生土是未经过烧制的泥土，作为最古老的建筑材料之一，生土在世界各地得到了广泛应用。考古学证据表明，大约在10 000年前，人类第一次在建筑中使用生土材料，而将成型的生土砌块应用于房屋建造中，出现在距今约7 000年的美索不达米亚^[1]。过去几个世纪对生土材料的广泛应用，使生土建筑成为了一种重要的传统建筑。目前全球约30%的人口仍然居住在由生土建造的房屋中^[2]。生土之所以被人们沿用至今，主要是因其具有易于就地取材、隔音隔热性能良好、物化能量较低等优点^[3]。虽然当今生土不再是主要建筑材料，但随着对绿色、环保建筑需求的不断增长，生土建筑又重新引起了人们的注意^[4]。

　　 针对生土材料的基本物理力学性能，近年来国内外学者进行了大量试验和理论研究并得出了一些有益的成果，例如:生土材料的抗压、抗折、抗剪性能及破坏形态^[5,6,7,8]，通过掺入改性掺料改善生土材料自身强度低、耐水性差、体积稳定性差等缺陷^[9,10,11]，并在试验研究的基础上理论分析了生土材料的本构关系^[12,13,14]。加载速率是影响生土材料单轴抗压性能的重要参数之一，但在以往研究中生土材料单轴抗压试验的加载速率均未统一，且尚无关于加载速率对生土材料抗压性能影响规律的系统分析。

　　 本文在长安大学建筑结构与抗震实验室的大型电液伺服试验系统上对生土进行不同加载速率下的单轴抗压试验，分析了加载速率对抗压强度、弹性模量及峰值应变的影响;并借鉴混凝土量度损伤的定义^[15]，以生土切线模量随加载速率增加的变化量度损伤，研究生土的损伤演化规律。

　　 试验所用生土取自西安市长安区，制作生土试块前将生土过筛，采用孔径为5mm的筛筛除生土中粒径较大的石块及硬土块，避免试块中出现较大石块而影响试验结果的准确性。称取风干土样 (过5mm筛后的土料) ，并测定其天然含水量;将含水率调整到最优含水率 (18%) 制作试块。本次试验采用千斤顶压制法制作生土试块，试块制作装置为本课题组自行设计，该装置包括对应尺寸钢试模、对应尺寸有机玻璃套筒及压板、千斤顶及反力架，如图1所示。

　　 将立方体试模平放在坚实地面上，安装好护筒，在试模内涂一层较薄的润滑油，将土料分层装入;采用千斤顶法对试块进行压实，一层压实好后，加下一层土样时应将接触面“拉毛”;压实完成后，超出试模顶的试样高度应小于5mm;拆除钢试模，将压制好的试块自然养护28d。试验共制作边长为100mm的立方体试块50个，图2为已压制成型的生土试块。

　　 试块在MAS-500伺服作动器 (杭州某机电控制工程有限公司制造) 上进行加载，并用JAW-1000电液伺服结构试验系统控制，系统可自动记录试验过程中的竖向位移和荷载，并绘制试块的荷载-位移曲线。

　　 本次试验采用连续加载方式，加载速率用位移控制，分别为0.5, 1, 3, 5, 7mm/min，每个速率各进行10次抗压试验，共完成试验50次。加载过程中以试块成型面作为受压面。试块表面不平整处需要打磨，由水平尺检查平整度。在与压力机配套的操作软件中填入试块尺寸、加载速率、试验结束条件等基本选项后，将试块对中。针对材料发生破坏时应力与应变的关系 (发生破坏时，应力不变或产生上下波动，而应变则继续增大) ，澳大利亚标准推荐的控制模式为恒应变控制^[16]。以荷载下降至峰值荷载85%作为试块破坏条件，确保压力机正常运行并与试块紧密接触后开始试验。

　　 5种加载速率下试块单轴抗压试验破坏过程类似。加载初期试块均在四周棱角附近出现细小裂缝，随荷载增大，裂缝沿竖直方向缓慢扩展，随后上下钢板处出现密集微裂缝，试块分层处出现严重膨胀，表皮大块剥落，最终试块呈细腰状破坏 (图3) 。

　　 图4为生土试块抗压强度随加载速率的变化规律。从图中可以看出，随着加载速率的增加，试块极限抗压强度呈现先增大后减小的趋势，其中当加载速率为3mm/min时试块极限抗压强度最大，以加载速率为0.5mm/min时的抗压强度为试块的基准抗压强度，当加载速率为1, 3, 5, 7mm/min时，试块的抗压强度分别增加了16%，25%，6%，-4%。在进行试验前，试块内部已经存在裂缝、孔隙等初始缺陷，当加载速率较小时 (≤3mm/min) ，这些缺陷由于土颗粒的重新分布逐渐消失，试块被再次压实，承载力有提升的趋势;当加载速率较大时 (≥3 mm/min) ，虽然荷载对试块也有压实作用，但过快的加载速率导致土颗粒重新分布进行的不充分，试块内部还残存较多的初始孔隙和裂缝，导致其承载力降低。

　　 生土材料的弹性模量反映了试块受力后的应力-应变特性。定义生土弹性模量为应力-应变曲线线性段的切线模量。通过对试块单轴受压应力-应变曲线线性段进行分析，得到试块在各加载速率下的弹性模量，如图5所示。

