砂質(zhì)原狀黃土強(qiáng)度各向異性試驗(yàn)研究

王華雄，蔡國慶，韓博文，李 艦，趙成剛

(1.城市地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100044；2.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 北京 100044)

天然黃土顏色通常表現(xiàn)為黃色或棕黃色，其主要成分包括黏土和粉砂等，土體內(nèi)部往往不會(huì)形成層理結(jié)構(gòu)但會(huì)形成豎直節(jié)理[1]。剪切破壞往往是大部分土體的破壞形式[2]，因此研究原狀黃土的抗剪強(qiáng)度十分重要。天然黃土在主要的形成過程會(huì)生成豎直方向的節(jié)理以及特有的較大的孔隙結(jié)構(gòu)特征，導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)出顯著的各向異性特性[3-4]。在原狀黃土抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)研究領(lǐng)域，從豎直深度方向制得的土樣往往被大部分研究者選用并開展一系列試驗(yàn)。然而，在實(shí)際工程情況下，原狀黃土常常具有十分復(fù)雜的受力狀態(tài)，只單一采用豎直方向或水平方向的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，無法準(zhǔn)確而全面地反映原狀黃土的破壞及變形特征。所以，對原狀黃土的抗剪強(qiáng)度各向異性特性進(jìn)行研究，在理論上或者在實(shí)際應(yīng)用上都將會(huì)表現(xiàn)出非常重大的研究意義。 關(guān)于黃土強(qiáng)度各向異性特征，國內(nèi)外眾多學(xué)者開展了相關(guān)研究。Casagrande等[5]較早發(fā)現(xiàn)土體強(qiáng)度的各向異性，且根據(jù)原因分成原有的以及外部應(yīng)力導(dǎo)致的各向異性。許萍[6]和Liang等[7]通過研究發(fā)現(xiàn)黃土是風(fēng)力搬運(yùn)的天然沉積土，天然沉積土通常具有各向異性。李廣信[8]認(rèn)為原狀黃土在主要的形成過程中都會(huì)呈現(xiàn)出各向異性特性。Kohata等[9]取飽和重塑土進(jìn)行排水剪切試驗(yàn)，提出了一個(gè)各向異性條件下弱超固結(jié)土的本構(gòu)模型。Arthur等[10]對黃土沉積和黃化過程進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，結(jié)果表明，黃土在沉積和黃土化過程中均會(huì)形成各向異性。Arthur[11]取散砂法制備的各向異性土樣進(jìn)行三軸試驗(yàn)，結(jié)果表明，應(yīng)力比相同時(shí)，不同加載方向試樣的軸向應(yīng)變值差別較大。Oda[12]取松砂進(jìn)行常規(guī)三軸試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)施加荷載的方向和松砂的沉積方向不一致時(shí)，松砂的變形和抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)出明顯的各向異性。宋飛等[13]取不同沉積方向的砂土試樣進(jìn)行排水剪切試驗(yàn)，結(jié)果表明，各向異性條件下的k0值比各向同性時(shí)明顯偏大。Yoshimine等[14]采用空心圓柱扭剪儀進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果表明，不同大主應(yīng)力方向具有不同的強(qiáng)度。栗茂田等[15]取飽和松砂進(jìn)行不排水剪切試驗(yàn)，結(jié)果表明，剪切過程應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系受到主應(yīng)力方向的影響。魯潔等[16]取壓實(shí)黃土進(jìn)行直剪和滲透試驗(yàn),結(jié)果表明,壓實(shí)黃土垂直向強(qiáng)度參數(shù)大于水平向,黏聚力各向異性隨含水率增大而減小。楊朝旭[17]取陜西銅川壓實(shí)黃土進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，結(jié)果表明，陜西銅川壓實(shí)黃土具有明顯的強(qiáng)度各向異性，同等應(yīng)力條件下垂直向的抗剪強(qiáng)度大于水平方向，并且隨著圍壓或者干密度的增大其抗剪強(qiáng)度的差異性表現(xiàn)的更加顯著。梁慶國等[18]取蘭州地區(qū)Q4黃土開展直剪和固結(jié)試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)施加的法向應(yīng)力低于300 kPa時(shí)，水平向試樣抗剪強(qiáng)度比垂直向大13.6%～20.8%，而當(dāng)施加的法向應(yīng)力高于300 kPa時(shí)，垂直向試樣抗剪強(qiáng)度僅比水平向試樣大3.7%～7.4%。劉奉銀等[19]取西安地區(qū)原狀Q3黃土進(jìn)行直剪試驗(yàn)，結(jié)果表明，該地區(qū)黃土豎直方向的黏聚力大于水平向，而內(nèi)摩擦角則相反。孫亞男[20]取西安某基坑土進(jìn)行直剪試驗(yàn)，結(jié)果表明,基坑垂直向與水平向土體的抗剪強(qiáng)度存在明顯的差異。張奇瑩等[21]取陜西省涇陽原狀黃土進(jìn)行直剪試驗(yàn)，結(jié)果表明,黃土強(qiáng)度各向異性的影響因素主要有孔隙率和含水率。梁慶國等[18]取蘭州Q4黃土進(jìn)行三軸試驗(yàn)，結(jié)果表明，不同圍壓下，豎直向試樣的變形模量大于水平向。徐善常等[22]取甘肅定西原狀Q3黃土進(jìn)行三軸試驗(yàn)，結(jié)果表明，垂直向抗剪強(qiáng)度明顯高于水平向。羅傳慶等[23]取西寧地區(qū)原狀黃土進(jìn)行不排水剪切試驗(yàn)，結(jié)果表明，黃土的各向異性在不同應(yīng)變下的表現(xiàn)程度與其所承受的應(yīng)力歷史有關(guān)。葉朝良等[24]取原狀Q3黃土進(jìn)行直剪及三軸試驗(yàn)，結(jié)果表明，黃土內(nèi)摩擦角和黏聚力均是水平方向較大。衣浩源[25]取山西原狀馬蘭黃土進(jìn)行三軸，結(jié)果表明，山西原狀馬蘭黃土抗剪強(qiáng)度存在明顯的各向異性；土體豎直方向的密實(shí)度和抗剪強(qiáng)度明顯比水平方向高，豎直方向的抗剪強(qiáng)度約為水平向的1.15倍。張茂華等[26]取原狀Q3黃土進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明，黃土的壓縮變形和濕陷變形具有顯著的各向異性。張幫強(qiáng)等[27]取陜西涇陽原狀黃土進(jìn)行平面應(yīng)變試驗(yàn)，結(jié)果表明，隨著主應(yīng)力角增大，黃土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)顯著減小。邵生俊等[28]取西安Q3原狀黃土進(jìn)行真三軸試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，應(yīng)變相同時(shí)，豎向的最大偏應(yīng)力比其它方向的大。陳偉等[29]采用空心圓柱扭剪儀對黃土進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，主應(yīng)力方向角增加，強(qiáng)度呈現(xiàn)出先減小后增大的變化規(guī)律。許萍等[30]取西安Q3原狀黃土進(jìn)行真三軸試驗(yàn)，結(jié)果表明，黃土的豎直向黏聚力和內(nèi)摩擦角均大于水平方向。Li[31]通過研究得出黃土兩個(gè)方向的抗剪強(qiáng)度參數(shù)即c值和φ值表現(xiàn)出各向異性，水平方向的c和φ都比豎直方向的大。

