不同大主應(yīng)力方向角剪切對(duì)重塑鹽漬土變形特性的影響

魯生斌，馬艷霞，聶思凡，李忠林

(青海大學(xué)土木工程學(xué)院，青海省建筑節(jié)能材料與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810016)

鹽漬土作為一種特殊土，具有鹽脹、溶陷、腐蝕等工程特性[1]，嚴(yán)重影響工程建設(shè)的安全運(yùn)營，增加了工程建設(shè)的難度。在鹽漬土路基工程中，通常要對(duì)鹽漬土進(jìn)行地基處理。常用的路基地基處理方法有去除土體中的鹽分(洗鹽是其中的一種方法)、隔斷水分法、結(jié)構(gòu)加固法3類[2]，由于鹽漬土路基的復(fù)雜性，通常采用多種方法共同處理的方式，其中浸水預(yù)溶+強(qiáng)夯地基處理方法在工程中應(yīng)用廣泛[3-4]。黎盟等[5]針對(duì)飽和砂土開展定向剪切不排水應(yīng)力路徑下不同主應(yīng)力方向角對(duì)軸向和扭剪應(yīng)變影響的研究，發(fā)現(xiàn)不同角度下飽和砂土具有明顯的各向異性特征。陳敦等[6]研究了主應(yīng)力方向角對(duì)飽和凍結(jié)黏土的影響，發(fā)現(xiàn)剪切強(qiáng)度隨著大主應(yīng)力方向角的增大而減小。陳偉等[7]研究定向剪切應(yīng)力路徑下主應(yīng)力方向角對(duì)重塑黃土強(qiáng)度及變形的影響，發(fā)現(xiàn)擊實(shí)黃土的強(qiáng)度隨主應(yīng)力方向角的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。劉紅等[8]對(duì)重塑黃土開展定向剪切和主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)后的定向剪切研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后不同主應(yīng)力方向角下重塑黃土的強(qiáng)度差異很大，各向異性特征明顯。目前針對(duì)重塑鹽漬土在復(fù)雜應(yīng)力路徑下應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系研究較少。本研究采用洗鹽+分層擊實(shí)的方法模擬浸水預(yù)溶+強(qiáng)夯的路基處理方法，利用空心圓柱扭剪儀(HCA)，研究定向剪切應(yīng)力路徑下重塑鹽漬土強(qiáng)度及變形特性，分析大主應(yīng)力方向角條件下的八面體應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系和各應(yīng)變分量的變化規(guī)律，以及偏應(yīng)力—主應(yīng)變的變化關(guān)系，以期為鹽漬土地區(qū)建設(shè)時(shí)路基處理提供理論依據(jù)。

1 試樣制備和試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

圖1 鹽漬土顆粒級(jí)配曲線

制樣前先將土樣過5 mm篩后進(jìn)行洗鹽，當(dāng)土樣中Na2SO4含量小于1%時(shí)可消除鹽脹的影響[10-11]，即可認(rèn)為洗鹽完成；然后將土樣烘干碾碎，過2 mm篩并根據(jù)最優(yōu)含水率(22%)分層配置土樣。根據(jù)最大干密度計(jì)算土樣的總土量，分十層裝進(jìn)成模桶內(nèi)擊實(shí)，將制成的圓柱試樣分45 mm和60 mm，并兩次掏空心，最終制成外徑D=100 mm、內(nèi)徑d=60 mm、高度H=200 mm的空心圓柱試樣(圖2)。

圖2 空心扭剪試樣

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及原理

本試驗(yàn)所用設(shè)備為英國GDS公司研發(fā)的空心圓柱扭剪儀(HCA)(圖3)，該儀器通過臺(tái)座中的軸向和扭轉(zhuǎn)馬達(dá)分別施加軸力W和扭矩MT，通過內(nèi)外圍壓控制器向試樣內(nèi)外室施加內(nèi)壓Pi和外壓PO，以此來控制大主應(yīng)力方向角(α)、中主應(yīng)力系數(shù)(b)、平均主應(yīng)力(p)和剪應(yīng)力(q)。空心圓柱試樣的受力狀況和加載形式如圖4所示。