　　 从图中可以看出，试块弹性模量随加载速率的增大呈先增大后减小的趋势，与抗压强度的变化规律一致。以加载速率0.5mm/min时的试块弹性模量为基准，加载速率为1, 3, 5, 7mm/min时，试块弹性模量分别增长了11.7%，12.2%，-4.0%，-3.6%。当加载速率较小时，试块的再次压实效果较好，密实度较高，弹性模量也随之升高;当加载速率超过3mm/min时，试块的压实效果变差，初始裂缝和孔隙的快速扩展降低了试块的弹性模量。

　　 定义生土试块峰值应力处所对应的应变为峰值应变。图6为试块在不同加载速率下的峰值应变。从图中可以看出随着加载速率的增加，试块的峰值应变呈逐渐降低的趋势。分析其原因可能是:在荷载作用下，试块处于峰值应力时所产生的应变是由试块的粘性应变和弹性应变共同引起的，随着加载速率的增加，试块的粘性效应逐渐减小，从而导致了试块峰值应变的降低。

　　 本文借鉴混凝土对损伤的定义，采用试块受压后因损伤而引起的力学性能参数 (如强度、弹性模量、密度) 变化来量度试块的损伤。此次研究采用弹性模量的变化来表征损伤，定义试块损伤S为:

　　 式中:E为试块应力-应变曲线线性段的切线模量;E_v为任一应力水平所对应的切线模量。

　　 这种定义方法考虑了试块内部存在的初始微裂缝和孔隙，可以真实反映材料内部损伤演化的量测过程，有利于对试块处于受压状态下的实时损伤演化规律进行分析和研究。

　　 图7为不同加载速率下试块受压损伤变量与应力比的关系图。横坐标为不同加载速率下应力与相应应力峰值平均值的比值，纵坐标为相对应力比试块的受压损伤值。

　　 从图7中可以发现，不同加载速率下试块损伤变量与应力比的关系曲线变化规律相近，可将试块受压损伤的变化过程分为三个阶段:第一阶段，初始损伤愈合阶段，由于试块材料内部存在的微裂缝和孔隙，在受压初始阶段材料即存在初始损伤，此阶段试块材料内部存在的微裂缝和孔隙随着应力比的增加逐渐减少，土体被逐渐压实，损伤逐渐减少，变化梯度也逐渐减小;第二阶段，损伤稳定阶段，当材料初始损伤基本愈合后，材料内部结构达到一个相对稳定的状态，此阶段试块损伤随着应力比的增加基本保持不变;第三阶段，损伤发展阶段，随着荷载的增加，材料内部出现新的裂缝，裂缝迅速延伸扩展，最终导致材料破坏，此阶段随着应力比的增大，损伤逐渐增大，且变化梯度逐渐增大。

　　 定义试块初始损伤完全愈合后即损伤开始稳定发展时对应的应力为临界损伤应力。通过对试块损伤量随应力比的分析计算，不同加载速率下试块临界损伤应力以及临界损伤应力与最大应力的比值见表1。从表中可以看出，随着加载速率的增加，试块临界损伤应力呈先增大后减小的趋势，说明加载速率的增加使试块裂缝的开展产生滞后现象，但加载速率过大则作用相反。以加载速率为0.5mm/min时试块的临界损伤应力为基准应力，速率为1, 3, 5, 7mm/min时试块的临界损伤应力分别增加了34.6%，46.2%，16.9%，6.2%。试块临界损伤应力与最大应力的比值随加载速率的增大也呈现先增大后减小的趋势，但变化幅度很小，分析其原因是由于加载速率对试块抗压特性的影响主要表现在当加载速率较大时试块内部裂缝的发展受到了阻碍，因而临界损伤应力增大，当加载速率超过某一临界值时试块内部裂缝的发展加快，临界损伤应力相应减小，但由于这种作用同时也导致试块强度产生了相同的变化，因而临界损伤应力与最大应力的比值受加载速率的变化影响较小。

　　 采用不同加载速率对边长为100mm的立方体生土试块进行单轴抗压试验，分析了不同加载速率下试块的单轴抗压强度、峰值应变以及弹性模量的变化规律。并以试块切线模量的变化来量度试块的损伤，分析了试块在单轴受压过程中损伤的演化过程，结果表明:

　　 (1) 随加载速率的增加，试块单轴抗压强度及弹性模量均呈先增大后减小的趋势，峰值应变随加载速率的增加逐渐减小。

　　 (2) 单轴受压下试块的损伤演化规律可大致分为三个阶段:初始损伤愈合阶段、损伤稳定阶段和损伤发展阶段。在相同的应力比和应变比条件下，试块的损伤随加载速率的增加变化规律不明显。

　　 (3) 随加载速率的增加，试块临界损伤应力呈先增大后减小的趋势，但临界损伤应力与最大应力的比值变化不大。

　　 本文研究成果为生土材料强度的准确测定提供了参考。同时，由于本文所选取的加载速率范围有限，研究还需进一步深入，继续探讨高加载速率下生土材料的力学特性，以期更全面地认识生土材料的加载速率效应。