針對取自北京地區(qū)某工點(diǎn)的水平和豎直方向原狀黃土試樣，在保持土樣天然含水率條件下，分別開展了固結(jié)不排水和固結(jié)排水三軸剪切試驗(yàn)，以此來研究各向異性條件下原狀黃土的變形及強(qiáng)度特性。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 取樣及制樣

現(xiàn)場取樣點(diǎn)位于北京市大興區(qū)某施工工地基坑工程，取樣深度3 m～4 m，所取土樣位于基坑側(cè)壁和底部，取樣處黃土呈黃色，為典型的黃土，孔隙發(fā)育較好。

現(xiàn)場所取土樣運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后，對其進(jìn)行基本物理性質(zhì)指標(biāo)的試驗(yàn)測定，然后分別從豎直方向和水平方向制備標(biāo)準(zhǔn)三軸試樣，試樣直徑為39.1 mm，高80 mm，制備水平方向和豎直方向試樣各6個(gè)，共計(jì)12個(gè)試樣。

1.2 試驗(yàn)方法

制備好的試樣，保持土樣天然含水率，采用TSZ-3型應(yīng)變控制式三軸儀，在100 kPa、200 kPa、300 kPa的圍壓下，分別在固結(jié)不排水和固結(jié)排水試驗(yàn)條件對試樣進(jìn)行剪切。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 土樣基本性質(zhì)試驗(yàn)

