基于三軸試驗(yàn)生態(tài)袋加筋土鄧肯-張模型參數(shù)研究

蔣希雁，許夢(mèng)然，陳宇宏

（1.河北建筑工程學(xué)院，河北張家口 075031；2.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北張家口 075031；3.河北省寒冷地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施工程技術(shù)創(chuàng)新中心，河北張家口 075031）

0 引言

邊坡的破壞形式主要表現(xiàn)為：崩塌、剝落、滑坡和坍塌，尤其是在暴雨過后，邊坡土體的含水率劇增，導(dǎo)致土體工程性質(zhì)變差，出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象，對(duì)人們的安全和國(guó)家財(cái)產(chǎn)造成極大的影響［1-3］，因此開展含水率對(duì)邊坡土體力學(xué)性質(zhì)影響的研究有利于解決因含水率變化所帶來的邊坡工程問題。

已有的文獻(xiàn)表明［4-6］，含水率的變化對(duì)土體的力學(xué)性質(zhì)都有著顯著的影響。薛振聲等［7］對(duì)不同含水率的新近系粉質(zhì)黏土進(jìn)行三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)粉質(zhì)黏土的峰值強(qiáng)度受含水率影響較大，且黏聚力的對(duì)數(shù)值、內(nèi)摩擦角均隨著含水率的增加呈負(fù)線性關(guān)系。歐湘萍等［8］對(duì)黃土進(jìn)行三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)黃土的內(nèi)摩擦角與含水率的相關(guān)性遠(yuǎn)低于黏聚力與含水率的相關(guān)性。顏陽(yáng)等［9］對(duì)不同含水率的煤系土進(jìn)行三軸固結(jié)排水試驗(yàn)，并計(jì)算得到各含水率下試樣的鄧肯-張模型參數(shù)，發(fā)現(xiàn)含水率對(duì)煤系土鄧肯-張模型參數(shù)影響程度均有所不同，其中黏聚力受含水率影響最為顯著，參數(shù)n值和破壞比隨含水率的增加而增大，黏聚力、初始切線模量和K值均隨含水率的增加而減小。周春梅等［10］對(duì)三門峽地區(qū)黃土進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著含水量的增加，黃土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線由弱應(yīng)變硬化向強(qiáng)應(yīng)變硬化轉(zhuǎn)變；黏聚力與含水率的變化呈明顯負(fù)線性相關(guān)，內(nèi)摩擦角與含水率無明顯的相關(guān)性。毛海濤等［11］對(duì)三峽庫(kù)區(qū)紫色土進(jìn)行三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)紫色土黏聚力隨著含水率的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，在含水率為12%時(shí)，黏聚力存在峰值，而內(nèi)摩擦角隨含水率的增加呈線性減小。羅崇亮等［12］對(duì)不同含水率的紅層泥巖土進(jìn)行三軸試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)試樣的黏聚力和內(nèi)摩察角均與含水率呈負(fù)線性關(guān)系，含水率對(duì)內(nèi)摩擦角的影響較為顯著；不同含水率下鄧肯-張模型參數(shù)破壞比在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，K值隨含水率增大而減小呈負(fù)線性關(guān)系，n值隨含水率的增大而增大呈線性關(guān)系。

由上述研究可以看出，對(duì)于不同種類土體，含水率對(duì)其力學(xué)特性和本構(gòu)模型參數(shù)均有一定影響。而目前關(guān)于生態(tài)袋護(hù)坡的研究，多數(shù)集中在生態(tài)袋護(hù)坡的施工技術(shù)研究和應(yīng)用效果分析［13-15］，生態(tài)袋加筋土作為生態(tài)袋護(hù)坡的護(hù)坡體，含水率對(duì)生態(tài)袋加筋土力學(xué)特性和本構(gòu)模型參數(shù)影響的研究較為缺乏。鑒此，本文以生態(tài)袋加筋土為研究對(duì)象，在不同的含水率條件下進(jìn)行三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)，研究含水率對(duì)生態(tài)袋加筋土鄧肯-張模型參數(shù)的影響，提出受含水率影響的模型參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式，為生態(tài)袋護(hù)坡工程的設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬提供一定的理論依據(jù)和參數(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣為粉質(zhì)黏土，土樣物理性質(zhì)指標(biāo)如表1 所示。加筋材料為儀征康順土工材料有限公司所生產(chǎn)的生態(tài)袋，其相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 生態(tài)袋基本性能參數(shù)Tab.2 Basic performance parameters of ecological bag

