中主應(yīng)力對(duì)擊實(shí)黃土強(qiáng)度和變形特性的影響①

張吾渝,陳　偉,常立君,介玉新,王　萌,羅傳慶

(1.青海大學(xué)土木工程學(xué)院,青海 西寧 810016; 2.青海大學(xué)地質(zhì)工程系,青海 西寧 810016;3.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)

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中主應(yīng)力對(duì)擊實(shí)黃土強(qiáng)度和變形特性的影響①

張吾渝1,陳偉2,常立君1,介玉新3,王萌2,羅傳慶2

(1.青海大學(xué)土木工程學(xué)院,青海 西寧 810016; 2.青海大學(xué)地質(zhì)工程系,青海 西寧 810016;3.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)

為研究中主應(yīng)力對(duì)擊實(shí)黃土強(qiáng)度和變形特性的影響,利用空心圓柱扭剪儀對(duì)擊實(shí)黃土進(jìn)行主應(yīng)力軸方向?yàn)?°的定向剪切試驗(yàn),重點(diǎn)探討中主應(yīng)力系數(shù)b對(duì)剪切過程中擊實(shí)黃土強(qiáng)度和變形的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,在不同中主應(yīng)力系數(shù)下試樣的廣義剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)展模式基本相同,其曲線差異不顯著,剪切后期試樣表現(xiàn)出顯著的延性特性。中主應(yīng)力對(duì)擊實(shí)黃土的強(qiáng)度影響較大,b=0.25時(shí)歸一化強(qiáng)度最大,而b=0.5時(shí)最小。當(dāng)b從0到0.25時(shí)強(qiáng)度增加;當(dāng)b=0.25時(shí)強(qiáng)度達(dá)到峰值,隨著b的繼續(xù)增加,強(qiáng)度迅速減小;當(dāng)b=0.5時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最小值,隨著b的進(jìn)一步增加,強(qiáng)度先增大后減小。隨著中主應(yīng)力系數(shù)b的增加,擊實(shí)黃土的有效內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),強(qiáng)度參數(shù)在b=0時(shí)最小,b=0.75時(shí)最大,b=1(三軸拉伸)高于b=0(三軸壓縮)。

中主應(yīng)力系數(shù); 擊實(shí)黃土; 應(yīng)力應(yīng)變;強(qiáng)度; 有效內(nèi)摩擦角

0　引言

長期以來,人們以常規(guī)三軸試驗(yàn)作為研究土的性質(zhì)及指標(biāo)的主要實(shí)驗(yàn)手段[1-2]。然而,此種試驗(yàn)只能對(duì)土體施加2個(gè)方向的主應(yīng)力,使土體處于軸對(duì)稱的應(yīng)力狀態(tài),中主應(yīng)力系數(shù)b=0只能反映對(duì)稱應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度和變形規(guī)律,而忽略了中主應(yīng)力的影響,因此不能反映土體在實(shí)際三維復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性能。如何模擬土體真實(shí)的受力情況是當(dāng)前土力學(xué)的熱點(diǎn)問題之一。在實(shí)際工程中,荷載作用下往往會(huì)引起地基土體應(yīng)力狀態(tài)的改變,如中主應(yīng)力、主應(yīng)力方向等會(huì)發(fā)生不同程度的變化,從而導(dǎo)致土體強(qiáng)度和變形特性發(fā)生改變。中主應(yīng)力對(duì)土體強(qiáng)度和變形特性的影響很早就引起了人們的關(guān)注,并進(jìn)行了大量的真三軸試驗(yàn),研究成果也被應(yīng)用到實(shí)際計(jì)算中。

早先Ko等[3]通過對(duì)Ottawa砂的立方體試樣進(jìn)行中主應(yīng)力σ2由σ3逐漸增大到σ1的真三軸試驗(yàn),結(jié)果表明：內(nèi)摩擦角φ隨σ2的增大而增大,當(dāng)σ2接近σ1時(shí)φ又略微減小。針對(duì)砂土的真三軸試驗(yàn)普遍得出的結(jié)論是：砂土強(qiáng)度參數(shù)隨著中主應(yīng)力的變化而變化,三軸壓縮下所得的強(qiáng)度參數(shù)是下限值;三軸拉伸和三軸壓縮狀態(tài)下強(qiáng)度參數(shù)是不同的,一般是三軸拉伸高于三軸壓縮。

