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）

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。

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TU444

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1004-7344（2016）17-0146-02

2016-5-17