土樣的比重、液限、塑限等指標(biāo)見表1。

表1 土樣基本性質(zhì)指標(biāo)

2.2 豎直和水平方向試樣固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)

現(xiàn)場所取的原狀土樣從豎直方向和水平方向制備三軸試樣。分別在100 kPa、200 kPa、300 kPa圍壓下進(jìn)行固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)，試樣的天然含水率和干密度如表2所示。

表2 試樣天然含水率和干密度(固結(jié)不排水)

水平和豎直方向試樣剪切過程中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖1所示。兩個(gè)方向均表現(xiàn)為：不同圍壓下，隨著軸向應(yīng)變增大，試樣的偏應(yīng)力先增大，達(dá)到峰值，然后逐漸減小，試樣的破壞呈現(xiàn)出塑性破壞。

圖1 水平和豎直方向試樣不同圍壓條件應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(固結(jié)不排水)

不同圍壓下兩個(gè)方向的最大偏應(yīng)力如圖2所示。圍壓為100 kPa、200 kPa、300 kPa，豎直方向試樣的最大偏應(yīng)力為96 kPa、174 kPa、269 kPa；水平方向?yàn)?6 kPa、144 kPa、224 kPa。兩個(gè)方向的最大偏應(yīng)力均隨著圍壓的增大而增大。

圖2 不同圍壓下不同方向試樣最大偏應(yīng)力值(固結(jié)不排水)

不同圍壓下不同方向的破壞應(yīng)變值如圖3所示。豎直方向試樣的破壞應(yīng)變值分別為8.83%、14.04%、15.43%；水平方向應(yīng)變值分別為6.30%、15.31%、15.41%。隨著圍壓的增大，兩個(gè)方向試樣的破壞應(yīng)變值均不斷增大。

圖3 不同圍壓下不同方向試樣的破壞應(yīng)變值(固結(jié)不排水)

2.3 豎直和水平方向試樣固結(jié)排水三軸剪切試驗(yàn)

沿豎直和水平方向制備的試樣，分別在100 kPa、200 kPa、300 kPa圍壓下進(jìn)行固結(jié)排水三軸剪切試驗(yàn)，試樣的天然含水率和干密度如表3所示。

表3 試樣的天然含水率和干密度(固結(jié)排水)

水平和豎直方向試樣剪切過程中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖4所示。兩個(gè)方向的試樣均表現(xiàn)出塑性破壞：不同圍壓下，隨著軸向應(yīng)變增大，試樣的偏應(yīng)力先增大，達(dá)到峰值，然后逐漸減小。

不同圍壓下不同方向試樣的最大偏應(yīng)力如圖5所示。圍壓為100 kPa、200 kPa、300 kPa時(shí)，豎直方向試樣的最大偏應(yīng)力分別為120 kPa、264 kPa、401 kPa；水平方向分別為88 kPa、193 kPa、288 kPa。兩個(gè)方向的最大偏應(yīng)力均隨圍壓增大而增大。

不同圍壓下不同方向試樣的破壞應(yīng)變值如圖6所示。豎直方向試樣的破壞應(yīng)變值分別為15.13%、13.99%、15.32%；水平方向應(yīng)變值分別為6.31%、15.27%、15.32%。隨著圍壓增大，豎直方向試樣的破壞應(yīng)變值先減小后增大，水平方向試樣則逐漸增大。

圖4 水平和豎直方向試樣不同圍壓條件應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(固結(jié)排水)

圖5 不同圍壓下不同方向試樣最大偏應(yīng)力值(固結(jié)排水)

圖6 不同圍壓下不同方向試樣的破壞應(yīng)變值

3 各向異性分析

3.1 最大偏應(yīng)力

固結(jié)不排水和固結(jié)排水試驗(yàn)條件下水平方向和豎直方向試樣的最大偏應(yīng)力差值如圖7所示。固結(jié)不排水試驗(yàn)中，兩個(gè)方向的最大偏應(yīng)力差值分別為20 kPa、30 kPa、45 kPa；固結(jié)排水試驗(yàn)中，兩個(gè)方向最大偏應(yīng)力差值分別為32 kPa、71 kPa、113 kPa。兩種試驗(yàn)條件下，差值均大于0，即豎直方向試樣的最大偏應(yīng)力大于水平方向，最大偏應(yīng)力在豎直方向和水平方向上表現(xiàn)出明顯的各向異性。隨著圍壓增大，兩個(gè)方向的最大偏應(yīng)力差值在逐漸增大，即各向異性特性隨圍壓的增大表現(xiàn)越來越明顯。

