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    平面應(yīng)變狀態(tài)下重塑黃土主應(yīng)力特性的研究

    2016-08-16 03:29:15周軍旗馬延龍李文文
    大科技 2016年17期
    關(guān)鍵詞:制樣非飽和主應(yīng)力

    周軍旗 馬延龍 李文文

    (甘肅省地礦局第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院 甘肅蘭州 730050)

    平面應(yīng)變狀態(tài)下重塑黃土主應(yīng)力特性的研究

    周軍旗 馬延龍 李文文

    (甘肅省地礦局第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院 甘肅蘭州 730050)

    在邊坡、擋土墻、路基、土石壩等眾多實(shí)際工程中土體一般處于平面應(yīng)變狀態(tài)。針對(duì)目前對(duì)黃土在平面應(yīng)變下的主應(yīng)力特性研究較少的情況,筆者根據(jù)在平面應(yīng)變條件下,在同一制樣干密度不同試驗(yàn)含水量條件下,對(duì)甘肅蘭州重塑黃土進(jìn)行平面應(yīng)變條件下的壓縮試驗(yàn)、CD剪切試驗(yàn)、等應(yīng)力比試驗(yàn),探求零應(yīng)變方向主應(yīng)力的變化特性。結(jié)果表明,平面應(yīng)變狀態(tài)下零應(yīng)變方向的主應(yīng)力在不同條件下應(yīng)力狀態(tài)有所不同。

    黃土;平面應(yīng)變;主應(yīng)力轉(zhuǎn)換

    引言

    在我國(guó),由于不同地區(qū)的地理、地質(zhì)和氣候條件不同等原因,所形成的黃土的形態(tài)和性質(zhì)各異。蘭州地區(qū)具有典型的Q3黃土,以非飽和的形式存在具有明顯的柱狀節(jié)理和大孔隙結(jié)構(gòu),這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)性直接影響著黃土的力學(xué)形狀和工程性質(zhì)。在實(shí)際工程中如常見的土石壩、邊坡、擋土墻、地基、隧洞等工程中土體處于或者近似處于平面應(yīng)變狀態(tài)的,即存在一對(duì)稱面,其上的應(yīng)變?yōu)榱?。而且在這些近似平面應(yīng)變狀態(tài)下的工程中,土體強(qiáng)度參數(shù)大多由常規(guī)三軸試驗(yàn)得出,這種方法與實(shí)際土體的應(yīng)力狀態(tài)不符,造成不必要的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。

    平面應(yīng)變狀態(tài)下土體之所以復(fù)雜,究其原因是存在中主應(yīng)力效應(yīng),即中主應(yīng)力影響著材料的強(qiáng)度和變形特性。為此國(guó)內(nèi)有些學(xué)者提出一些強(qiáng)度理論,分別從線性和非線性的角度來(lái)解釋中主應(yīng)力對(duì)材料的強(qiáng)度的影響規(guī)律。也有些學(xué)者從理論、數(shù)值模擬的角度,提出有關(guān)砂土的主應(yīng)力之間的關(guān)系。目前,關(guān)于平面應(yīng)變狀態(tài)下土體強(qiáng)度研究已理論分析和數(shù)值模擬居多,而試驗(yàn)研究也多集中在砂土,對(duì)于非飽和黃土研究已常規(guī)三軸和真三軸試驗(yàn)為多,平面應(yīng)變條件下非飽和黃土的主應(yīng)力特性研究較少。鑒于此,本人進(jìn)行了蘭州北郊非飽和粘黃土的平面應(yīng)變實(shí)驗(yàn),旨在探究該地區(qū)非飽和黃土在平面應(yīng)變條件下的主應(yīng)力特性,為實(shí)際工程提供一定參考。

    1 試驗(yàn)方案

    1.1 試驗(yàn)材料及制備

    (1)本次實(shí)驗(yàn)所用土樣取自甘肅蘭州一處黃土邊坡,取土深度約為2.5~3.0m,土體為典型的Q3黃土。該土樣具體物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。

    (2)重塑土樣的制備:將土樣風(fēng)干并碾碎,過(guò)1mm土工篩,配制各個(gè)制樣含水量的散土,用壓樣法分10層壓制尺寸為10cm×10cm×5cm的立方體試樣。嚴(yán)格控制試樣的干密度為1.25g/cm3(誤差不超過(guò)0.03g/cm3)和含水量(誤差不超過(guò)0.02%)。利用水膜轉(zhuǎn)移法對(duì)需要增濕的試樣進(jìn)行含水量的控制。試樣制成后放置于密封塑料袋靜置48h以上備用。

    表1 北郊黃土物理性質(zhì)指標(biāo)

    (3)具體試驗(yàn)試樣:配置同一的制樣含水量為12%,不同試驗(yàn)含水量為14%、17%、21.75%。所有土樣都400kPa下進(jìn)行逐級(jí)固結(jié)加載壓縮試驗(yàn)與50kPa、100kPa、200kPa、400kPa圍壓下的平面應(yīng)變剪切試驗(yàn)。對(duì)w=14%、17%、21.75%試樣進(jìn)行η=0.167、0.272的等應(yīng)力試驗(yàn)。