1.2 試驗(yàn)方法

試樣制備：本文試樣制備參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［16］。先將所取試驗(yàn)用土在105 ℃的烘箱中放置12 h，烘干后碾碎過5 mm 的篩，分別配置含水率為8%、10%、12%、14%的4 組試樣用土。為保證水分與土體充分均勻混合，用塑料袋密封24 h 后再進(jìn)行制樣過程。將每組試驗(yàn)用土分5 層進(jìn)行擊實(shí)，制成壓實(shí)度為85%，直徑為61.8 mm，高125 mm 的圓柱體試樣，將制作完成后的試樣用生態(tài)袋包裹四周并縫制，縫制后的試樣如圖1所示。

圖1 縫制后的試樣Fig.1 Sample after sewing

三軸試驗(yàn)：試驗(yàn)儀器采用南京土壤儀器廠所生產(chǎn)的全自動(dòng)流變?nèi)S儀01-LH0501，如圖2 所示。對(duì)生態(tài)袋加筋土試樣進(jìn)行三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)，圍壓分別取50、100、150和200 kPa，試驗(yàn)剪切速率取0.8%/min。

圖2 全自動(dòng)流變?nèi)S儀Fig.2 Fully automatic rheological triaxial apparatus

試驗(yàn)終止條件及破壞點(diǎn)的確定：依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［16］，當(dāng)生態(tài)袋加筋土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線出現(xiàn)峰值時(shí)，試驗(yàn)進(jìn)行至峰值后的3%～5%軸向應(yīng)變；應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線無峰值時(shí)，則試驗(yàn)剪切至軸向應(yīng)變的20%。本研究中生態(tài)袋加筋土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線均無峰值點(diǎn)，故選取軸向應(yīng)變（ε1=15%）相應(yīng)的偏應(yīng)力點(diǎn)作為破壞點(diǎn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果整理與分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系

同一圍壓下，不同含水率生態(tài)袋加筋土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖3 所示。由圖3 可知：生態(tài)袋加筋土試樣軸向應(yīng)變?cè)诩s小于2%時(shí)，應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾哟笾鲁示€性增長(zhǎng)，試樣處于彈性變形階段；在約大于2%后，隨軸向應(yīng)變?cè)黾?，偏?yīng)力的增長(zhǎng)速率減慢，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線呈非線性增長(zhǎng)，此時(shí)試樣發(fā)生塑性變形；隨著含水率的增加，生態(tài)袋加筋土的偏應(yīng)力逐漸減小。

圖3 不同含水率下生態(tài)袋加筋土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of eco bag reinforced soil under different moisture content

同一含水率下，不同圍壓生態(tài)袋加筋土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖4 所示，由圖4 可以看出：隨著圍壓的增加，生態(tài)袋加筋土的偏應(yīng)力均不斷增大。生態(tài)袋加筋土在試驗(yàn)過程中，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線均未出現(xiàn)峰值點(diǎn)，表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型。對(duì)圖4中生態(tài)袋加筋土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線進(jìn)行雙曲線擬合，擬合相關(guān)系數(shù)均大于0.97，這說明生態(tài)袋加筋土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)出雙曲線特征。

圖4 不同圍壓下生態(tài)袋加筋土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of eco-bag reinforced soil under different confining pressures

2.2 破壞強(qiáng)度

生態(tài)袋加筋土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系均為應(yīng)變硬化型，選取軸向應(yīng)變?yōu)?5%時(shí)的主應(yīng)力差為破壞應(yīng)力即破壞強(qiáng)度。表3為試樣在不同圍壓和含水率下破壞強(qiáng)度值，同時(shí)，為更加直觀地表現(xiàn)出生態(tài)袋破壞強(qiáng)度與含水率、圍壓的關(guān)系，繪制含水率、圍壓與生態(tài)袋加筋土破壞強(qiáng)度關(guān)系曲面圖如圖5所示。

