級配土凝聚力和摩擦角變化規(guī)律的試驗研究

郝飛 陸云 楊健

中圖分類號:TU41 文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1673-0992(2009)12-159-01

摘要:建過對直剪試驗中土樣破壞面情況和試驗數(shù)據(jù)的分析,提出了確定試樣破壞點的新方法,找到了莫爾—庫侖準(zhǔn)則中土壤的兩個強度參數(shù)隨干密度和含水量的變化規(guī)律,利用Excel對數(shù)據(jù)進行非線性擬合,給出了具有較好相關(guān)性的擬合公式。

關(guān)鍵詞:直剪試驗;破壞點;莫爾—庫侖準(zhǔn)則;強度參數(shù);非線性擬合

不同的壓實工況,土干密度和含水量是不同的。根據(jù)莫爾—庫侖準(zhǔn)則[1],有必要對土壤的兩個強度指標(biāo)、隨干密度和含水量變化規(guī)律進行研究。前人研究指出:粘土的值隨土壤的含水量增加而減少[2]。本文通過對長安大學(xué)工程機械學(xué)院動力學(xué)實驗室級配土(圖1)進行直剪試驗研究,尋求該級配下土的兩個強度指標(biāo)隨干密度和含水量變化規(guī)律。

1 實驗原理與方法

莫爾—庫侖準(zhǔn)則剪應(yīng)力表達式[3](見圖2)

式中: —土的抗剪強度,;

—作用在剪切面上的法向應(yīng)力,;

—土的強度指標(biāo),摩擦角,°;

—土的強度指標(biāo),凝聚力, ;

根據(jù)準(zhǔn)則和直剪實驗方法,制備同樣性質(zhì)土樣在不同的垂直荷載N1、N2、N3、N4作用下,得到不同的 利用線性回歸的辦法,作出回歸直線,可求得、兩個強度指標(biāo)的數(shù)值。

2 實驗數(shù)據(jù)處理與擬合

2.1破壞點的確定

在直剪實驗中,剪切位移與剪應(yīng)力關(guān)系曲線可能出現(xiàn)三種形式(圖3),根據(jù)土工試驗技術(shù)手冊:Ⅰ型曲線取峰值點a剪應(yīng)力作為破壞點;Ⅱ型曲線取穩(wěn)定值點b為破壞點;Ⅲ型曲線取剪切位移為4㎜的c點作為破壞點[4]。然而,在級配土直剪試驗過程中發(fā)現(xiàn),除了出現(xiàn)Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型曲線外,還出現(xiàn)了如圖4所示的曲線形式。此曲線的規(guī)律是,當(dāng)剪切位移接近4時,手輪轉(zhuǎn)動1圈(或數(shù)圈)剪應(yīng)力卻沒有隨著剪切位移的增加而增加,即曲線上出現(xiàn)了一個平臺;一般,在4附近會出現(xiàn)多個這樣的臺階;4之后,剪應(yīng)力隨剪切位移繼續(xù)增加。在試驗數(shù)據(jù)處理過程中發(fā)現(xiàn),取最后一個臺階終點對應(yīng)的剪切位移為破壞點,數(shù)據(jù)具有較好的相關(guān)性,較固定地取4㎜點作為破壞點能更好地反映土體的破壞。為此,專門開展了相關(guān)的試驗。在最后一個臺階終點處結(jié)束試驗,發(fā)現(xiàn)試樣已經(jīng)具有明顯的剪切破壞面,如圖5所示。

2 某試樣剪切位移-剪應(yīng)力關(guān)系

2.2數(shù)據(jù)處理與擬合

根據(jù)土壤兩個強度參數(shù)隨干密度(含水量不變)和含水量(干密度不變)變化的關(guān)系可以得出以下結(jié)論:

2.2.2干密度固定不變,該級配土的摩擦角、凝聚力均隨著含水量的增大而減小;

2.2.2.1含水量固定不變,該級配土的摩擦角、凝聚力均隨著干密度的增大而增大。

通過對多組數(shù)據(jù)在Excel環(huán)境下進行擬合,發(fā)現(xiàn)在干密度一定時,用對數(shù)曲線擬合土的兩個強度參數(shù)隨含水量變化關(guān)系精度比較高;而在含水量一定,用指數(shù)曲線擬合土的兩個強度參數(shù)隨干密度變化關(guān)系精度比較高。故作如下假設(shè):

2.2.3對應(yīng)于每一個固定的干密度,該級配土兩個強度參數(shù)隨含水量按對數(shù)曲線(a<0)規(guī)律變化;

2.2.4對應(yīng)于每一個固定的含水量,該級配土兩個強度參數(shù)隨干密度按指數(shù)曲線規(guī)律變化。

表1曲線擬合殘差對比

對上述兩個假設(shè)進行實驗驗證,驗證用土的基本參數(shù)為干密度、含水量。實驗測定該土的摩擦角為;利用擬合曲線計算得其摩擦角為:。而凝聚力誤差較大,導(dǎo)致較大誤差的主要原因有:實驗誤差、土的各向異性。

3 結(jié)語

通過對不同干密度和含水量組合下的土壤直剪試驗研究,得出以下幾個結(jié)論:

1.對于Ⅲ型曲線,取剪切位移在3～4mm之間曲線上最后一個臺階終點對應(yīng)的剪切位移作為破壞點較固定地取4㎜點作為破壞點能更好地反映土體的破壞;

2.采用實驗的方法,找到了土壤兩個強度基本參數(shù)與含水量和干密度之間的變化關(guān)系;

3.利用Excel擬合功能找到變化規(guī)律的擬合曲線,在以后的實驗中只要每一個含水量(或干密度)做兩個點就可以知道其整個的變化規(guī)律。

參考文獻

[1] 趙成剛、白冰、王運霞,土力學(xué)原理,北京:清華大學(xué)出版社,2004

[2] 楊士敏、張鐵,工程機械地面力學(xué)與行駛理論,西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,2000

[3] 屈智炯,土的塑性力學(xué),成都:成都科技大學(xué)出版社,1987

[4] 南京水利科學(xué)研究院土工研究所,土工試驗技術(shù)手冊,北京:人民交通出版社,2003

作者簡介:郝飛,男,1982年出生,江蘇濱海人,工學(xué)碩士,助理實驗師,研究方向:振動壓實土壤應(yīng)力分布、機電一體化技術(shù)。