情况下，试件的强度随着应变率的增加而降低，随着加载速率的增加，有一个从排水到不排水行为的转变。
朱俊高等[18]（2014）以堆石坝掺砾心墙料为研究对象开展了三轴固结排水剪切试验，应变速率采用0.02mm/min、0.06mm/min、0.18mm/min，结果显示，试样的最大体缩量随剪切速率的增大而减小，与强度的变化趋势相反，当加载速率从0.02mm/min增大至0.18mm/min时，黏聚力增大近10倍，而内摩擦角减小4.6%。
第二章 饱和和非饱和重塑黄土三轴试验设计
2.1试验用土
室内试验用土选择甘肃省兰州新区南绕城与现代农业园区域的压实黄土，如图2.1所示，所取土样为黄土，颜色呈褐黄色，土质较为均匀，其常用于该地区的平山造地、道路工程建设。此外，黄土地层中易发生工程建设问题和地质灾害，例如黄土滑坡、崩塌等，其中甘肃、陕西的马兰黄土最具代表性。因此，研究该区黄土对该区路基填土的应变速率效应分析，以及地质灾害和工程建设中土体失稳等工作提供参考。
现场取样时，用环刀取原状样，用密封袋包装好带回实验室，立即测量原状黄土的干密度、含水率等物理性质，三轴试验采用重塑土，将原状黄土料翻晒烘干后过2mm筛进行试验。
2.2土样的物理性质
按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）[49]，对土样进行颗粒尺寸、矿物成分和基本物理性质指标的测试。使用激光粒度分析仪获得黄土的颗粒尺寸分布（图2.2），从图2.2中分析结果可以看出，累积百分含量为10％、30％和60％的粒径分别为14.18 μm、28.45 μm和47.74 μm，如表2.1所示，通过累积曲线分析计算，得到兰州新区黄土的不均匀系数Cu=3.36，曲率系数Cc=1.19，计算结果表明该土的颗粒组成不均匀，黏粒与粉粒较为丰富。具体而言，该土样中黏粒含量为20.1％，粉粒含量为65.2％。
将高度和直径比值为2：1的圆柱体试样用橡皮模包裹，安装在仪器底座上，通过气压控制器控制提供孔隙气压和围压（饱和土试验仅提供围压），通过两个体积压力控制器分别提供轴压和孔隙水压，试样的剪切过程是：底座以试验预设的恒定速度上升，施加轴向荷载，试样顶部的压力传感器记录轴向压力（图2.3b），每个硬件都能独立地工作，接受计算机下达的指令以进行控制、数据采集和实验过程的全自动执行。此仪器可完成反压饱和、B值检测、三轴固结、固结排水三轴剪切(CD)和固结不排水三轴剪切(CU)实验。
第三章 非饱和重塑黄土排水剪切强度的应变速率效应..................... 18
3.1固结排水应力路径分析 ............................ 18
3.2围压对非饱和重塑黄土抗剪强度的影响 ........................ 19
3.3应变速率对非饱和重塑黄土抗剪强度的影响.................... 22
第四章 非饱和重塑黄土不排水剪切强度的应变速率效应................. 30
4.1固结不排水应力路径分析 ................ 30
4.2围压对非饱和重塑黄土应力-应变特性的影响 .................. 31
4.3应变速率对非饱和重塑黄土抗剪强度的影响....................... 33
第五章 饱和重塑黄土的应变速率效应研究 ........................ 41
5.1饱和土强度分析 ............................... 41
5.2应变速率对孔隙水压力的影响 ............................ 43
5.3应变速率对强度指标的影响 ................ 44
第六章 应变速率对非线性弹性模型参数的影响
6.2剪胀性
非饱和重塑黄土的三轴试验结果表明，剪切过程中，试样先发生剪缩再发生剪胀，体变-轴向应变曲线表现为二次抛物线，沈珠江模型中将体变-轴向应变关系表示为抛物线函数，如图6.1所示，其表达式为：
针对土的应力与应变之间的关系，研究人员总结出了多种可行的描述方法，包括弹性本构模型、弹塑性本构模型、损伤本构模型、结构性模型以及多因素耦合模型等[68]。其中，土的弹性非线性本构模型是一种简单易懂、描述土体非线性变形的基本模型。该模型具有清晰的概念，其参数具备明确的物理或几何意义，且可通过试验确定参数与应力变化的关系。因此，此模型被广泛用于研究土的应力与应变之间的关系。
第七章 结论与展望
7.1主要结论
当代社会正处于经济技术高速发展阶段，这使得岩土工程建设及地质灾害防治等领域出现越来越多复杂的工程问题。这些问题包括由爆炸和地震引起的土体运动、边坡稳定、构筑物地基的工后变形等，这些地质问题难度极高，形成机理不明确。土体的时效特性，如率敏性及蠕变等，与土体的抗剪强度特性和稳定性密不可分。因此，对土体应变速率效应进行试验研究，对解决岩土问题和地质灾害防治具有重要的理论和现实意义。为了解土的强度和变形特性以及建立土的本构模型提供了试验与理论基础。本研究主要关注对压实低塑性黄土饱和和不饱和试样在不同应变率下进行一系列不排水三轴压缩试验和排水三轴压缩试验，旨在揭示加载速率对饱和和不饱和重塑黄土的应力－应变特性、强度峰值、剪胀性以及抗剪强度参数的影响规律。依据试验结果，分析加载速率对非线性弹性本构模型参数的影响规律。经过综合分析后，得出以下主要结论：
(1) 在保证干密度和围压一样的条件下，非饱和重塑黄土的排水强度随应变速率的增加而减小；围压越大，土体排水强度随之也越大，重塑黄土排水剪切的最大体缩量及最大体缩量对应的轴向应变随加载的应变速率的增大而减小，其黏聚力也伴随加载速率的增大而相应的减小。
(2) 同一围压下，当应变速率从0.03mm/min增加至0.3mm/min时，非饱和重塑黄土的不排水强度随之减小；围压越大，土体不排水强度随之也越大，重塑黄土不排水剪切的最大体缩量及最大体缩量对应的轴向应变随加载的应变速率的增大而减小，其内摩擦角伴随加载速率的增大而增大。
(3) 同一围压下，饱和重塑黄土的不排水强度随应变速率的增加而减小，其机理是超孔隙水压力的升高导致有效应力的降低；加载的应变速率对于饱和样的破坏形态无明显影响；围压越大，剪切产生的超孔隙水压力随之也越大，但试样的鼓胀变形减小；等围压等应变速率下，饱和重塑黄土的不排水强度小于非饱和重塑黄土的不排水强度。
参考文献（略）