表3 不同含水率和圍壓下試樣的破壞強(qiáng)度Tab.3 Failure strength of samples with different moisture content and confining pressure

由圖5可以看出：在相同含水率下，試樣的破壞強(qiáng)度與圍壓呈正比關(guān)系，即圍壓越大，試樣破壞時(shí)所需的偏應(yīng)力就越大。其原因在于隨著圍壓的增加，試樣在壓縮過程中所受握裹力增大，側(cè)向變形受到的約束力越大，從而導(dǎo)致試樣的土顆粒之間的摩阻力增加，提高了試樣的破壞強(qiáng)度。

圖5 含水率、圍壓與破壞強(qiáng)度關(guān)系Fig.5 Water content-failure strength and confining pressure-failure strength relationship

在相同圍壓下，試樣的破壞強(qiáng)度與含水率呈反比關(guān)系，即含水率越高，試樣破壞時(shí)所需的偏應(yīng)力就越小。這是由于水在土顆粒與生態(tài)袋、土顆粒與土顆粒之間有潤(rùn)滑作用，隨著試樣的含水率增大，土與袋和土與土之間的潤(rùn)滑作用增大，致使土顆粒與生態(tài)袋、土顆粒與土顆粒之間的咬合摩擦力和滑動(dòng)摩擦力（摩阻力）降低，使試樣整體強(qiáng)度降低。

3 鄧肯-張模型參數(shù)的確定

鄧肯-張模型的實(shí)質(zhì)是應(yīng)用增量法概念逼近非線性應(yīng)力-應(yīng)變曲線，能夠較好地反映土體的非線性狀態(tài)，因其概念清晰，易于理解，參數(shù)較少且求解方便，在土木水利工程和巖土工程中得到廣泛應(yīng)用［17，18］。通過上述三軸壓縮試驗(yàn)得到不同含水率下生態(tài)袋加筋土的鄧肯-張模型參數(shù)，分析含水率對(duì)生態(tài)袋加筋土鄧肯-張模型參數(shù)影響規(guī)律。

3.1 黏聚力c和內(nèi)摩擦角?

根據(jù)生態(tài)袋加筋土的三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果，在τ-σ應(yīng)力平面上繪制不同含水率下試樣破壞時(shí)的摩爾應(yīng)力圓和強(qiáng)度包線，得到生態(tài)袋加筋土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。圖6 給出含水率為8%時(shí)生態(tài)袋加筋土的摩爾應(yīng)力圓及相應(yīng)的強(qiáng)度包線，用同一方法獲得含水率為10%、12%和14%試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角，如表4所示。從表4可以看出：黏聚力c和內(nèi)摩擦角?均隨著含水率的增加而減少。含水率從8%增至14%的過程中，黏聚力由43.3 kPa 降至24.3 kPa，減幅達(dá)到43.9%；而內(nèi)摩擦角由23°降至13°，減幅達(dá)到43.5%。由此可見，試樣的含水率僅增長(zhǎng)了6%，而抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c和?卻減小了近一半。試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（黏聚力和內(nèi)摩擦角）隨含水率的增加而減少，原因在于：隨著含水率的增加，土顆粒間膠結(jié)物的膠結(jié)作用減弱，導(dǎo)致試樣的黏聚力減少；而隨著含水率的增大，土體顆粒之間、土顆粒與生態(tài)袋之間的潤(rùn)滑作用增強(qiáng)，導(dǎo)致土顆粒之間及土顆粒與生態(tài)袋之間的摩擦力減弱，內(nèi)摩擦角減小。

圖6 含水率為8%時(shí)生態(tài)袋加筋土的摩爾應(yīng)力圓和強(qiáng)度包線Fig.6 Mohr，s stress circle and strength envelope of eco-bag reinforced soil when moisture content is 8%

表4 不同含水率生態(tài)袋加筋土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Tab.4 Shear strength index of reinforced soil of eco-bag with different moisture content

