飽和原狀黃土三軸試驗(yàn)研究

朱登武，王文生，劉路路，譚立振

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.陜西省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710065)

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飽和原狀黃土三軸試驗(yàn)研究

朱登武1，王文生2，劉路路1，譚立振1

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.陜西省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710065)

采用GDS靜三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)延安-延川(陜晉界)高速公路隧道的Q2老黃土進(jìn)行了固結(jié)不排水剪試驗(yàn)。結(jié)果表明：低圍壓下，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為軟化型，隨著圍壓的增大，軟化特性有所減弱，部分表現(xiàn)出硬化特性；隨著干密度的變化，土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化較大，干密度增大，粘聚力總體上呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，而內(nèi)摩擦角和干密度之間不具有很好的相關(guān)性。

飽和原狀黃土；三軸試驗(yàn)；應(yīng)力應(yīng)變曲線；強(qiáng)度指標(biāo)

我國(guó)黃土分布面積約64萬km2，其中以西北地區(qū)和黃河中游地區(qū)最為發(fā)育，多分布于甘肅、陜西、山西等地區(qū)。近年來，國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)加大投入，一批高標(biāo)準(zhǔn)的高速鐵路項(xiàng)目已經(jīng)建成或正在建設(shè)[1]，黃土圍巖等級(jí)劃分中存在的問題也日益突出。本文以延安-延川高速公路隧道老黃土隧道圍巖為研究對(duì)象，采用常規(guī)三軸試驗(yàn)研究Q2飽和原狀黃土在不同圍巖壓力下的應(yīng)力應(yīng)變特性以及干密度對(duì)于土體強(qiáng)度指標(biāo)的影響[2]，為黃土隧道圍巖的等級(jí)劃分提供參考。

1　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文試驗(yàn)所用土樣為Q2黃土，樣品取自延安-延川(陜晉界)高速公路隧道,取土深度20～116 m。按取樣地點(diǎn)，分6組進(jìn)行試驗(yàn)，共36個(gè)土樣。土樣基本參數(shù)如表1所示。所有土樣均為直徑39.1 mm、高80 mm的圓柱體。

表1　黃土試樣的物理性質(zhì)指標(biāo)

本文試驗(yàn)采用英國(guó)GDS公司生產(chǎn)的GDS靜三軸試驗(yàn)儀器，選用固結(jié)不排水的剪切方法，加載方式為應(yīng)變控制式，按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》要求，剪切應(yīng)變速率為每分鐘應(yīng)變0.5%[3]。每組6個(gè)試樣，采用6級(jí)圍壓，圍壓在50～700 kPa。

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1試樣破壞形態(tài)圖

圖1和圖2是試樣在不同圍壓下的破壞形態(tài)。

(a)σ3=100 kPa　　　　　　　(b)σ3=200 kPa　　　　　　　　(c)σ3=100 kPa

(a)σ3=500 kPa　　　　　　　(b)σ3=600 kPa　　　　　　　　(c)σ3=700 kPa

由圖1、圖2可見，飽和原狀黃土試樣在低圍壓下，往往發(fā)生脆性破壞，出現(xiàn)明顯的剪切破裂面；在較高圍壓下，試樣呈塑性破壞，沒有明顯的破裂面，試樣中部膨大[4]。

圖3　強(qiáng)度莫爾圓的示意圖

2.2強(qiáng)度特性

以(σ1-σ3)的峰值為破壞點(diǎn)，無峰值時(shí)，取15%軸向應(yīng)變時(shí)的主應(yīng)力差值作為破壞點(diǎn)，以法向應(yīng)力為橫坐標(biāo)，剪應(yīng)力為縱坐標(biāo)，在橫坐標(biāo)上以(σ1f+σ3f)/2為圓心，(σ1f-σ3f)/2為半徑，在τ-σ應(yīng)力平面圖上繪制破損應(yīng)力圖，并繪制不同圍壓下破損應(yīng)力圓的包線，求出不排水強(qiáng)度參數(shù)，如圖3所示[5]。

表2　土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

圖4　抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與干密度的關(guān)系

根據(jù)表2及圖4可知：(1)隨著干密度的變化，Q2飽和原狀黃土強(qiáng)度指標(biāo)值變化較大，粘聚力c的變化范圍介于100～300 kPa，內(nèi)摩擦角φ的變化范圍介于15°～ 35°；(2)粘聚力c隨著干密度的增大，總體上呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，而內(nèi)摩擦角φ和干密度之間的數(shù)據(jù)較為離散，兩者之間不具有很好的相關(guān)性。

