土體強度特性影響因素的試驗研究

土體強度特性影響因素的試驗研究

李軍1，仲玥2

(1.陜西理工學(xué)院 土木工程與建筑學(xué)院， 陜西 漢中 7230002.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所， 陜西 西安 710048)

[摘要]選取不同孔隙比的天然砂土試樣進行排列后，對其在不同固結(jié)壓力下進行常規(guī)三軸試驗，重點探討相同試驗條件下，排列對砂土抗剪強度的影響。結(jié)果表明：排列情況下的砂和混合情況下的砂，試樣的偏應(yīng)力均隨圍壓的增大而增大；相同圍壓下，排列試樣的偏應(yīng)力峰值明顯高于混合試樣的偏應(yīng)力峰值；排列砂樣的內(nèi)摩擦角要大于混合砂樣的內(nèi)摩擦角。同時，利用kf曲線間接獲得了排列和混合情況下砂土試樣的抗剪強度曲線，并結(jié)合試驗結(jié)果對莫爾-庫倫準則進行了修正。

[關(guān)鍵詞]三軸試驗；抗剪強度；排列；莫爾-庫倫準則

[文章編號]1673-2944(2015)05-0041-04

[中圖分類號]TU433

收稿日期：2015-04-24

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(41372304)；陜西理工學(xué)院科研基金資助項目(SLGKY15-24)

作者簡介：李軍(1984—)，男，陜西省漢中市人，陜西理工學(xué)院講師，博士生，主要研究方向為非飽和土力學(xué)。

土體的抗剪強度主要是由摩擦強度和粘結(jié)強度兩部分組成，理論上認為砂土的黏聚力近似為零[1]，其抗剪強度僅僅取決于土體所受到的正應(yīng)力和內(nèi)摩擦角。摩擦強度包括滑動摩擦力(顆粒之間產(chǎn)生相對滑動時要克服由于顆粒表面粗糙不平而引起的滑動摩擦)和咬合摩擦力(顆粒之間相互鑲嵌、咬合、連鎖作用及脫離咬合狀態(tài)而轉(zhuǎn)移所產(chǎn)生的咬合摩擦)[2]。土的結(jié)構(gòu)性是指土中顆粒或土顆粒的集合體以及它們的形狀、排列組合方式、聯(lián)結(jié)方式以及它們之間的孔隙大小等綜合特征。因此，土的結(jié)構(gòu)性就應(yīng)該包括土中顆粒的排列特征(幾何特征)和聯(lián)結(jié)特征(力學(xué)特征)[3]。

屈智炯[4]的研究表明，在低圍壓下內(nèi)摩擦角是隨著孔隙比的減小而增大。R.Verdugo等[5]發(fā)現(xiàn)密砂在低圍壓情況下進行剪切會出現(xiàn)密砂的特征，反之，松砂在高圍壓情況下進行剪切會出現(xiàn)松砂的相關(guān)特性。也有一些研究人員以孔隙比、含水量、密度等物理指標對各種黏土及粗粒土的力學(xué)性質(zhì)影響進行了探討[6-8]?？梢?，大多數(shù)研究成果僅限于定性描述。為此，作者在相同試驗條件下，僅就砂土的排列情況對其強度的影響進行了三軸試驗，建立內(nèi)摩擦角和排列之間的關(guān)系，進而對應(yīng)用廣泛的莫爾-庫倫破壞準則進行了修正。

1試驗方案與方法

1.1　試驗土樣及試驗方案

試驗用砂取自陜西理工學(xué)院附近的天然砂，對砂樣進行洗砂、烘干、篩分等步驟，制成直徑為3.91 cm，高為8 cm的試樣。為了研究排列情況下砂土的強度特性，選擇0.1~0.5 mm和0.5~1.0 mm兩種粒徑的砂進行排列組合，小粒徑的砂在試樣的下層，大粒徑的砂在試樣的上層，按照體積比3∶2進行配置?；旌蠘影凑障嗤w積進行制備，同時保證兩種粒徑的孔隙比是定值。為減小誤差，每組試驗均進行了3組平行試驗，最后取其平均值進行分析。試驗中利用漏斗法測量各個粒組最大孔隙比，利用振動錘擊法測量最小孔隙比。為使砂樣安全地從制樣器安放到試驗平臺不至碎散，控制每組試樣含水率均為13.0%，放置到冰箱冷凍4 h，控制凈圍壓σ3分別為100、200、400 kPa。

1.2　試驗儀器及試驗方法

試驗設(shè)備采用西安理工大學(xué)和西安力創(chuàng)計量設(shè)備有限公司聯(lián)合研制的計算機控制的三軸試驗儀，該儀器可在軸向方向?qū)崿F(xiàn)應(yīng)力控制和應(yīng)變控制的加荷作用，軸向和徑向應(yīng)力可以完全獨立的施加，也可在不同固結(jié)應(yīng)力比下進行試驗，可對實際工程下不同應(yīng)力路徑進行模擬，也可以同步改變軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力來進行試驗。

采用固結(jié)不排水試驗，控制的常應(yīng)變加載速率為0.055 mm/min，試驗破壞標準按照峰值強度確定，本試驗標準為軸向變形達到15%時，試驗終止[9]。

2試驗結(jié)果分析及討論

2.1　應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)試驗結(jié)果，得到排列砂樣和混合砂樣在不同壓力下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖1—圖3所示。

圖1　混合砂樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線　　　　　　圖2　排列砂樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(a) σ 3=100 kPa　　　　　　　　　　(b) σ 3=200 kPa　　　　　　　　　(c) σ 3=400 kPa　 圖3　不同壓力(σ 3)下排列和混合砂樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖1—圖3可知，兩種砂樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出如下變化規(guī)律：

