重塑黃土的強度特性研究

孫永亮,劉增榮,李紅星

(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院,西安710055)

0 引言

影響土體變形的因素很多,包括顆粒組成、礦物成分,黏土顆粒及可溶鹽分含量、干密度、含水量、孔隙比等,其中含水量、干密度和孔隙比是3個重要因素[1],而且它們本身又可用擾動度來統(tǒng)一表示,本文以西北地區(qū)黃土為例,通過不同既定影響因素下土樣在三軸試驗下的研究,建立擾動度的概念,旨在探討既定黃土抗剪強度的變化和擾動度的關(guān)系。

1 擾動度概念

據(jù)前人研究[2],擾動度函數(shù)D與材料的塑性變形、初始條件、溫度以及含水量等有關(guān),可通過材料的相關(guān)參數(shù)來加以描述[3],如應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系、孔隙水壓力、有效應(yīng)力、孔隙比等,施工中以上因素相繼都有變化,因此將土中一點的應(yīng)力狀態(tài)、孔隙比、含水量及其應(yīng)力路徑作為施工擾動評價的基本指標(biāo)。

2 試樣制備

試驗在TSZ-6型臺式中壓三軸儀上進(jìn)行,試樣共8組,直徑 39.1 mm,高度 80.0 mm。通過將所采用的黏土風(fēng)干、碾碎、過篩后配制并選擇而得,其物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 土樣物理性質(zhì)指標(biāo)表

3 試驗方法

本次試驗根據(jù)孔隙比分成8組,體積均為96 cm3,含水量各試樣分別在200 kPa和400 kPa2種圍壓之下進(jìn)行三軸固結(jié)不排水和固結(jié)排水試驗。原則是每種土樣分別在兩中試驗下至少進(jìn)行2次,若數(shù)據(jù)2次結(jié)果差別大于10%,則做第3個試樣,直到符合。

4 試驗結(jié)果分析

通過數(shù)據(jù)的分析整理,不同孔隙比的重塑圖樣在最大軸壓σ3=200 kPa及最大軸壓σ3=400 kPa圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系隨應(yīng)力增加應(yīng)變的增加越來越少,圖形接近于開口向上,以y軸正半軸為對稱軸的拋物線的右半部分。破壞時的最大軸力與孔隙比關(guān)系在200 kPa和400 kPa圖像形狀類似,這里僅以最大軸壓為400 kPa圖形列舉如圖1所示。

圖1 體變與孔隙比關(guān)系圖

土樣在200 kPa和400 kPa圍壓下的體變圖形形狀類似,僅舉圍壓200 kPa時圖形如圖2所示。

圖2 體變與孔隙比關(guān)系圖

隨孔隙比變化而土樣破壞的孔隙水壓力在σ3=200 kPa和σ3=400 kPa時基本不變。

隨孔隙比不同,土樣破壞時最大主應(yīng)力無論在200 kPa還是在400 kPa規(guī)律清晰且圖線形狀也相同。由于孔隙水壓在2種圍壓下基本不變[4],所以破壞時土樣不同孔隙比下的最大有效主應(yīng)力圖和不同孔隙比下的圖線形狀也相同,僅豎標(biāo)位置不同。

土樣在不同孔隙比下抗剪切強度隨孔隙比增加而呈減小趨勢,其關(guān)系如圖3所示:

圖3 土樣的抗剪強度與孔隙比關(guān)系圖

5 抗剪切強度隨擾動度的變化規(guī)律

(1)定義擾動度函數(shù)D為:

式中:M——土體的狀態(tài)函數(shù);

M0——土體的初始狀態(tài);

MC——土體的施工擾動狀態(tài);

Mf——土體的最終破壞狀態(tài)破壞曲面的響應(yīng)。

式中:ΔP,Δ Q,ΔE,Δ W ——施工擾動引起的壓力P﹑抗剪強度Q﹑孔隙比 E﹑含水量 W的增量。

Δpf,Δ qf,Δ ef,Δwf ——從初始狀態(tài)到破壞曲面的壓力p﹑抗剪強度q﹑孔隙比e﹑含水量w增量。

在系統(tǒng)分析法[5]中認(rèn)為各個因素發(fā)揮的作用并不相同,其影響程度用權(quán)[6]表示,且各影響因素之間可以是求和也可以是乘積關(guān)系[7]。

且A+B+C+D=1。這里若假定各評價元素對土體性質(zhì)影響作用均等,則有:

若忽略土體物理參數(shù)[3]的變化則:

(2)若假定4個影響因素作用均等[8],且僅考慮孔隙比一個參量的影響,以此來討論擾動度,則可建立Q-e關(guān)系如下

式中:Q,Q0——分別為重塑后土體強度和原狀土體強度;

e0,e——分別為重塑后孔隙比和原狀孔隙比。

6 結(jié)語

(1)在假定4個影響因素影響程度相同的情況下,重塑黃土的抗剪強度和擾動度成很規(guī)律的反比變化,而擾動度則可用孔隙比的前后變化來近似表示。

圖4 強度比值和孔隙比比值在重塑前后關(guān)系圖

(2)施工擾動后土體的強度可近似用壓力、孔隙比、含水量的前后變化加以表示,為保證其強度不變,盡量保證土體的受力狀態(tài)、孔隙比和含水量保持不變,盡量保證基坑、地基土在施工中少受擾動,開挖處理基坑時褥墊層的厚度必須滿足規(guī)范要求。

(3)施工中對于已擾動土體的處理,可從3個影響因素著手,從強壓、擠密、不能允許地基浸水等方面著手處理和加固。

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