山東德州地區(qū)粉質(zhì)黏土真三軸不排水抗剪性能

楊康康，柴壽喜，王 沛，嚴(yán)江勝，劉 琦

（1.天津城建大學(xué)，天津300384；2.天津市天泰建筑設(shè)計(jì)院，天津300000）

目前，對(duì)于土體力學(xué)參數(shù)的研究主要基于無(wú)側(cè)限壓縮和常規(guī)三軸試驗(yàn)，這些試驗(yàn)所施加的應(yīng)力為單向壓縮及軸對(duì)稱應(yīng)力狀態(tài)，而實(shí)際工程中土體受三向大小各異的應(yīng)力狀態(tài)[1].而且，國(guó)內(nèi)真三軸研究主要集中在砂土[2-3]、黃土及軟黏土.因此，采用真三軸儀開(kāi)展不同圍壓和不同中主應(yīng)力系數(shù)b條件下粉質(zhì)黏土的土體力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)對(duì)理論研究、工程設(shè)計(jì)具有重要意義.

Lade[4]、Nakai[5]、Hoyos[6]等開(kāi)展了砂土、黏土及軟土的真三軸試驗(yàn)，得出中主應(yīng)力對(duì)土體強(qiáng)度及變形影響較大.李廣信[7]較早開(kāi)展了真三軸試驗(yàn).許萍、張新濤等[8-15]得出：應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)龃筅呌谄椒€(wěn)，表現(xiàn)為應(yīng)變硬化，隨中主應(yīng)力系數(shù)b增大，峰值應(yīng)力先增大后減小，峰值應(yīng)力最大時(shí)的b值分別為0.5，0.75，0.8，1；相同b值時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的初始斜率和峰值強(qiáng)度隨固結(jié)壓力增大而增大.邵生俊等[16-17]對(duì)黃土研究得出：圍壓和b值較小時(shí)表現(xiàn)為軟化，圍壓較大時(shí)則表現(xiàn)為硬化.

張新濤[9]研究得出：隨b值增大孔壓先增大后減小，而孫紅[13]認(rèn)為，孔壓隨b值增加而增大.代金秋等[12-15]認(rèn)為：強(qiáng)度參數(shù)隨b值和圍壓增加而增大.劉俊新[15]認(rèn)為：內(nèi)摩擦角隨b值增大先增加后減少，b=0.75時(shí)內(nèi)摩擦角最大.毛浩燃、潘家軍等[10-15]研究認(rèn)為：小主應(yīng)變-大主應(yīng)變曲線斜率隨b值而增大，b值越大小主應(yīng)力面膨脹越大；中主應(yīng)變有正負(fù)之分且隨b值增大由膨脹變?yōu)閴嚎s.其中，毛浩燃[10]得出：b=0.4時(shí)，ε2接近于0.劉俊新等[15-17]研究得出：試樣破壞形式有側(cè)脹、錐形、梯形和六邊形.

應(yīng)力和孔壓隨應(yīng)變?cè)龃蠖龃蟛②呌诜€(wěn)定，曲線初始斜率隨b值增大，先增大后減小，峰值應(yīng)力和峰值孔壓最大值時(shí)的b值不同.小主應(yīng)變隨b值增加而增大，中主應(yīng)變隨b值增大由膨脹變?yōu)閴嚎s.試樣破壞形式也有所不同.

本文對(duì)德州粉質(zhì)黏土進(jìn)行不同圍壓和不同中主應(yīng)力系數(shù)條件下固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，分析了真三軸應(yīng)力狀態(tài)下粉質(zhì)黏土應(yīng)力和孔壓曲線變化規(guī)律、抗剪強(qiáng)度、主應(yīng)變及試樣破壞.對(duì)不同圍壓和不同中主應(yīng)力系數(shù)條件下粉質(zhì)黏土的力學(xué)性質(zhì)有了規(guī)律性的認(rèn)識(shí)，為該地區(qū)工程設(shè)計(jì)提供參考.

1 真三軸試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器

圖1 DZY-Z-2型真三軸試驗(yàn)儀

大主應(yīng)力σ1采用剛性板加載；中主應(yīng)力σ2采用柔性水囊加載；小主應(yīng)力σ3采用空氣壓縮加載.該儀器可實(shí)現(xiàn)3個(gè)方向應(yīng)力σ1、σ2、σ3的分別單獨(dú)加載，互不干擾，實(shí)現(xiàn)三維應(yīng)力空間中不同應(yīng)力路徑的試驗(yàn)要求.

1.2 試驗(yàn)條件

（1）利用方形環(huán)刀將土樣切成120 mm×70 mm×70 mm的長(zhǎng)方體試樣.

（2）將帶環(huán)刀的試樣兩端貼上濾紙，放入真空缸進(jìn)行抽真空飽和.然后利用推土器將試樣推出，在試樣側(cè)面都貼兩條濾紙條，形成聯(lián)通的通道以便固結(jié)時(shí)充分排水.