從20世紀(jì)80年代開始,國內(nèi)許多學(xué)者紛紛對(duì)土體三向受力特性進(jìn)行真三軸試驗(yàn)研究。李廣信[4]對(duì)承德中密砂、朱俊高等[5]對(duì)福建平潭標(biāo)準(zhǔn)砂和上海夾粉砂黏土、Yin等[6]對(duì)CDG(全風(fēng)化花崗巖)進(jìn)行真三軸試驗(yàn),均得到了中主應(yīng)力對(duì)土體強(qiáng)度有一定影響的結(jié)論。

邵生俊[7]對(duì)黃土進(jìn)行真三軸試驗(yàn),也得到了許多成果。由于黃土特殊的區(qū)域性,本文首次利用空心圓柱扭剪儀針對(duì)青藏高原地區(qū)典型黃土研究中主應(yīng)力對(duì)擊實(shí)黃土強(qiáng)度和變形特性的影響。

1　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1土樣制備

本文制備的擊實(shí)黃土試樣土取自青海西寧生物園區(qū)某建筑基坑,其基本物理性質(zhì)如表1所列(引自文獻(xiàn)[8])。制樣前先將土樣過2 mm篩,取篩下土烘干后配制成含水率為15%的土樣。每次稱取180.86 g的土樣裝入成膜筒內(nèi)擊實(shí),控制擊實(shí)后的高度為2 cm,刮毛后重復(fù)上一步驟,如此共進(jìn)行10次。最后制成擊實(shí)密度為1.8 g/cm3的空心圓柱試樣,試樣尺寸為200 mm×100 mm×60 mm(高度×外直徑×內(nèi)直徑)。

表1　黃土基本物理性質(zhì)

根據(jù)試樣土的現(xiàn)場埋置深度,本文所有試樣施加200 kPa的圍壓進(jìn)行等向固結(jié),使其超固結(jié)比OCR=1。固結(jié)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)參考《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-1999),當(dāng)軸向位移的變形量不大于0.01 mm/h時(shí)認(rèn)為固結(jié)完成。

1.2試驗(yàn)方法

使用浙江大學(xué)空心圓柱扭剪儀(ZJU-HCA),試驗(yàn)應(yīng)力路徑在HCA stress path模塊下通過改變平均主應(yīng)力p、中主應(yīng)力系數(shù)b、剪應(yīng)力q以及主應(yīng)力方向角α這4個(gè)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。其中：

(1)

(2)

(3)

沈揚(yáng)[9]在Hight等[10]研究基礎(chǔ)上提出主應(yīng)力方向角的表達(dá)式：

當(dāng)σz>σθ時(shí),α=(1/2)arctan[2τzθ/(σz-σθ)],其中α的取值范圍為(-45°～45°);當(dāng)σz<σθ時(shí),α=(1/2)arctan[2τzθ/(σz-σθ)]+(-1)n(π/2)(當(dāng)τzθ≤0,n=1;τzθ>0,n=2),其中α的取值范圍為(-90°～-45°,45°～90°)。式中:σz、σθ、τzθ分別為空心圓柱試樣的軸向、環(huán)向、扭剪應(yīng)力。

本文著重探討中主應(yīng)力對(duì)擊實(shí)黃土強(qiáng)度和變形特性的影響,故在加載過程中保持平均主應(yīng)力p=200kPa和主應(yīng)力方向角α=0°不變,在改變中主應(yīng)力系數(shù)b的情況下增加剪應(yīng)力q直至試樣破壞,破壞標(biāo)準(zhǔn)參考文獻(xiàn)[11]。