圖3 空心圓柱扭剪儀圖

圖4 空心圓柱試樣單元體受力及加載方式示意圖

試驗(yàn)過程中參數(shù)的設(shè)定參照文獻(xiàn)[12]。公式(1)～公式(4)給出了定向剪切過程中各應(yīng)力參數(shù)與主應(yīng)力和應(yīng)力分量之間的關(guān)系：

(1)

(2)

(3)

(4)

不同主應(yīng)力方向角下的定向剪切應(yīng)力路徑的實(shí)現(xiàn)需要保持p、b、q不變，只改變?chǔ)?。公?5)～公式(8)給出了各應(yīng)力分量與p、b、q、α等參數(shù)之間的關(guān)系：

(5)

σr=p+2(2bq-q)/3

(6)

σθ=p-2(2bq-q)/3-qcos 2α

(7)

τΖθ=qsin 2α

(8)

以上公式中，σ1為大主應(yīng)力；σ2為中主應(yīng)力；σ3為小主應(yīng)力；σZ為軸向應(yīng)力；σθ為環(huán)向應(yīng)力；σr為徑向應(yīng)力；τZθ為扭剪應(yīng)力。

1.3 試驗(yàn)方案

在固結(jié)不排水條件下設(shè)定(0°、30°、45°、60°、75°、90°)六個(gè)大主應(yīng)力方向角進(jìn)行定向剪切試驗(yàn)，應(yīng)力路徑如圖5所示。當(dāng)試樣安裝完成后，首先通過ttadvancedLoading模塊對(duì)試樣進(jìn)行固結(jié)，直到試樣的軸向位移變形量每小時(shí)不大于0.01 mm時(shí)認(rèn)為固結(jié)完成[13]；其次選擇stress paths模塊對(duì)重塑鹽漬土進(jìn)行定向剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)中先通過施加2 kPa的剪應(yīng)力將角度調(diào)試到預(yù)設(shè)值，調(diào)試完成后保持定向剪切(p=100 kPa、b=0.5)；最后增加剪應(yīng)力使試樣破壞，整個(gè)過程保持剪應(yīng)力的增加速率為2 kPa/min。定向剪切方案見表1。

圖5 定向剪切應(yīng)力路徑

表1 定向剪切方案

2 結(jié)果與分析

2.1 八面體剪應(yīng)力—剪應(yīng)變關(guān)系

空心圓柱試樣在試驗(yàn)應(yīng)力路徑下會(huì)產(chǎn)生軸向εZ、徑向εr、環(huán)向εθ、剪應(yīng)變?chǔ)肸θ等應(yīng)變分量，同時(shí)在不同角度下剪切時(shí)試樣會(huì)受到軸力和扭矩的耦合作用，因此在重塑鹽漬土變形分析中引入八面體剪應(yīng)力qoct和八面體剪應(yīng)變?chǔ)胦ct[14]進(jìn)行描述。

(9)

(10)

圖6為不同大主應(yīng)力方向角下八面體剪應(yīng)力—剪應(yīng)變變化關(guān)系曲線。從圖6可以看出，剪切過程中重塑鹽漬土的八面體剪應(yīng)力—剪應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化特性。α=60°的初始剪切模量大于α=45°的剪切模量，但隨著剪應(yīng)力的增大，α=60°的強(qiáng)度逐漸降低，總體趨勢(shì)以α=60°為界限。當(dāng)α<60°時(shí)，隨著大主應(yīng)力方向角的增大，產(chǎn)生相同八面體剪應(yīng)變需要的剪應(yīng)力逐漸降低；當(dāng)α>60°時(shí)，八面體剪應(yīng)力隨著α的增大而增大，這與王烽[15]和陳偉等[7]研究的大主應(yīng)力方向角對(duì)砂土和黃土產(chǎn)生各向異性的結(jié)果一致。