對(duì)黏聚力與含水率及內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖7 所示。通過擬合發(fā)現(xiàn)：黏聚力和含水率成二次函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.998 8，函數(shù)表達(dá)式為：

圖7 黏聚力、內(nèi)摩擦角與含水率關(guān)系曲線Fig.7 Relationship curve of Cohesion-moisture content and internal friction angle-moisture content

內(nèi)摩擦角與含水率成線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.994 8，函數(shù)表達(dá)式為：

3.2 初始切線模量Ei和破壞比Rf值

根據(jù)Kondner等［17］的建議，將生態(tài)袋加筋土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系用雙曲線模型表示為式（3），生態(tài)袋加筋土三軸試驗(yàn)結(jié)果按-ε1的關(guān)系進(jìn)行處理，如圖8 所示，并對(duì)其進(jìn)行線性擬合。

式中：a、b為三軸試驗(yàn)參數(shù)，即為圖8中擬合直線的截距和斜率。

通過圖8 中直線的截距和斜率，可以得到生態(tài)袋加筋土在不同圍壓和含水率下系數(shù)a、b的值，其線性擬合的相關(guān)系數(shù)也匯入表內(nèi)，如表5所示。

表5 不同含水率下試樣a，b取值Tab.5 Sample a，b values under different moisture content

圖8 不同含水率試樣的-ε1關(guān)系曲線Fig.8 -ε1relationship curve of samples with different moisture content

在常規(guī)三軸試驗(yàn)中，由于dσ2=dσ3=0，所以其切線模量為：

在式（3）中，當(dāng)ε1→+∞時(shí)，可得式（5）：

在式（4）中，當(dāng)ε1→0+時(shí)，可得式（6）：

即a可看作生態(tài)袋加筋土初始剪切模量的倒數(shù)，b可看作生態(tài)袋加筋土極限偏應(yīng)力的倒數(shù)。

令Rf為生態(tài)袋加筋土的破壞應(yīng)力與主應(yīng)力差極限值的比值（破壞比［17］），根據(jù)莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則確定破壞應(yīng)力可得：

通過式（6）計(jì)算出生態(tài)袋加筋土的初始切線模量Ei，如表6所示。由表6 可知：生態(tài)袋加筋土的初始切線模量隨圍壓的增大在逐漸增大；而隨著含水率的增加，初始切線模量在逐漸減小。

表6 參數(shù)Ei的計(jì)算Tab.6 Calculation of parameterEi

通過式（7）計(jì)算出生態(tài)袋加筋土的破壞比Rf，如表7 所示。由表7可知：生態(tài)袋加筋土的破壞比Rf變化區(qū)間范圍為（0.828～0.990）。

表7 參數(shù)Rf的計(jì)算Tab.7 Calculation of parameterRf

3.3 K、n值

將式（5）、式（6）和式（7）帶入式（4）中得：

根據(jù)Janbu［18］經(jīng)驗(yàn)公式，將土體的初始切線模量Ei用圍壓的函數(shù)表示為：

式中：Pa為單位大氣壓（101.4 kPa）；K、n為試驗(yàn)常數(shù)，即分別為雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下lg（Ei/Pa）-lg（σ3/Pa）直線的截距與斜率。

對(duì)不同含水率下生態(tài)袋加筋土試樣的lg（Ei/Pa）與lg（σ3/Pa）關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖9 所示，直線方程如式（10），擬合相關(guān)系數(shù)均大于0.96。將直線的截距與斜率匯入表8中。

表8 不同含水率下試樣的鄧肯-張模型參數(shù)Tab.8 Duncan-Chang model parameters of samples under different moisture content

圖9 lg（Ei/Pa）與lg（σ3/Pa）關(guān)系曲線Fig.9 Relationship curve of lg（Ei/Pa）and lg（σ3/Pa）

對(duì)不同含水率下的n值和K值進(jìn)行擬合，如圖10所示，擬合函數(shù)表達(dá)式如式（11）、式（12），由圖10 可知：n值和K值均隨著含水率的增大而減??；n值和K值均與含水率成負(fù)線性關(guān)系。

圖10 K、n與含水率的關(guān)系Fig.10 The relationship between K-moisture content and n-moisture content