1.3應(yīng)力路徑

試驗(yàn)應(yīng)力路徑見圖1、2所示。圖1在q-p平面上繪出了試樣固結(jié)與剪切過程中的應(yīng)力變化過程,圖中圓點(diǎn)表示試樣的固結(jié)過程,帶箭頭實(shí)線表示試樣的剪切過程。圖2為q-b平面上的剪切加載路徑。

圖1　q-p平面上固結(jié)與剪切應(yīng)力路徑Fig.1　The stress paths during consolidation and shearing in the q-p plane

圖2　q-b平面上剪切加載路徑Fig.2　Shear loading paths in the q-b plane

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1應(yīng)力應(yīng)變特性

為了反映中主應(yīng)力系數(shù)不同時(shí)各應(yīng)力應(yīng)變分量的綜合影響,圖3繪制了不同中主應(yīng)力系數(shù)下廣義剪應(yīng)力-應(yīng)變變化曲線。其中,廣義剪應(yīng)力的表達(dá)式為:

(4)

廣義剪應(yīng)變的表達(dá)式為:

(5)

由圖3可見,在不同中主應(yīng)力系數(shù)下,試樣的廣義剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)展模式基本相同,差異不顯著。剪切初始階段,隨著廣義剪應(yīng)力的增加廣義剪應(yīng)變開展較為緩慢,試樣表現(xiàn)出較大的剛度,隨著應(yīng)力的進(jìn)一步增加,應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn),應(yīng)變開始迅速開展,剪切后期試樣表現(xiàn)出顯著的延性特性。中主應(yīng)力系數(shù)b對(duì)擊實(shí)黃土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線有一定的影響。

圖3　不同中主應(yīng)力系數(shù)下廣義剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3　Generalized shear stress-strain curves under different intermediate principal stress coefficients

2.2強(qiáng)度特性

以中主應(yīng)力系數(shù)b為橫坐標(biāo),取qJf/p(qJf為采用擊實(shí)黃土破壞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的廣義剪應(yīng)力)為縱坐標(biāo),繪制擊實(shí)黃土的qJf/p-b關(guān)系(圖4)。

圖4　不同中主應(yīng)力系數(shù)下歸一化強(qiáng)度變化曲線Fig.4　The normalized strength curve under different intermediate principal stress coefficients

由圖4可知,不同中主應(yīng)力系數(shù)下?lián)魧?shí)黃土歸一化強(qiáng)度差異較大,中主應(yīng)力對(duì)擊實(shí)黃土的強(qiáng)度影響較大。b=0.25時(shí)歸一化強(qiáng)度最大,而b=0.5時(shí)歸一化強(qiáng)度最小。b從0到0.25時(shí)強(qiáng)度增加;當(dāng)b=0.25時(shí)強(qiáng)度達(dá)到峰值,隨著b的繼續(xù)增加,強(qiáng)度迅速減小;當(dāng)b=0.5時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最小值,隨著b的進(jìn)一步增加,強(qiáng)度先增大后減小。Kumruzzaman等[6]利用空心圓柱扭剪儀,以香港CDG(全風(fēng)化花崗巖)重塑土樣為研究對(duì)象也得到了相同的結(jié)論。

2.3中主應(yīng)力對(duì)有效內(nèi)摩擦角的影響

本文在試驗(yàn)過程中,孔壓閥是與大氣連通的,根據(jù)非飽和土的有效應(yīng)力原理,作用于試樣的應(yīng)力均為有效應(yīng)力。

根據(jù)摩爾庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則得到有效內(nèi)摩擦角的表達(dá)式為

(6)

式中的應(yīng)力均為采用破壞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的應(yīng)力值。

為了更好地解釋不同中主應(yīng)力系數(shù)下的強(qiáng)度變化特性,選擇采用破壞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的數(shù)據(jù),有效內(nèi)摩擦角φ'隨中主應(yīng)力系數(shù)b的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5　有效內(nèi)摩擦角φ′與中主應(yīng)力系數(shù)b的關(guān)系Fig.5　Variation of φ′ with the intermediate principal stress coefficient b