圖6 八面體剪應(yīng)力—剪應(yīng)變關(guān)系曲線

不同大主應(yīng)力方向角剪切時(shí)對(duì)重塑鹽漬土的剪應(yīng)力—剪應(yīng)變關(guān)系可以分為兩個(gè)階段：(1)屈服前階段。在此階段，不同的大主應(yīng)力方向角下八面體剪應(yīng)力—剪應(yīng)變曲線具有幾乎相同的初始割線模量，剪應(yīng)力—剪應(yīng)變關(guān)系呈直線發(fā)展，整個(gè)屈服前的階段八面體剪應(yīng)變不到1%。這是因?yàn)樵诩虞d的初期，重塑鹽漬土試樣未洗完的部分難溶鹽和鹽結(jié)晶顆粒與土顆粒之間緊密接觸，黏聚力增大，土顆粒之間具有較大的膠結(jié)作用，土體剛度大，試樣未發(fā)生變形。(2)屈服階段。隨著八面體剪應(yīng)力的繼續(xù)增大，土顆粒與鹽顆粒無法承受剪力作用而被迫產(chǎn)生剪切位移，顆?；瑒?dòng)，試樣開始屈服，在八面體剪應(yīng)力增加很小的情況下產(chǎn)生較大的八面體剪應(yīng)變，當(dāng)八面體剪應(yīng)變達(dá)到4%以后，重塑鹽漬土試樣的強(qiáng)度下降明顯，說明重塑鹽漬土的結(jié)構(gòu)在扭剪作用下被破壞，隨后以塑性變形為主。

2.2 主應(yīng)變—偏應(yīng)力關(guān)系

重塑鹽漬土在不同大主應(yīng)力方向角下剪切時(shí)，偏應(yīng)力與大、中、小主應(yīng)變之間的變化關(guān)系曲線見圖7。

圖7 不同大主應(yīng)力方向角下偏應(yīng)力與主應(yīng)變關(guān)系曲線

從圖7可知，當(dāng)沿α≤75°剪切時(shí)，剪切初期3個(gè)主應(yīng)變隨偏應(yīng)力的變化較小，整個(gè)過程中主應(yīng)變基本不發(fā)生變化；當(dāng)試樣開始破壞時(shí)，主應(yīng)變隨偏應(yīng)力的變化較大，且大主應(yīng)變均向正向發(fā)展，小主應(yīng)變均向負(fù)向發(fā)展，中主應(yīng)變出現(xiàn)小的變化。當(dāng)α=0°時(shí)，偏應(yīng)力大于120 kPa，大主應(yīng)變和小主應(yīng)變開始增加，直至偏應(yīng)力達(dá)到235 kPa時(shí)試樣的主應(yīng)變迅速增大，試樣被破壞。當(dāng)α從30°到60°的增大過程中，大、小主應(yīng)變開始增加時(shí)需要的偏應(yīng)力先減小后增大，但是隨著剪切的繼續(xù)進(jìn)行，α=60°的試樣在主應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)被破壞，而α=45°的試樣隨著偏應(yīng)力的增大具有了很好的延性，抗剪強(qiáng)度大于α=60°的試樣。當(dāng)α從60°到75°的變化過程中，大、小主應(yīng)變開始增加時(shí)需要的偏應(yīng)力分別呈增加的趨勢(shì)(90、140 kPa)，且主應(yīng)變從開始增加到試樣屈服過程需要的偏應(yīng)力減小。當(dāng)α=90°時(shí)，隨著偏應(yīng)力的增大，大主應(yīng)變先負(fù)向發(fā)展，隨后在偏應(yīng)力達(dá)到105 kPa時(shí)朝著正向發(fā)展，由于大、小主應(yīng)變對(duì)稱發(fā)展，小主應(yīng)變呈現(xiàn)與大主應(yīng)變相反的變化規(guī)律。由此可見，不同大主應(yīng)力方向角下試樣出現(xiàn)破壞時(shí)所需的偏應(yīng)力不同，呈現(xiàn)出的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系也各有差異，體現(xiàn)出重塑鹽漬土在應(yīng)力—應(yīng)變上的各向異性。