    1.2 試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法

    平面應(yīng)變剪切試驗(yàn)所采用的儀器為江蘇溧陽(yáng)市永昌機(jī)械廠生產(chǎn)的PY10-1型平面應(yīng)變儀,該儀器可以通過(guò)一個(gè)直徑為4cm的應(yīng)力傳感器測(cè)定零應(yīng)變面的應(yīng)力大小。本文中所有試樣固結(jié)過(guò)程中排水排氣,固結(jié)比kc=1.0,以軸向變形不超過(guò)0.1mm/h作為固結(jié)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。固結(jié)完成后進(jìn)行恒定σ3的固結(jié)排水剪切試驗(yàn),剪切速度為0.032mm/min。

    2 試驗(yàn)結(jié)果分析

    在平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)中為了表述方便,對(duì)三個(gè)方向的主應(yīng)力分別定義如下:以σz表示軸向應(yīng)力,σy表示零應(yīng)變方向應(yīng)力,σx表示恒應(yīng)力面。在σx保持常數(shù)的平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)中可以看出:在平面狀態(tài)條件下非飽和黃土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線皆為應(yīng)變硬化型,硬化程度隨恒應(yīng)力面σx的增大增大和含水量增大而減小(如圖1~3)。

    早期的平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)主要集中在砂土,大量的試驗(yàn)表明:當(dāng)土體接近破會(huì)時(shí)σy為中主應(yīng)力而非小主應(yīng)力,加載應(yīng)力比σ1/σ3近似為常數(shù),中主應(yīng)力參數(shù)b=0.25~0.35,其中b=(σ2-σ3)/(σ1-σ3)。通過(guò)σx為常數(shù)的平面應(yīng)變剪切試驗(yàn)可以看出:非飽和黃土接近破壞時(shí)的加載應(yīng)力比并非為常數(shù),中主應(yīng)力參數(shù)b=0.12~0.30,明顯小于砂土。

    圖1 14%制樣含水量黃土應(yīng)力應(yīng)變曲線

    圖2 17%制樣含水量黃土應(yīng)力應(yīng)變曲線

    圖3 21.75%制樣含水量黃土應(yīng)力應(yīng)變曲線

    從圖4可以看出,在σx=常數(shù)的平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)加載剪切過(guò)程中,σy逐漸增大,從小主應(yīng)力變換為中主應(yīng)力,加載應(yīng)力比ka=σ1/σ3逐漸增大而且隨圍壓的變大初始值變小,而中主應(yīng)力參數(shù)先減小后增大,其零點(diǎn)即為主應(yīng)力轉(zhuǎn)換點(diǎn)。在轉(zhuǎn)換點(diǎn)上,可以看出主應(yīng)力分布在較窄的帶上且含水量對(duì)其影響較小(如圖5)。

    圖4 σx=常數(shù)的平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)加載過(guò)程中主應(yīng)力關(guān)系

    北郊黃土的平面應(yīng)變剪切破壞時(shí)候零應(yīng)變面應(yīng)力皆為中主應(yīng)力σ2,三個(gè)主應(yīng)力有圖6關(guān)系曲線。

    土樣 σ1~(σ2-σ3)有較好的線性關(guān)系,即:

    對(duì)于甘肅蘭州黃土參數(shù)a=0.144,b=-36.51。

    3 結(jié)論

    (1)蘭州非飽和黃土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線成硬化型,隨圍壓增大而增大,含水量增大而減小。

    (2)在平面應(yīng)變條件下零應(yīng)力方向的主應(yīng)力通常被認(rèn)為是中主應(yīng)力,實(shí)際上這只有在土體接近破壞時(shí)才成立,而且黃土的中主應(yīng)力參數(shù)b明顯小于砂土。

    圖5 不同含水量下土樣σ3~ka關(guān)系曲線

    圖6 不同含水量下土樣 σ1~(σ2-σ3)關(guān)系曲線

    (3)在主應(yīng)力轉(zhuǎn)換點(diǎn),加載應(yīng)力比隨圍壓增大而減小,受含水量變化較小。

    (4)甘肅蘭州黃土中主應(yīng)力關(guān)系可以表示為大小主應(yīng)力的線性組合。

    [1]李廣信,黃永男,張其光.土在平面應(yīng)變條件下的主應(yīng)力[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2001,23(3):358~361.

    [2]俞茂宏,何麗南,宋凌宇.雙剪應(yīng)力強(qiáng)度理論及其推廣[J].中國(guó)科學(xué)(A輯),1985,28(12):1113~1120.

    [3]羅 汀,姚仰平,松崗元.基于SMP準(zhǔn)則的土的平面應(yīng)變強(qiáng)度公式[J].巖土力學(xué),2000,21(4):390~393.

    [4]黨進(jìn)謙,李 靖.非飽和黃土的強(qiáng)度特征.巖土工程學(xué)報(bào),1997,19(2).

    [5]黃勇男.等應(yīng)力比條件下砂土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系研究[D].北京:清華大學(xué),1986.

    [6]李剛,謝云,陳正漢.平面應(yīng)變狀態(tài)下粘性土破壞時(shí)的中主應(yīng)力公式[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(18):3174~3177.

    TU444

    A

    1004-7344(2016)17-0146-02

    2016-5-17

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