《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Hydraulic-mechanical analysis of unsaturated loess under isotropic compression
编辑推荐：
黄土以易发生显著体积变化而著称，且在联合加载与增湿条件下表现出复杂的的水力-力学屈服特性——这是岩土工程中的关键问题。为解决这一问题，本研究引入了一种以饱和度变化定义的新型结构扰动指数，从而能够统一表征从非饱和到饱和状态的结构湿陷。在此基础上，研究人员提出了一
黄土以易发生显著体积变化而著称，且在联合加载与增湿条件下表现出复杂的的水力-力学屈服特性——这是岩土工程中的关键问题。为解决这一问题，本研究引入了一种以饱和度变化定义的新型结构扰动指数，从而能够统一表征从非饱和到饱和状态的结构湿陷。在此基础上，研究人员提出了一种显式纳入结构扰动效应的改进加载-湿陷（loading-collapse，LC）屈服面。进一步地，研究人员建立了一种创新的结构性黄土等向本构模型，该模型综合考虑了封闭气相的影响，以一致地表征增湿与加载过程中的耦合水力-力学行为。该模型不仅能够捕捉非饱和黄土中由水力扰动和力学扰动引起的结构湿陷，还能准确描述增湿过程中的耦合水力-力学响应以及与屈服面交互运动相关的演化屈服行为。通过与试验数据的验证，证实了该模型在模拟耦合水力-力学增湿及饱和后响应（包括封闭气体产生的阶段）方面的有效性。这些发现具有重要的理论与实践贡献，为减轻受增湿与加载扰动影响的黄土工程中的大变形问题提供了关键指导。
黄土是在干旱-半干旱气候条件下形成的第四纪风积沉积物，具有欠固结、大孔隙发育、开放结构伴随垂直节理发育以及湿陷性和高崩解性等显著特征。与黄土地区工程实践和地质灾害关系最为密切的黄土主要为非饱和黄土。非饱和黄土在加载或增湿时易发生大变形，使工程实践面临巨大挑战。黄土湿陷过程中饱和度的变化可分解为恒定含水率下加载引起的力学增湿效应和恒定孔隙比下的水力增湿效应，二者对土体产生相似影响。在岩土环境中，黄土湿陷往往受水力增湿与力学增湿过程耦合控制。因此，全面理解大饱和度变化范围内的水力-力学行为对于推进黄土水力力学理论框架和减轻工程中加载或增湿引起的大变形至关重要。
初始孔隙比、基质吸力/含水率和土体结构显著影响湿陷性土的力学行为和湿陷响应。既有研究表明，初始孔隙的致密化使土体硬化从而降低其湿陷潜势；吸力路径的变化也显著影响土体湿陷响应。即使饱和度相同，经历不同水力-力学路径的土体由于持水性和液膜连通性的差异而表现出不同的毛细力，宏观上表现为主增湿与主干燥路径之间的滞回。除滞回外，持水行为高度依赖于土体孔隙率的变化从而依赖于力学行为。非饱和土的等向压缩试验表明，加载降低土体孔隙率，当降低幅度足够大时，即使吸力保持不变，也可观察到饱和度的不可逆增加。针对这一现象，现有的增湿-加载或加载-增湿试验也记录了体积应变和饱和度的不可逆变化，进一步凸显了水力与力学行为之间的耦合。为处理加载和增湿湿陷行为，Alonso等（1990）提出了加载-湿陷（LC）屈服面以连接水力-力学行为并发展了BBM模型。随后，Wheeler等（2003）通过考虑水力滞回和变形对持水性的影响引入了水力-力学耦合模型（GCM）。然而，增湿过程中的耦合水力-力学效应很少被深入研究，尤其是对于高水敏感性黄土。