2.3 剪應(yīng)力和各應(yīng)變分量關(guān)系

圖8為在不同大主應(yīng)力方向角定向剪切時(shí)，重塑鹽漬土軸向應(yīng)變?chǔ)臵、環(huán)向應(yīng)變?chǔ)纽取较驊?yīng)變?chǔ)臯和剪應(yīng)變?chǔ)肸θ與剪應(yīng)力q的關(guān)系曲線。從圖8可以看出，剪切初期各應(yīng)變分量幾乎不增大，隨著剪切的進(jìn)行，各應(yīng)變分量之間開始出現(xiàn)差異，且在大主應(yīng)力方向上的應(yīng)變呈現(xiàn)出各向異性。

圖8 不同主應(yīng)力方向角下重塑鹽漬土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線

由圖8a和圖8b可知，在不同大主應(yīng)力方向角定向剪切時(shí)，環(huán)向應(yīng)變?chǔ)纽群洼S向應(yīng)變?chǔ)臵呈對(duì)稱發(fā)展趨勢(shì)。這是因?yàn)樵诩羟羞^程中，當(dāng)α=0°時(shí)，只有軸向方向受到的軸力被壓縮，而環(huán)向方向沒有剪力，試樣只在軸力的作用下被破壞，所以軸向方向表現(xiàn)為負(fù)應(yīng)變，而環(huán)向方向表現(xiàn)為正應(yīng)變的膨脹狀態(tài)。當(dāng)0°<α<45°時(shí)，試樣所受的軸向應(yīng)力分量大于環(huán)向應(yīng)力分量，所以試樣主要表現(xiàn)為軸向的壓縮狀態(tài)，而環(huán)向方向?yàn)檎龖?yīng)變的膨脹狀態(tài)。當(dāng)α=45°時(shí)，試樣所受的軸向和環(huán)向應(yīng)力分量相等，處于純扭剪狀態(tài)，軸向方向被拉伸，表現(xiàn)為負(fù)應(yīng)變，環(huán)向方向被壓縮，表現(xiàn)為正應(yīng)變。當(dāng)45°<α<90°時(shí)，試樣所受的環(huán)向應(yīng)力分量大于軸向，環(huán)向方向被擠壓，表現(xiàn)為正應(yīng)變，導(dǎo)致軸向方向被拉伸，表現(xiàn)為負(fù)應(yīng)變。當(dāng)α=90°時(shí)，剪力沿環(huán)向方向，軸向方向不受力，使得試樣被側(cè)向擠壓，軸向被拉伸，軸向應(yīng)變?yōu)樨?fù)值，環(huán)向方向表現(xiàn)為壓縮的正應(yīng)變。這與扈萍等[16]對(duì)粉細(xì)砂在不同角度下定向剪切的結(jié)果一致，說明了中砂類硫酸鹽漬土具有與粉細(xì)砂相似的性質(zhì)。

由圖8c可知，隨著剪應(yīng)力的增大，不同主應(yīng)力方向角下的徑向應(yīng)變先向負(fù)向發(fā)展，在試樣破壞時(shí)又向正向發(fā)展。當(dāng)α=0°、α=30°、α=75°、α=90°時(shí)，徑向應(yīng)變小于0.5%。當(dāng)α=45°、α=60°時(shí)，試樣破壞時(shí)徑向應(yīng)變大于1.5%。由圖8d可知，當(dāng)α=0°、α=90°時(shí)，試樣產(chǎn)生的剪應(yīng)變幾乎為0，這是因?yàn)樵嚇釉?°和90°時(shí)均不受剪力的影響。當(dāng)α=30°、α=45°、α=60°、α=75°時(shí)，隨著剪應(yīng)力的增大，試樣的扭剪應(yīng)變也隨之增大，且大主應(yīng)力方向角從30°～75°變化過程中，試樣的強(qiáng)度隨著剪應(yīng)力的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。

