關(guān)于邊坡區(qū)的偏移結(jié)構(gòu)性試驗

李旭強

【摘 要】對偏移邊坡黃土進行真三軸試驗，在保持中主應(yīng)力、小主應(yīng)力不變的情況下，增大大主應(yīng)力，研究圍壓、初始中主應(yīng)力及初始含水率對非飽和黃土結(jié)構(gòu)性的影響規(guī)律。試驗結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)強度隨著圍壓、初始中主應(yīng)力的增大而增大，隨著初始含水率的增大而減??；結(jié)構(gòu)性參數(shù)隨著圍壓、初始中主應(yīng)力及初始含水率的增大而減小。

【關(guān)鍵詞】真三軸試驗；結(jié)構(gòu)性；強度指標(biāo)

一、試驗設(shè)備及試樣規(guī)格

試驗設(shè)備為日本谷藤機械工業(yè)株式會社生產(chǎn)的TS-526型多功能三軸儀。方柱形試樣的尺寸為88.9mm×88.9mm×35.56mm，如下圖所示。

試驗過程中，可在水平和垂直方向?qū)υ嚇邮┘痈髯元毩⒌膽?yīng)力采用移動邊板可對試樣進行K0固結(jié)，其位移可用位移傳感器測出。水平應(yīng)力σ3用液壓通過橡皮膜加到試樣上，而液壓作用在側(cè)板上；水平應(yīng)力σ2用可移動側(cè)板來施加。這兩個水平應(yīng)力的加載都由應(yīng)力控制。軸向荷載通過量力環(huán)及傳壓板加到試樣上，并由軸向加載裝置控制，采用應(yīng)變式加載。

二、試樣的制備及試驗方法

（一）試樣的制備

試驗所用黃土取自陜西三原縣塬邊偏移區(qū)，取土深度距原坡向的側(cè)向位移。

共進行了 3組試驗，每組均包含同等數(shù)量的原狀樣重塑樣（與原狀樣同容重、同含水率）和飽和原狀樣。第一組是等向固結(jié)，固結(jié)壓力分別為100、200、300 kPa， 研究等向固結(jié)時圍壓對非飽和黃土結(jié)構(gòu)性的影響規(guī)律。第二組研究初始中主應(yīng)力對非飽和黃土結(jié)構(gòu)性[1]的影響規(guī)律，在天頂約 50 m，屬Q(mào)3 黃土，烘干法測得天然含水率為 22.28% ，天然干密度為 1.60 g/cm3天然孔隙比為0.71、天然飽和含水率為 26%。非飽和黃土土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)見表 1。原狀樣采用削樣方法，嚴(yán)格控制試樣的形狀和尺寸。重塑樣制樣方法和常規(guī)三軸樣相似。配備不同含水率的試樣時，采用風(fēng)干法和水膜轉(zhuǎn)移法，控制含水率的誤差在0.02%以內(nèi)。配水完成后用保鮮膜包裹，放在干燥器內(nèi)密封3d，待水分均勻后備用。

（二）試驗方法

采用真三軸固結(jié)不排水剪切試驗。首先對試樣進行排水固結(jié)，固結(jié)時間為 2 h， 待固結(jié)穩(wěn)定后進行剪切，剪切時保持中主應(yīng)力、小主應(yīng)力不變，增大最大主應(yīng)力。增大最大主應(yīng)力時采用等應(yīng)變速率加載，加載速率為 0.1 mm/min。剪切過程中記錄量力環(huán)的變形量、軸向位移、兩個水平方然含水率 w=22.28%的情況下，保持σ1= 300 kPa、σ3=100kPa不變，通過增大中主應(yīng)力σ2來增大中主應(yīng)力比率b，初始值b分別為0.3、0.6、0.9。第三組研究初始含水率對非飽和黃土結(jié)構(gòu)性的影響規(guī)律。保持 b= 0.6、σ3 =100 kPa不變， 含水率依次取14.5%，17.49%，22.28%.