黄土的结构特性通常定义为土体组构和颗粒间胶结所产生的综合属性，是影响其水力-力学行为的内在因素。非饱和黄土水力-力学行为的研究必须考虑该过程中黄土结构的演化。多项试验表明，加载和增湿条件下土体结构强度逐渐退化，压缩性也趋于降低。扰动可削弱土体结构并降低其强度，可能导致岩土结构失效。因此，深入研究结构性土的压缩特性具有重要意义。已有学者提出了含结构参数的模型以探讨结构性土的性质，Liu和Carter基于压缩扰动概念建立了结构性Cam Clay模型，此后被后续研究者扩展用于模拟结构性土乃至超固结土。然而，现有模型无法准确捕捉非饱和黄土在压缩或增湿扰动下的水力-力学行为，特别是大饱和度范围内水力增湿和力学增湿引起的耦合响应仍是结构性黄土水力力学研究中的显著空白。因此，有必要建立能够准确表征大饱和度变化下结构退化的本构模型，从而推进对非饱和黄土在水力与力学加载下耦合水力-力学增湿行为的理解。
本研究针对黄土在结构性和水敏感性下的耦合水力与力学增湿响应，在已有考虑封闭气相影响的非饱和黄土本构模型基础上进行了重要扩展，以捕捉等向加载和水力路径下的耦合行为。引入饱和度相关的结构扰动指数以定量表征非饱和黄土的结构退化。基于该指数，建立了新的体积和饱和度演化方程，并建立了一个同时考虑水力扰动和力学扰动的新型LC屈服面。模型采用双硬化规律以全面描述非饱和黄土的水力-力学敏感性。通过与力学增湿和水力增湿试验数据的验证，证明了模型在捕捉大饱和度变化下湿陷行为和水力-力学屈服演化方面的能力。这项工作提供了一个物理一致的框架，推进了对结构性黄土耦合水力-力学增湿诱发变形的理解和预测。
在技术方法方面，本研究基于土体压缩扰动概念定义了以饱和度为函数的非饱和结构扰动指数，并将其引入体积变形方程；通过修正吸力变量建立持水模型，采用双硬化规律描述固-液两相屈服面的耦合运动；引入封闭气体损伤参数以表征高饱和度下封闭气泡对屈服应力的影响；利用已有非饱和黄土等向压缩试验数据（包括西安原状黄土不排水等向压缩试验和加载-增湿试验数据）对模型参数进行标定与验证，并通过数值模拟与GCM模型进行对比分析。
在研究结果方面，关于压缩扰动指数，研究人员基于天然沉积黄土与重塑黄土在压缩过程中的结构差异定义了附加孔隙比，并将结构扰动指数表达为饱和度的函数，通过参数敏感性分析表明a1可表征孔隙结构对水分变化的响应模式，a2可表征黄土胶结对水分的敏感性。关于等向水力-力学耦合关系，研究人员建立了考虑结构扰动的LC屈服面，其在p'-Sr空间中划分固相与液相的弹塑性区域；以修正吸力为应力变量描述持水特性的弹塑性变化，并给出了固-液两相屈服面的耦合运动表达式，通过常荷载增湿和不排水加载两个代表性工况说明了屈服面的耦合运动机制。关于封闭气相，研究人员假定代表性体积单元中固相体积为1，推导了单位体积内封闭气体的体积分数表达式，并基于临界饱和度Src（0.85）定义了封闭气体对屈服应力的损伤参数。关于模型标定与敏感性分析，研究人员利用已有等温恒含水率加载试验数据标定了b0、bd、a1和a2等参数，验证了扰动指数和LC屈服面的有效性，并通过敏感性分析表明结构扰动参数显著控制非饱和结构性黄土的湿陷响应。关于本构模型的建立，研究人员在p-s应力空间中推导了以净平均应力和基质吸力为控制变量的增量本构关系，模型共需12个参数，均可通过常规力学试验获得。关于模型性能，在常吸力等向加载模拟中，该模型能平滑表示弹塑性行为以及由SD屈服面耦合上移引起的饱和度塑性变化，k2越大则水力-力学耦合效应越强；在常净平均应力水力增湿模拟中，当饱和度超过临界饱和度（0.85）时封闭气泡的形成阻滞了饱和度增加并延缓了塑性体积应变，k1的微小增加即产生显著的增湿湿陷增强效应。