（3）安裝好試樣，密封壓力室.先施加反壓為1 kPa的預(yù)壓，以保證固結(jié)時(shí)排出的水儀器能自動(dòng)收集.再施加試驗(yàn)方案所設(shè)定的圍壓，使試樣進(jìn)行等向排水固結(jié)，直至排水量不再發(fā)生變化為止.

（4）固結(jié)完成后，關(guān)閉上下排水閥，按照試驗(yàn)設(shè)定的加載數(shù)據(jù)對(duì)土樣進(jìn)行等應(yīng)變速率剪切.以應(yīng)力出現(xiàn)峰值或軸向應(yīng)變達(dá)到15%為試驗(yàn)結(jié)束標(biāo)準(zhǔn).實(shí)驗(yàn)的加載方式為變形加載，實(shí)驗(yàn)參數(shù)具體組合見(jiàn)表1.

表1 試驗(yàn)控制條件

中主應(yīng)力系數(shù)b是反映中主應(yīng)力σ2大小的參數(shù)，加載過(guò)程中保持b值不變；在每次試驗(yàn)中保持小主應(yīng)力σ3大小不變；當(dāng)大主應(yīng)力σ1增加時(shí)，通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)σ2自動(dòng)調(diào)節(jié)，使b值保持不變.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變與孔壓-應(yīng)變

圖2分別代表不同圍壓條件下不同b值的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與孔壓-應(yīng)變曲線.

圖2 應(yīng)力-應(yīng)變與孔壓-應(yīng)變曲線

（1）主應(yīng)力差和孔壓隨剪切應(yīng)變?cè)龃蠖龃蟛②呌诜€(wěn)定.相同圍壓下隨b值增大曲線初始斜率先增大后減小，b=0.75時(shí)峰值應(yīng)力和峰值孔壓最大.其中，圍壓為50 kPa和100 kPa時(shí)，b=1的峰值應(yīng)力和峰值孔壓低于b=0.75；圍壓為150 kPa和200 kPa時(shí)，b=1的峰值應(yīng)力和峰值孔壓低于b=0.相同b值隨圍壓增大峰值應(yīng)力和峰值孔壓都增大.

不同的替代物在肉制品中可以替代硝鹽部分作用，但是可能因其各自的來(lái)源和提取方式的不同而各有所異，有的又因沒(méi)有經(jīng)過(guò)毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)證明其安全性或穩(wěn)定性，尤其是添加替代物后的產(chǎn)品的市場(chǎng)推廣現(xiàn)階段較為滯后。未來(lái)的研究可能繼續(xù)于綠色天然替代物的尋找，以及其安全性(如毒理性)、性質(zhì)穩(wěn)定性和交互效果的驗(yàn)證等，并從降低硝鹽使用量的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)開(kāi)始，探尋使用替代物完全替代硝鹽的可能。

（2）由應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知試樣呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化的特征.相同圍壓下應(yīng)力-應(yīng)變曲線的初始斜率隨b值先增大后減小，b=0.75時(shí)曲線初始斜率最大，這表明中主應(yīng)力對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線是有影響的.

（3）孔壓是由剪切變形引起的，故孔壓隨應(yīng)變的變化規(guī)律與應(yīng)力曲線相似.孔壓在軸向應(yīng)變初期迅速上升，隨后保持穩(wěn)定，試驗(yàn)得出的孔壓變化情況表明土樣在剪切過(guò)程中呈剪縮特性.相同圍壓下孔壓-應(yīng)變曲線的初始斜率隨b值的增大先增大后減小，b=0.75時(shí)曲線初始斜率最大，這表明中主應(yīng)力對(duì)孔壓也是有影響的.

2.2 黏聚力和內(nèi)摩擦角

圖3為根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出應(yīng)力莫爾圓切線得出的不同中主應(yīng)力系數(shù)土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角曲線.升.因?yàn)殡Sb值增加土體所受的球應(yīng)力增加，土顆粒之間所受約束力就增加，土的黏聚力就增加.隨b值增大內(nèi)摩擦角先增大后減小，b=0.5時(shí)內(nèi)摩擦角最大.b值在0至0.5時(shí)土的內(nèi)摩擦角隨b值增大而增大，因?yàn)閎值增大使土顆粒被壓得更緊實(shí)，增加了土顆粒間咬合作用，摩擦作用也增強(qiáng)，土的內(nèi)摩擦角就增大；b值在0.5至1時(shí)土的內(nèi)摩擦角隨b值增大而減小，甚至b=1時(shí)內(nèi)摩擦角小于b=0的內(nèi)摩擦角.這是因?yàn)橥馏w在中主應(yīng)力的作用下沿σ2方向發(fā)生了結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致土的內(nèi)摩擦角降低.