圖7 水平和豎直方向試樣不同圍壓條件最大偏應(yīng)力差值

3.2 破壞應(yīng)變值

固結(jié)不排水和固結(jié)排水試驗(yàn)條件下水平方向和豎直方向試樣的破壞應(yīng)變值差值如圖8所示。固結(jié)不排水試驗(yàn)中，兩個(gè)方向試樣的破壞應(yīng)變值差值分別為2.53%、-1.28%、0.02%；固結(jié)排水試驗(yàn)中，兩個(gè)方向破壞應(yīng)變值差值分別為8.82%、-1.28%、0.01%。兩種試驗(yàn)條件下均表現(xiàn)為：圍壓100 kPa和300 kPa時(shí)差值大于0，即豎直方向試樣的破壞應(yīng)變值大于水平方向；圍壓200 kPa時(shí)差值小于0，即豎直方向試樣的破壞應(yīng)變值小于水平方向。不同圍壓作用下，土體豎直方向和水平方向的破壞應(yīng)變值表現(xiàn)出各向異性。隨著圍壓的增大，兩個(gè)方向的破壞應(yīng)變值差值呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，即破壞應(yīng)變值各向異性特性表現(xiàn)不明顯。

3.3 抗剪強(qiáng)度參數(shù)

固結(jié)不排水和固結(jié)排水試驗(yàn)條件下水平方向和豎直方向試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)見表4。豎直方向的內(nèi)摩擦角均大于水平方向；固結(jié)不排水試驗(yàn)中豎直方向的黏聚力大于水平方向，而固結(jié)排水試驗(yàn)中則是水平方向大于豎直方向。土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)在豎直方向和水平方向上表現(xiàn)出各向異性。

圖8 水平和豎直方向試樣不同圍壓條件破壞應(yīng)變值差值

表4 水平方向和豎直方向試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)

固結(jié)不排水和固結(jié)排水試驗(yàn)條件下豎直方向的抗剪強(qiáng)度包線均位于水平方向的抗剪強(qiáng)度包線之上，即豎直方向的抗剪強(qiáng)度大于水平方向，土體的抗剪強(qiáng)度在豎直方向和水平方向上表現(xiàn)出各向異性。

4 結(jié) 論

本文針對北京地區(qū)原狀砂黃土，以室內(nèi)試驗(yàn)為手段，對黃土強(qiáng)度各向異性進(jìn)行試驗(yàn)研究。選取了北京市大興區(qū)某地地下埋深3 m～4 m的原狀黃土，沿豎直方向和水平方向制備三軸試樣，并在100 kPa、200 kPa、300 kPa圍壓下進(jìn)行了固結(jié)不排水和固結(jié)排水三軸剪切試驗(yàn)。主要得到了以下結(jié)論：

(1) 在固結(jié)不排水和固結(jié)排水三軸剪切試驗(yàn)條件下，不同圍壓下，豎直方向和水平方向試樣的破壞形式均為塑性：土體剪切過程開始，第一階段的變形為彈性，伴隨軸向應(yīng)變的增大，土體步入應(yīng)變硬化階段；當(dāng)偏應(yīng)力上升到最大值以后，軸向應(yīng)變不斷增加，偏應(yīng)力表現(xiàn)出緩慢下降的變化趨勢，土體步入了應(yīng)變軟化階段。

(2) 在固結(jié)不排水和固結(jié)排水三軸剪切試驗(yàn)條件下，原狀黃土土樣的抗剪強(qiáng)度在豎直方向和水平方向上表現(xiàn)出明顯的各向異性。豎直方向的內(nèi)摩擦角均大于水平方向,固結(jié)不排水試驗(yàn)中豎直方向的黏聚力大于水平方向，而固結(jié)排水試驗(yàn)中則是水平方向大于豎直方向。隨著試驗(yàn)圍壓的增大，土體的抗剪強(qiáng)度在豎直方向和水平方向上表現(xiàn)出的各向異性越來越明顯。

(3) 北京地區(qū)原狀砂黃土抗剪強(qiáng)度在豎直方向和水平方向表現(xiàn)出各向異性的原因可能是黃土在沉積和演化過程中形成了特有的結(jié)構(gòu)性。