2.3剪切過程中的應(yīng)力應(yīng)變特性

以主應(yīng)力差值(σ1-σ3)為縱坐標(biāo)，軸向應(yīng)變?yōu)闄M坐標(biāo)，繪制應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線 ，圖5反映了不同圍壓條件下飽和原狀黃土在剪切過程中的應(yīng)力應(yīng)變特性。由圖5可以看出：(1)固結(jié)不排水剪試驗(yàn)中，飽和原狀黃土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線表現(xiàn)為兩種形態(tài)，即應(yīng)變軟化和應(yīng)變硬化[6]，在低圍壓條件下，均表現(xiàn)為強(qiáng)軟化型，隨著圍壓的增大軟化程度有所減弱，部分表現(xiàn)出硬化特征；(2)峰值應(yīng)變大約在1%～3%，隨著圍壓的增大，峰值應(yīng)變?cè)龃?，峰值?qiáng)度提高。天然黃土都具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，圍壓小于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈軟化型或弱硬化型，當(dāng)圍壓大于土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，土的結(jié)構(gòu)在均壓固結(jié)時(shí)就遭到部分破壞，剪縮現(xiàn)象顯著，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系一般呈強(qiáng)硬化型。土的強(qiáng)度隨著塑性體應(yīng)變?cè)龃蠖岣遊6]。

圖5　各土樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

3　結(jié)論

(1)土樣的破壞形態(tài)和圍壓的大小有關(guān)。低圍壓下多為脆性破壞，有明顯的剪切破裂面；較高圍壓下，多呈塑性破壞，無明顯破裂面出現(xiàn)，并出現(xiàn)剪縮現(xiàn)象。

(2)不同圍壓條件下，飽和原狀黃土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不同。在低圍壓下，飽和原狀黃土的應(yīng)力應(yīng)關(guān)系，均表現(xiàn)為軟化型，隨著圍壓的增大，軟化特性有所減弱，部分表現(xiàn)出硬化特性。

(3)隨著干密度的變化，土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化較大，其中，粘聚力c隨著干密度的增大，總體上呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，而內(nèi)摩擦角φ和干密度之間不具有很好的相關(guān)性。

[1]趙勇,李國(guó)良，喻渝.黃土隧道工程[M].北京：中國(guó)鐵道出版社,2011.

[2]中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn):GB/T 50123-1999 [S].北京：中國(guó)計(jì) 劃出版社,1999.

[3]趙麗婭.飽和黃土的應(yīng)力應(yīng)變及強(qiáng)度特性研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué), 2010.

[4]何小亮,謝婉麗,丁勇. 涇陽南塬黃土剪切強(qiáng)度的三軸試驗(yàn)研究[C]. 2010年全國(guó)工程地質(zhì)學(xué)術(shù)年會(huì)暨“工程地質(zhì)與海西建設(shè)”學(xué)術(shù)大會(huì).中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)工程 地質(zhì)專業(yè)委員會(huì),2010.

[5]中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.公路土工試驗(yàn)規(guī)程:JTG E40—2007[S].北京:人民交通出版社,2007.

[6]劉祖典.黃土力學(xué)與工程[M].西安：陜西科技出版社,1997.

Study of tri-axial tests for undisturbed saturated loess

ZHU Deng-wu1，WANG Wen-sheng2，LIU Lu-lu1，TAN Li-zhen1

( 1.School of Highway,Chang′an University,Xi′an 710064,China； 2.Shaanxi Transportation Planning Design and Research Institute,Xi′an 710065,China)

With the GDS static triaxial test system,undrained shear test is conducted to the old Q2 loess in Yan′an-Yanchuan(Shanjin boundary) Highway tunnel,the research results shows that under the small consolidate pressure,stress-strain relationship characterized by softening type,and with the increase of small consolidate pressure,softening properties reduced in a way,part of them showed hardening characteristics;the soli strength index changes a lot with the change of dry density.Cohesion showed a tendency to increase in general with the increasing of the dry density.There is not very good correlation between the internal friction angle and dry density .

saturated intact loess;triaxial test;stress-strain curve;strength index

2015-12-10

朱登武(1990—)，男，安徽安慶人，碩士研究生。

1674-7046(2016)04-0045-04

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.04.009

TU411

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