式中：常數(shù)項(xiàng)n0為令含水率為0%時(shí)的K值，等于0.252 2，相關(guān)系數(shù)為0.954 6；常數(shù)項(xiàng)K0為令含水率為0%時(shí)的n值，等于1.762 9，相關(guān)系數(shù)為0.966 3。

將式（11）、式（12）代入式（9）中，得到以含水率為影響因子的生態(tài)袋加筋土初始切線模量公式為：

4 試樣尺寸效應(yīng)分析

在實(shí)際工程應(yīng)用中，生態(tài)袋的尺寸遠(yuǎn)大于三軸試樣的尺寸，為了將三軸試驗(yàn)結(jié)果用于推算實(shí)際生態(tài)袋支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性分析，選取填充度為85%的生態(tài)袋試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，外包生態(tài)袋的三軸試樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)兩種不同尺寸試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系以及破壞模式進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 生態(tài)袋試件單軸壓縮試驗(yàn)

4.1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

生態(tài)袋試件單軸壓縮試驗(yàn)所用袋內(nèi)土的物理性質(zhì)指標(biāo)如表1 所示，生態(tài)袋材料性質(zhì)如表2 所示。選用的生態(tài)袋規(guī)格為37 cm×35 cm，按式（14）得到生態(tài)袋填充度為100%時(shí)的體積［19］，再計(jì)算出含水率為12%、填充度為85%條件下生態(tài)袋填充所需土的質(zhì)量為15.275 kg，并對(duì)其進(jìn)行裝填。

式中：L，B分別為生態(tài)袋的長(zhǎng)度與寬度，cm；V為填充度為100%時(shí)生態(tài)袋的體積，cm3；

試驗(yàn)儀器采用濟(jì)南中路昌試驗(yàn)機(jī)制造有限公司生產(chǎn)的微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)WAW-2000D。將2 個(gè)生態(tài)袋疊加后進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，如圖11 所示。試驗(yàn)加載速率為1 mm/min，試驗(yàn)終止條件依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［16］，本試驗(yàn)進(jìn)行到軸向應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)停止試驗(yàn)。

圖11 測(cè)試中的生態(tài)袋Fig.11 Ecological bag under test

4.1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖12 為85%填充度生態(tài)袋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，由圖12可知：應(yīng)力隨應(yīng)變逐漸增大，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線呈明顯“上翹”現(xiàn)象，根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［16］規(guī)定，對(duì)于沒有峰值或穩(wěn)定值的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，取其軸向應(yīng)變?yōu)?5%的應(yīng)力作為破壞應(yīng)力，即為單軸抗壓強(qiáng)度值qu，由試驗(yàn)結(jié)果得出qu=69.9 kPa。

圖12 85%填充度生態(tài)袋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.12 Stress-strain relationship curve of 85% filling degree eco-bag

生態(tài)袋在單軸壓縮試驗(yàn)過程中，由于生態(tài)袋與填料之間的相互作用，同時(shí)考慮到生態(tài)袋是一種具有蠕變性質(zhì)的材料，袋內(nèi)土體在受豎向壓力時(shí)，由于袋體的約束，使土體向兩側(cè)移動(dòng)，最終導(dǎo)致呈扁平狀態(tài)，即上下為平面，側(cè)向?yàn)榍?，呈外凸?fàn)畹幕⌒危鐖D13所示。

圖13 生態(tài)袋單軸壓縮破壞模式Fig.13 Ecological bag uniaxial compression failure mode

4.2 三軸試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

4.2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

土樣物理性質(zhì)指標(biāo)如表1 所示。生態(tài)袋其相關(guān)參數(shù)如表2所示。以含水率為12%，壓實(shí)度為85%制備三軸試樣，用生態(tài)袋在三軸試樣四周進(jìn)行包裹。試驗(yàn)儀器采用南京土壤儀器廠所生產(chǎn)的全自動(dòng)流變?nèi)S儀01-LH0501，試驗(yàn)剪切速率取1 mm/min。試驗(yàn)終止條件與生態(tài)袋試件單軸抗壓試驗(yàn)的終止條件相同。