圖3 不同中主應(yīng)力系數(shù)黏聚力和內(nèi)摩擦角曲線

2.3 主應(yīng)變

隨b值的增大土的黏聚力隨之增大，b值在0至0.5時(shí)土體黏聚力增加緩慢，在0.5至1時(shí)呈直線上

2.3.1 小主應(yīng)變與大主應(yīng)變

小主應(yīng)變?chǔ)?與大主應(yīng)變?chǔ)?的關(guān)系曲線如圖4所示.由圖4可知：小主應(yīng)變隨大主應(yīng)變的增大而減小，即隨大主應(yīng)變的增大在小主應(yīng)變方向膨脹變形增加.相同圍壓下隨b值增大小主應(yīng)變曲線斜率增大.相同b值下隨圍壓增大小主應(yīng)變斜率減小，此結(jié)果與孫紅等人的試驗(yàn)結(jié)果有所不同.圍壓越大土顆粒被壓得更加緊實(shí)，土顆粒間摩擦和聯(lián)結(jié)作用增強(qiáng)，抗剪切變形能力就有所提高，故隨圍壓增大在相同的軸向應(yīng)變下小主應(yīng)變就會(huì)減小.

圖4 不同圍壓下ε3-ε1關(guān)系曲線

2.3.2 中主應(yīng)變與大主應(yīng)變

圖5為中主應(yīng)變（ε2）與大主應(yīng)變（ε1）關(guān)系曲線.根據(jù)測(cè)定的σ2方向流量變化，計(jì)算出σ2方向的平均位移量，據(jù)此算出中主應(yīng)變.

圖5 不同圍壓下ε2-ε1關(guān)系曲線

由圖5可知：相同圍壓下隨b值增大中主應(yīng)變由負(fù)值變?yōu)檎?，說(shuō)明土樣在中主應(yīng)力方向上由膨脹變?yōu)閴嚎s.b=0.5時(shí)中主應(yīng)變接近于0，可以看作是平面應(yīng)變，故b=0.5可看作是試樣由膨脹變?yōu)閴嚎s的轉(zhuǎn)折點(diǎn).相同圍壓下b值在0至0.5時(shí)隨b值增大膨脹程度變小，b值在0.5至1時(shí)隨b值增大壓縮程度增大.相同b值下隨圍壓增大曲線斜率減小，可知無(wú)論膨脹還是壓縮的程度都是減小的.

2.4 試樣破壞形態(tài)

圖6為200 kPa圍壓下不同b值的試樣破壞形態(tài).

圖6 圍壓200 kPa時(shí)試樣破壞形態(tài)

b=0時(shí)：試樣在小主應(yīng)力作用面和中主應(yīng)力作用面同時(shí)發(fā)生膨脹，表現(xiàn)出側(cè)脹破壞（見(jiàn)圖7a）.b=0.25～1時(shí)：土樣在中主應(yīng)力作用面上出現(xiàn)兩個(gè)上下對(duì)立的錐形，表現(xiàn)為錐形破壞（見(jiàn)圖7b）.圖中濾紙條的變形是試樣發(fā)生剪切破壞引起的.

圖7 試樣破壞形態(tài)

在σ3方向，隨b值增大土樣側(cè)脹明顯；在σ2方向，b=0.25和b=0.5時(shí)土樣發(fā)生膨脹，b=0.25的膨脹量大于b=0.5的膨脹量；b=0.75和b=1的土樣向內(nèi)凹陷，隨b值增大試樣的凹陷增大，且錐形也越明顯.此破壞方式與于清高[17]的黃土研究結(jié)果一致.

3 結(jié)論

（1）應(yīng)力和孔壓隨應(yīng)變?cè)龃蠖龃蟛②呌诜€(wěn)定.相同圍壓下，隨b值增大曲線初始斜率先增大后減小，b=0.75時(shí)峰值應(yīng)力和峰值孔壓最大.隨著圍壓增大，相同b值下的峰值應(yīng)力和峰值孔壓都增大.

（2）隨b值增大，土的黏聚力隨之增大，內(nèi)摩擦角先增大后減小，b=0.5時(shí)內(nèi)摩擦角最大.

（3）小主應(yīng)變隨大主應(yīng)變的增大而減??；相同圍壓下，隨b值增大小主應(yīng)變曲線的斜率增大；中主應(yīng)變由負(fù)值變?yōu)檎担籦=0.5時(shí)，ε2接近于0；相同b值下隨圍壓增大，小主應(yīng)變和中主應(yīng)變斜率減小.

（4）b=0時(shí)，試樣小主應(yīng)力和中主應(yīng)力作用面同時(shí)發(fā)生膨脹.b=0.25～1時(shí)，在σ3方向隨b值增大，土樣側(cè)脹越明顯；在σ2作用面上出現(xiàn)兩個(gè)上下對(duì)立的錐形，隨b值增大錐形越明顯.