关于模型验证，在不同初始饱和度原状黄土等向压缩验证中，模型预测与试验数据吻合良好，初始饱和度越低则结构效应越强，随应力增加预测曲线逐渐趋近于无结构情况，表明土体结构在应力扰动下逐渐丧失；在水力增湿与力学增湿体积应变验证中，水力增湿下水的入渗迅速增加饱和度并破坏胶结键，通过k1拉动LC内移从而触发大量塑性湿陷，而不排水力学增湿则需要显著更大的荷载才能产生同等量级的体积湿陷；在加载-增湿耦合响应验证中，模型较好地捕捉了随净应力增加而增大的增湿变形以及持水曲线的滞回特征，且考虑水力-力学耦合增湿使持水响应向更高吸力方向移动；在屈服行为验证中，模型通过屈服后应力更新准确描述了力学增湿过程中屈服行为的发展以及水力增湿下SD下移与LC外移的耦合屈服响应；在干湿循环路径验证中，模型准确捕捉了干湿过程中的水力滞回特性，若忽略力学增湿对持水性的影响则显著低估土体持水能力的发展。
在讨论部分，研究人员指出该模型在广泛的饱和度变化范围内捕捉水力-力学耦合行为，兼顾结构扰动和气相封闭效应。在水敏感性方面，通过水力-力学双硬化规律描述大饱和度范围内的强水敏感性；当饱和度增至气相封闭时，通过引入气相损伤特性合理表达封闭气体对土体力学行为的影响。在结构效应方面，土体结构提供的胶结使黄土具有高于无结构土的屈服应力，加载和增湿下发生不可逆结构扰动，通过将饱和度相关的结构扰动指数引入体积变形方程，模型对增湿与加载联合作用下的体积行为提供了物理一致的描述。试验和模型计算结果表明，大部分湿陷行为发生在饱和度跃迁的早期阶段，引入封闭气相主要是为确保模型覆盖从极干到完全饱和整个增湿路径的理论完备性和严谨性。关于偏应力，剪切引起较大剪应变而体积变化相对较小，且结构性黄土在三维偏应力或剪切条件下的各向异性是值得考虑的重要方面，因此模型未涉及偏应力下的屈服，而集中于等向条件下的力学与水力增湿响应。未来工作拟从塑性功角度将结构效应纳入p'-q屈服面，并扩展至考虑孔隙气体压缩和位移的三相耦合模型。
研究结论翻译如下：(1) 将考虑广泛饱和度变化范围内封闭气相影响的非饱和黄土本构模型扩展至等向应力状态，同时基于饱和度变化构建了结构扰动指数以统一描述从非饱和到饱和状态过渡期间的结构湿陷，据此建立了纳入该结构扰动的LC屈服面；通过将扰动指数集成到模型中，一致地描述了结构性黄土在力学加载和增湿过程中的耦合水力-力学行为，试验数据证实了所提扰动指数和LC的有效性与准确性。(2) 该模型目前专门针对等向压缩应力状态，尚未扩展至复杂偏应力或剪切条件；模型共需12个参数，均可通过室内试验便捷确定；与现有模型相比，本模型对加载和增湿过程中的弹塑性体积应变和饱和度变化提供了更连续的表示；在常荷载增湿过程中，当饱和度超过临界值（0.85）时，封闭气泡的形成阻滞了饱和度增加同时延缓了塑性体积应变。(3) 在加载下的增湿过程中，水力增湿和力学增湿的耦合效应引起液相和固相的同时塑性变化，导致显著土体湿陷和持水曲线滞回；这种增强的持水能力表现为土体在给定饱和度下力学加载时能维持更高的基质吸力；对于不排水条件下的力学增湿，由于吸力和胶结提供的结构强度，需要更高应力才能产生可比拟的体积湿陷；水力增湿和力学增湿的耦合驱动LC外移同时引起SD下移，所提模型通过屈服后应力更新有效捕捉了增湿过程中屈服行为的演化。
