三軸應(yīng)力狀態(tài)下原狀黃土的結(jié)構(gòu)性研究

吳志剛 王西寧 吳俊峰

0 引言

土的結(jié)構(gòu)性是指土中顆?；蛲令w粒集合體以及它們之間的孔隙的大小、形狀、排列組合及連接等綜合特征,所以土的結(jié)構(gòu)性不僅包括土的骨架和孔隙的幾何特征,還應(yīng)包括顆粒之間的連接特征。結(jié)構(gòu)性土具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,它是土保持原始基本單元結(jié)構(gòu)形式不被破壞的能力,由土的原始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和土粒間固化連接鍵強(qiáng)度組成。關(guān)于土結(jié)構(gòu)性研究的重要性,早由土力學(xué)的奠基人太沙基所指出。沈珠江將它作為“21世紀(jì)土力學(xué)的核心”,一語道出了土結(jié)構(gòu)性在土力學(xué)學(xué)科發(fā)展中的獨(dú)特地位。土的結(jié)構(gòu)性是一種復(fù)雜的客觀存在,那么研究土結(jié)構(gòu)性最好的方法應(yīng)該是使土的結(jié)構(gòu)性破壞,讓它的結(jié)構(gòu)勢表現(xiàn)出來。從而,既可以測得使結(jié)構(gòu)性破壞的難易程度,反映土結(jié)構(gòu)的可穩(wěn)性,又可測得破壞后的變形程度,反映結(jié)構(gòu)的可變性,從中尋求結(jié)構(gòu)性演變的規(guī)律。

1 基于應(yīng)力條件的結(jié)構(gòu)性參數(shù)

土結(jié)構(gòu)性的強(qiáng)弱可用土的連接和排列特征兩個方面來反映,用擾動、加荷和浸水的方式可以使土的結(jié)構(gòu)勢充分釋放出來。在三軸應(yīng)力狀態(tài)下,可通過同一應(yīng)變下原狀土試樣、重塑土試樣(濕密狀態(tài)不變)和飽和土試樣的剪切強(qiáng)度來表示土的應(yīng)變綜合結(jié)構(gòu)性參數(shù)。因此,通過原狀黃土、重塑黃土和飽和黃土的三軸剪切試驗(yàn),我們就可以建立反映結(jié)構(gòu)性的指標(biāo),依據(jù)它們的應(yīng)力應(yīng)變曲線,可以得到給定應(yīng)變條件下不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)黃土各自的主應(yīng)力差(σ1-σ3)y,(σ1-σ3)r和(σ1-σ3)s來反映擾動、浸水和加荷作用下土的結(jié)構(gòu)性變化。其中,(σ1-σ3)y為原狀黃土剪切過程中的主應(yīng)力差值;(σ1-σ3)r和(σ1-σ3)s分別為擾動重塑土樣和浸水飽和土樣的主應(yīng)力差值。由原狀土與重塑土的主應(yīng)力差比值及原狀土與飽和土的主應(yīng)力差比值可以綜合反映土粒空間排列和粒間連接特征所反映的結(jié)構(gòu)性。因此,可定義如下的結(jié)構(gòu)性參數(shù):

從式(1)可以得知:土的原始連接越強(qiáng),擾動重塑后的強(qiáng)度損失越大,土的結(jié)構(gòu)性參數(shù)越大;浸水作用下結(jié)構(gòu)性破壞越大,飽和原狀樣的強(qiáng)度損失越大,土的結(jié)構(gòu)性參數(shù)也越大。

2 試驗(yàn)方法及土樣物性指標(biāo)

試驗(yàn)土樣為陜西楊凌Q3黃土,試驗(yàn)設(shè)備為常規(guī)三軸剪切儀,采用不固結(jié)不排水試驗(yàn)(UU)。剪切圍壓分別取100 k Pa,200 k Pa,400 kPa,以反映圍壓對結(jié)構(gòu)性的影響。原狀土含水率分別為9.89%,13.05%,15.61%,18.77%,21.49%和24.66%,從而反映含水率對結(jié)構(gòu)性和結(jié)構(gòu)性參數(shù)的影響。采取原狀土的天然含水率為19.1%,干密度約為 1.54 g/cm3。含水率低于原狀土的采用天然原狀土風(fēng)干的方法制備。含水率高于原狀土的采用天然原狀土滴定注水的方法制備,先對試樣加水,然后在保濕缸中放置24 h以上,讓水分自由均勻擴(kuò)散。重塑樣在控制干密度和含水率的條件下,通過壓樣法制備。飽和樣采用抽氣飽和法制備。其基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)按照SL 237-1999土工試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行,通過對6個含水率原狀土樣及相應(yīng)(同含水率、同干密度)重塑土樣、飽和原狀土樣的三軸剪切試驗(yàn),得到不同含水率、不同圍壓下原狀土、重塑土和飽和土的應(yīng)力應(yīng)變曲線。圖1為含水量w=21.49%,圍壓σ3=200 k Pa時土樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

由試驗(yàn)結(jié)果,按照式(1)的計(jì)算公式,得到不同應(yīng)變時原狀黃土的結(jié)構(gòu)性參數(shù) mσ,繪制出結(jié)構(gòu)性參數(shù) mσ與軸向應(yīng)變ε1的關(guān)系曲線,圖2為圍壓200 kPa,不同含水量下的 mσ變化曲線?？梢?結(jié)構(gòu)性參數(shù) mσ與ε1曲線均呈規(guī)律性變化。在應(yīng)變 ε1＜2.0%之前,規(guī)律不太明顯,有點(diǎn)紊亂;在 ε1＞2.0%之后,對應(yīng)相同軸向應(yīng)變ε1時,結(jié)構(gòu)性參數(shù) mσ隨含水率的增大而減小,結(jié)構(gòu)性參數(shù) mσ與軸向應(yīng)變ε1關(guān)系曲線隨含水率的增大而向下移動。但含水率對黃土結(jié)構(gòu)性的影響程度與剪切過程中應(yīng)變發(fā)展對黃土結(jié)構(gòu)性的破壞程度密切相關(guān)。低應(yīng)變時,應(yīng)變發(fā)展對結(jié)構(gòu)性的破壞較大,則含水率對結(jié)構(gòu)性的影響很明顯;隨著應(yīng)變的逐漸增大,結(jié)構(gòu)性的破壞程度逐漸減弱,則含水率對結(jié)構(gòu)性的影響逐漸減弱。這些說明低含水率下原狀黃土具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性是導(dǎo)致其具有較高強(qiáng)度的內(nèi)因?？梢?這個結(jié)構(gòu)性參數(shù)也可以反映含水率變化對土的結(jié)構(gòu)性的影響,同樣顯示出良好的合理性和相當(dāng)?shù)撵`敏性、穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

1)原狀黃土的特殊結(jié)構(gòu),宏觀地表現(xiàn)為具備結(jié)構(gòu)性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。黃土的結(jié)構(gòu)性是其一個重要的力學(xué)特性。2)建立反映土結(jié)構(gòu)性的定量化指標(biāo)的有效途徑是通過浸水、加荷、擾動等作用使土的結(jié)構(gòu)勢充分釋放出來。3)結(jié)果表明,本文所定義的結(jié)構(gòu)性參數(shù)能夠反映圍壓、含水量對剪切過程中原狀黃土結(jié)構(gòu)性的影響,具有很好的合理性、靈敏性、穩(wěn)定性。

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