三、試驗結(jié)果分析

（一）圍壓對非飽和黃土結(jié)構(gòu)性的影響規(guī)律

天然含水率下，等向固結(jié)時，通過針對圍壓對非飽和黃土結(jié)構(gòu)性的影響分析可知：剪應(yīng)力隨著應(yīng)變和圍壓的增大而增大。應(yīng)變較小時，土樣被壓密，結(jié)構(gòu)強度得到充分發(fā)揮；應(yīng)變較大時，結(jié)構(gòu)遭到破壞，強度進而減??；應(yīng)變一定時，結(jié)構(gòu)強度隨著圍壓的增大而增大。整個過程中，結(jié)構(gòu)性參數(shù)先減小，后又慢慢增大，最后趨于平穩(wěn)。在應(yīng)變一定時，結(jié)構(gòu)性參數(shù)隨著圍壓的增大而減小圍壓越大，固結(jié)完成后土體密度越大，孔隙比減小，原始黏聚力增大，故破壞時的剪應(yīng)力增大；聯(lián)結(jié)強度增大，m2減小，結(jié)構(gòu)可穩(wěn)性增強，圍壓增大，結(jié)構(gòu)可變性減弱。但圍壓對可變性和可穩(wěn)性的影響并不同步，在應(yīng)變[2]較小時，圍壓的增大對可穩(wěn)性的影響較大；當(dāng)應(yīng)變較大時，圍壓對可變性的影響較大。依據(jù)綜合結(jié)構(gòu)性參數(shù)的定義，結(jié)構(gòu)性參數(shù)mε減小。

（二）初始中主應(yīng)力對非飽和黃土結(jié)構(gòu)性的影響規(guī)律

真三軸試驗中考慮了中主應(yīng)力σ2 對非飽和黃土力學(xué)特性的影響。固結(jié)時，σ1 和 σ3 保持不變， 增加σ2， 即增加 b。通過研究初始中主應(yīng)力對非飽和黃土結(jié)構(gòu)性的影響規(guī)律，結(jié)果顯示：應(yīng)力隨應(yīng)變的增大而增大，剪應(yīng)力隨著初始中主應(yīng)力 σ2的增大而增大。應(yīng)變一定時，結(jié)構(gòu)強度隨著初始中主應(yīng)力σ2的增大而增大。常規(guī)三軸試驗認為，非飽和黃土的力學(xué)特性與 b值無關(guān)， 即與中主應(yīng)力無關(guān)。真三軸試驗表明， 黃土的力學(xué)特性與中主應(yīng)力關(guān)系不可忽視，隨著σ2 接近 σ1 ， 即隨著初始 b值的增大，剪切應(yīng)力和結(jié)構(gòu)強度都增大。中主應(yīng)力的增加，平均主應(yīng)力也隨著增加，從而使土體密實；另一方面， 破壞時σ2 方向的應(yīng)力較大，增加了對土顆粒的約束和咬合作用。中主應(yīng)力增大， 圍壓也增大，非飽和黃土的結(jié)構(gòu)可穩(wěn)性增大，結(jié)構(gòu)可變性減弱。

（三）初始含水率對非飽和黃土結(jié)構(gòu)性的影響規(guī)律

黃土結(jié)構(gòu)的破壞，除了力的作用外，水的作用也不容忽視，發(fā)生偏移的很大一部分原因就是水的因素。通過研究含水率[3]對非飽和黃土結(jié)構(gòu)性的影響規(guī)律，結(jié)果顯示：應(yīng)力隨應(yīng)變的增大而增大；在應(yīng)變一定時，結(jié)構(gòu)強度隨著含水率的增大而減小。水率增大， 黏聚力減小， 聯(lián)結(jié)強度降低，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)強度減小。含水率增大，飽和黃土的剪應(yīng)力不受影響，故 m1 減小，結(jié)構(gòu)可變性增強。由于原狀黃土具有一定的結(jié)構(gòu)性， 隨著含水率的增大， 結(jié)構(gòu)弱化，剪應(yīng)力減小，而重塑黃土沒有結(jié)構(gòu)性，水對它的影響要小于對原狀黃土的影響，因此重塑黃土剪應(yīng)力減小量要小于原狀黃土剪應(yīng)力的減小量，故結(jié)構(gòu)性參數(shù)mε減小。

四、結(jié)論

以三原縣塬邊偏移區(qū)黃土為研究對象，利用真三軸儀對其力學(xué)特性進行深入研究，結(jié)果表明：（1）結(jié)構(gòu)強度隨著圍壓、初始中主應(yīng)力的增大而增大，結(jié)構(gòu)性參數(shù)隨著圍壓、初始中主應(yīng)力的增大而減小。圍壓增大，初始中主應(yīng)力增大，結(jié)構(gòu)可變性減弱，可穩(wěn)性增強。圍壓先影響可穩(wěn)性、后影響可變性，這種不同步性使得結(jié)構(gòu)性參數(shù)減小。（2）結(jié)構(gòu)強度、結(jié)構(gòu)性參數(shù)隨著含水率的增大而減小。含水率增大，結(jié)構(gòu)可變性增強。由于原狀黃土具有一定的結(jié)構(gòu)性，隨著含水率的增大，結(jié)構(gòu)弱化，剪應(yīng)力減小，而重塑黃土沒有結(jié)構(gòu)性，水對它的影響要小于對原狀黃土的影響，結(jié)構(gòu)可穩(wěn)性減弱，因此結(jié)構(gòu)性參數(shù)mε減小。

【參考文獻】

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