(1)相同圍壓下，試樣在開始階段，應(yīng)力、應(yīng)變呈單調(diào)增加的趨勢，隨著剪切過程的延長，當(dāng)應(yīng)變增加到一定程度時，偏應(yīng)力達到峰值，隨著應(yīng)變的繼續(xù)增加，偏應(yīng)力保持不變或逐漸減低到一定值后保持不變，成硬化型或弱軟化型；

(2)相同條件下，隨著圍壓的增加，偏應(yīng)變的峰值強度相應(yīng)增加；在高圍壓下，引起孔隙體積的壓縮，土體微觀結(jié)構(gòu)改變，土顆粒的排列更加緊密，土體骨架更加堅硬，使其抵抗外部變形的能力大大提高，抗剪強度也隨之增強；

(3)相同圍壓下，排列試樣的偏應(yīng)變峰值大于混合試樣的偏應(yīng)變峰值；

(4)同一應(yīng)變下，偏應(yīng)變隨著圍壓的增大而顯著增加。

2.2　 k f曲線(應(yīng)力圓圓心-半徑曲線)

如果莫爾應(yīng)力圓頂點的坐標已知，那么土體中某點的應(yīng)力狀態(tài)也就被確定了。因此，采用應(yīng)力莫爾圓的圓心為橫坐標，應(yīng)力莫爾圓的半徑為縱坐標，繪制出排列砂樣與混合砂樣的kf曲線，如圖4所示。

圖4　k f曲線

這與采用傳統(tǒng)的σ-τ應(yīng)力坐標相比較，在(σ1+σ3)/2-(σ1-σ3)/2坐標圖中，應(yīng)力路徑的表達形式有更多的優(yōu)點。第一，應(yīng)力路徑上各點明確地表示土的應(yīng)力狀態(tài)，而不專指破壞面上的應(yīng)力；第二，不必預(yù)知或假定破壞面方向；第三，特別對不考慮中主應(yīng)力σ3影響的軸對稱課題和平面應(yīng)變課題，應(yīng)用較為方便。在(σ1+σ3)/2-(σ1-σ3)/2坐標上的抗剪強度曲線用kf曲線表示，它的坡度和它與縱坐標軸的截距，可由抗剪強度指標通過幾何關(guān)系推算得到，或者由土的極限平衡條件式推導(dǎo)出來。當(dāng)土處于極限平衡狀態(tài)時，有

(1)

土的抗剪強度曲線kf的表達式為

(2)

由于tanβ=sinφ，φ=arcsin(tanβ),

(3)

式中φ為摩擦角，β為坡角。本文按照理想情況下砂土沒有粘結(jié)力，即c值(粘聚力)和a值(kf曲線與縱坐標軸的截距)均為0，只考慮摩擦力對其強度的影響。

從圖4中可以清晰看出，擬合曲線的相關(guān)系數(shù)均大于0.99，說明擬合效果比較好，排列試樣曲線的摩擦角明顯大于混合試樣曲線的摩擦角。這是由于，從微觀上分析，土體內(nèi)摩擦角的大小，體現(xiàn)在顆粒的排列方式對其滑動摩擦和咬合摩擦的影響方面。對于分層排列土樣，每層土粒徑大小相差較小，接觸面較大，所需要的咬合摩擦力較大；同時，由于每兩層土的交界面是兩種粒徑相差較大的土顆粒，其發(fā)生滑動摩擦所需的外力要大于同層土之間的力。

2.3　 k f曲線下的莫爾-庫倫準則

本研究在對試驗結(jié)果分析基礎(chǔ)上，考慮排列結(jié)構(gòu)的影響，利用kf曲線對莫爾-庫倫準則[10]進行補充。極限狀態(tài)時，莫爾-庫倫強度準則的表達式可寫為(1)式。理論上，由于砂土粘聚力c為零，由(1)式可得抗剪強度

(4)

由圖4及其推導(dǎo)可得

(5)

利用修改后的莫爾-庫倫準則計算土體抗剪強度就變得更加簡便。

3結(jié)論

(1)影響土體強度的因素很多，但排列和混合形成了砂土的初始結(jié)構(gòu)性，試驗所施加的圍壓則形成了不同的誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)性，它們兩者共同影響砂土的剪切強度。

(2)通過一系列試驗，初步分析了排列和混合兩種結(jié)構(gòu)性對砂土力學(xué)性質(zhì)的影響。

(3)通過引入kf曲線，完善了莫爾-庫倫準則，使得求解抗剪強度變得更加容易。

文章雖然對排列和混合情況下砂土的強度進行了初步的試驗研究，得到了初步結(jié)論，但對多種粒徑組成的試樣下的試驗還沒有進行大量研究，這方面的工作還有待繼續(xù)完善。

[參考文獻]

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[10]石寒.莫爾-庫倫強度理論的修正[J].巖土力學(xué),1994,15(3):46-50.

[責(zé)任編輯：李 莉]

Experimental study on the effect of soil strength properties

LI Jun1,ZHONG Yue2

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723000, China;2.Institute of Geotechnical Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

Abstract:Focusing on the arranged influence on the shear strength of sand under the same test conditions, we select natural and sequenced sands with different void ratio to do the conventional and triaxial tests under different consolidation pressures. Test results shows that deviatoric stress of the sample is increasing with the increase of confining pressure for the arranged sand and the mixed sand, under the same confining pressure, the deviatoric stress peak value of sequenced samples is obviously higher than mixed samples, and internal friction angle of the sequenced samples is higher than mixed sample. Meanwhile, we obtain the shear strength curve of sequenced and mixed sands with the kf curve, and revise the Mohr-coulomb criterion combined with the test results.

Key words:triaxial test;shear strength;arrangement;Mohr-coulomb criterion