4.2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

三軸試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖14 所示，在試驗(yàn)初期呈現(xiàn)明顯的壓密特性，試樣的軸向應(yīng)力隨著軸向應(yīng)變的增加而迅速增大，當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到3%后，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加速率逐漸減慢，最后趨于穩(wěn)定；由圖14 可以得到無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為75.1 kPa。

圖14 生態(tài)袋包裹三軸試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.14 Stress-strain relationship curve of triaxial specimen wrapped in eco-bag

在試驗(yàn)過程中，三軸試樣隨著軸向應(yīng)變的增加，試樣鼓脹變形明顯，呈現(xiàn)出典型的塑性破壞特征，如圖15所示，這說明由于生態(tài)袋的包裹對(duì)三軸試樣有側(cè)向約束作用，明顯改善了試樣的變形能力。

圖15 三軸試樣的破壞模式Fig.15 Failure mode of triaxial specimens

4.3 結(jié)果分析對(duì)比

4.3.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線對(duì)比

將圖12 填充度為85%生態(tài)袋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線和圖14生態(tài)袋包裹三軸試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線繪制到同一坐標(biāo)系內(nèi)，結(jié)果如圖16 所示。由圖16 可知：從加載前期到試樣破壞（軸向應(yīng)變?yōu)?5%），在相同應(yīng)變條件下，三軸試樣的軸向應(yīng)力均大于生態(tài)袋試件的軸向應(yīng)力。

圖16 兩種試驗(yàn)試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.16 Stress-strain relationship curve of two test specimens

當(dāng)軸向應(yīng)變?yōu)?5%時(shí)，三軸試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為75.1 kPa，生態(tài)袋試件的單軸抗壓強(qiáng)度為69.9 kPa，三軸試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比生態(tài)袋試件大5.2 kPa，即三軸試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是生態(tài)袋試件的1.074 倍。在實(shí)際工程應(yīng)用中，此誤差值可滿足實(shí)際工程的誤差范圍。

4.3.2 破壞模式對(duì)比

由圖13、15 可知：生態(tài)袋單軸壓縮破壞模式與三軸試樣破壞模式相似，表明兩者加筋機(jī)理相同。

5 結(jié)論

本文對(duì)不同含水率下生態(tài)袋加筋土進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，得到如下結(jié)論。

（1）不同含水率和圍壓下，生態(tài)袋加筋土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均未出現(xiàn)峰值點(diǎn)，表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型；應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線符合雙曲線特征；隨著含水率的增加，生態(tài)袋加筋土的破壞強(qiáng)度均在不斷減小。

（2）基于三軸試驗(yàn)結(jié)果，獲得不同含水率下生態(tài)袋加筋土鄧肯-張模型參數(shù)，分析了含水率對(duì)模型參數(shù)的影響規(guī)律，并獲得以含水率為影響因子的初始切線模量經(jīng)驗(yàn)公式，研究結(jié)果如下：黏聚力隨含水率增加呈二次函數(shù)關(guān)系減小，而內(nèi)摩擦角隨含水率增加呈線性關(guān)系減?。辉嚇拥某跏记芯€模量Ei隨著含水率的增加而減小；破壞比變化范圍為（0.828～0.990）；n值和K值均隨著含水率的增大而減小，n值和K值與含水率均呈負(fù)線性關(guān)系，且相關(guān)性良好。

（3）通過對(duì)試樣尺寸效應(yīng)分析，表明了本文研究結(jié)論的適用性。

本文對(duì)不同含水率下生態(tài)袋加筋土進(jìn)行三軸試驗(yàn)，研究了含水率對(duì)生態(tài)袋加筋土的力學(xué)特性和鄧肯-張模型參數(shù)的影響規(guī)律，獲得初始切線模量隨含水率變化的經(jīng)驗(yàn)公式；對(duì)試樣尺寸效應(yīng)進(jìn)行分析，表明了三軸試驗(yàn)結(jié)果可為生態(tài)袋護(hù)坡實(shí)際工程提供支持。上述研究結(jié)論為生態(tài)袋護(hù)坡工程的設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬提供一定的理論依據(jù)和參數(shù)支持。