由圖5可見,隨著中主應(yīng)力系數(shù)b的增加,有效內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),強(qiáng)度參數(shù)在b=0時(shí)最小,b=0.75時(shí)最大。與砂土強(qiáng)度參數(shù)隨中主應(yīng)力變化規(guī)律一致,三軸壓縮(b=0)下所得的強(qiáng)度參數(shù)是下限值,三軸拉伸(b=1)和三軸壓縮(b=0)狀態(tài)下強(qiáng)度參數(shù)不同,三軸拉伸高于三軸壓縮。

3　結(jié)　論

本文首次利用空心圓柱扭剪儀針對(duì)青藏高原地區(qū)典型黃土研究中主應(yīng)力對(duì)擊實(shí)黃土強(qiáng)度和變形特性的影響,得到了以下結(jié)論：

(1)在不同中主應(yīng)力系數(shù)下,試樣的廣義剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)展模式基本相同,曲線差異不顯著,剪切后期試樣表現(xiàn)出顯著的延性特性。

(2)中主應(yīng)力對(duì)擊實(shí)黃土的強(qiáng)度影響較大,歸一化強(qiáng)度在b=0.25時(shí)最大,而b=0.5時(shí)最小。b從0到0.25時(shí)強(qiáng)度增加;當(dāng)b=0.25時(shí)強(qiáng)度達(dá)到峰值,隨著b的繼續(xù)增加,強(qiáng)度迅速減小;當(dāng)b=0.5時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最小值,隨著b的進(jìn)一步增加,強(qiáng)度先增大后減小。

(3)隨著中主應(yīng)力系數(shù)b的增加,擊實(shí)黃土的有效內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),強(qiáng)度參數(shù)在b=0時(shí)最小,b=0.75時(shí)最大,b=1(三軸拉伸)高于b=0(三軸壓縮)。

References)

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Effect of Intermediate Principal Stress on Strength and Deformation Characteristics of Compacted Loess

ZHANG Wu-yu1,CHEN Wei2,CHANG Li-jun1,JIE Yu-xin3,WANG Meng2,LUO Chuan-qing2

(1.School of Civil Engineering,Qinghai University,Xining 810016,Qinghai,China;2.Department of Geological Engineering,Qinghai University,Xining 810016,Qinghai,China;3.State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

To study the impact of intermediate principal stress on the strength and deformation behavior of compacted loess,a series of tests with the principal stress orientation angle fixed at 0°were carried out using a hollow cylinder apparatus (HCA).The impact of the intermediate principal stress coefficient b on the strength and deformation of compacted loess is discussed.Test results revealed that at different intermediate principal stress coefficients,the developed models of generalized shear stress-strain curves were basically the same.The generalized shear stress-strain curves were not significantly different and the specimens showed significant ductility during the late stages of shear.The intermediate principal stress significantly affected the strength of the compacted loess.The normalized maximum strength was at b=0.25 and the minimum at b=0.5.The strength increased with b from 0 to 0.25.The strength was at its peak when b=0.25,then decreased rapidly as b increased further.The minimum strength reached was when b=0.5,the strength first increased,then decreased as b increased further.With the increase in the intermediate principal stress coefficient,the effective internal friction angle of the compacted loess showed a tendency to increase.The strength parameter was at a minimum when b=0,a maximum when b=0.75,and was greater in b=1 (triaxial tension)than b=0 (triaxial compression).

coefficient of intermediate principal stress; compacted loess; stress and strain; strength; effective internal friction angle

2015-07-16

青海省科學(xué)技術(shù)廳應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃(2015-ZJ-720；2012-Z-708)；清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金項(xiàng)目(sklhse-2014-D-03)；青海省高等學(xué)校地基與基礎(chǔ)教研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目；青海大學(xué)教學(xué)名師培育計(jì)劃項(xiàng)目

張吾渝(1969-)，女，教授，主要從事地基處理方面的教學(xué)與研究工作。E-mail:qdzwy@163.com。

TU435

A

1000-0844(2016)04-0554-04

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.04.0554