2.4 歸一化強(qiáng)度

圖9為重塑鹽漬土在不同的大主應(yīng)力方向角下峰值八面體剪應(yīng)變歸一化強(qiáng)度變化曲線。從圖9可知，當(dāng)α=0°時(shí)，試樣的峰值八面體強(qiáng)度最大。當(dāng)0°<α<60°時(shí)，隨著大主應(yīng)力方向角的增大，試樣的剪切強(qiáng)度下降較大，且從30°到45°的范圍內(nèi)強(qiáng)度下降速率最大，并在α=60°時(shí)達(dá)到最小值，在60°≤α<90°的范圍內(nèi)，試樣剪切強(qiáng)度隨著大主應(yīng)力方向角α的增加而增大。整個(gè)強(qiáng)度曲線呈現(xiàn)出近似“勺”型的變化，這與沈揚(yáng)等[17]對(duì)原狀黏土的歸一化強(qiáng)度試驗(yàn)的強(qiáng)度取決于所受大主應(yīng)力作用方向的定向抗剪強(qiáng)度的結(jié)論相似。大主應(yīng)力方向角對(duì)重塑鹽漬土的抗剪強(qiáng)度的影響同樣明顯，且α從0°～90°變化過程中，重塑鹽漬土的強(qiáng)度變化趨勢(shì)更加顯著，說明大主應(yīng)力方向角對(duì)鹽漬土次生各向異性的影響較大。

圖9 不同大主應(yīng)力方向角下峰值八面體剪應(yīng)變歸一化強(qiáng)度

3 討論與結(jié)論

浸水預(yù)溶+強(qiáng)夯的方法對(duì)鹽漬土路基有著很好的效果[3～4]。目前針對(duì)復(fù)雜應(yīng)力路徑下重塑鹽漬土應(yīng)力—應(yīng)變及變形的研究較少，所以本研究基于鹽漬土路基處理方法，模擬浸水預(yù)溶+強(qiáng)夯法處理后的路基進(jìn)行了定向剪切作用下土體的變形特性和強(qiáng)度的研究，結(jié)果如下：

(1)大主應(yīng)力方向角的變化對(duì)重塑鹽漬土八面體剪應(yīng)力—八面體剪應(yīng)變具有較大的影響，隨著大主應(yīng)力方向角的增大，八面體剪應(yīng)力—剪應(yīng)變呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢(shì)，其中大主應(yīng)力方向角α=60°時(shí)重塑鹽漬土的強(qiáng)度最低，這與王烽[15]和陳偉等[7]的研究結(jié)果相似。八面體峰值歸一化強(qiáng)度也隨著主應(yīng)力方向角的增大表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢(shì)。

(2)當(dāng)沿α=0°、α=30°、α=45°、α=60°、α=75°剪切時(shí)，剪切初期3個(gè)主應(yīng)變變化較小，當(dāng)試樣開始破壞時(shí)，大主應(yīng)變均向正向發(fā)展，小主應(yīng)變均向負(fù)向發(fā)展，中主應(yīng)變出現(xiàn)小的變化。而α=90°時(shí)，大主應(yīng)變先負(fù)向發(fā)展而后正向發(fā)展，小主應(yīng)變正好相反。

(3)當(dāng)沿α=0°和α=90°剪切時(shí)，扭矩為0，扭剪應(yīng)變不發(fā)生變化，其余角度下，隨著剪力的增大，扭剪應(yīng)變也隨之增大。這與沈揚(yáng)等[18]的研究結(jié)果相符。