基于三軸試驗(yàn)的全風(fēng)化砂巖鄧肯-張模型參數(shù)研究

尹洪強(qiáng)，洪文彬，張樹(shù)仁

(1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130061； 2.中建六局水利水電建設(shè)集團(tuán)有限公司，天津 300000)

1 概述

某機(jī)場(chǎng)道路建設(shè)項(xiàng)目橫穿東、西側(cè)兩處沖溝，該處為填方區(qū)，最大回填深度約62 m，回填料多取自機(jī)場(chǎng)開(kāi)挖料，總填筑量約600萬(wàn)m3?；靥钐钪蠄?chǎng)下部存在全風(fēng)化砂巖層，需對(duì)其作為高填方回填料的工程特性進(jìn)行研究，查明全風(fēng)化砂巖土體在不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，獲取其抗剪強(qiáng)度參數(shù)[1]。鄧肯-張模型是一種在土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分析中廣泛使用的非線性彈性模型，模型參數(shù)意義明確，可以通過(guò)三軸固結(jié)排水試驗(yàn)獲取，因此，采用該模型對(duì)全風(fēng)化砂巖的工程特性進(jìn)行研究，研究成果可為工程設(shè)計(jì)、工程所在地區(qū)土體參數(shù)的獲取及數(shù)值分析計(jì)算提供參考依據(jù)[2-5]。

2 全風(fēng)化砂巖物理性質(zhì)及試驗(yàn)方法

全風(fēng)化砂巖取樣深度2.7 m～2.9 m，為擾動(dòng)土樣，對(duì)所取全風(fēng)化砂巖進(jìn)行室內(nèi)物理性質(zhì)試驗(yàn)，得到各指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 全風(fēng)化砂巖物理力學(xué)參數(shù)

按壓實(shí)系數(shù)0.96的干密度配置三軸固結(jié)排水全風(fēng)化砂巖試樣，即干密度為1.89 g/cm3，采用反壓法進(jìn)行試樣飽和，試驗(yàn)儀器采用全自動(dòng)三軸試驗(yàn)儀，自動(dòng)施加圍壓，同時(shí)測(cè)量體積變形及壓力變化。對(duì)試樣施加100 kPa,200 kPa和300 kPa的圍壓，取應(yīng)力應(yīng)變曲線峰值點(diǎn)作為試樣破壞標(biāo)準(zhǔn)以及試樣終止標(biāo)準(zhǔn)，如無(wú)峰值點(diǎn)，則以試樣軸向應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)的應(yīng)力為破壞應(yīng)力，此時(shí)試驗(yàn)停止，記錄不同圍壓下全風(fēng)化砂巖試樣的剪切破壞情況[6-11]。

3 鄧肯-張模型參數(shù)的確定

3.1 c值和φ值

不同圍壓下的破壞應(yīng)力值如表2所示。

表2 不同圍壓下的破壞應(yīng)力 kPa

根據(jù)表2繪制摩爾應(yīng)力圓，如圖1所示，擬合后得到全風(fēng)化砂巖三軸固結(jié)排水試驗(yàn)下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c值和φ值，即內(nèi)聚力為4.28 kPa，內(nèi)摩擦角為38.27°。

3.2 Rf值

鄧肯-張模型中土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可用式(1)表示：

(1)

(2)

由三軸固結(jié)排水試驗(yàn)結(jié)果得到σ1-σ3與εi關(guān)系曲線，如圖2所示。

由式(2)可知，b為圖3中各直線斜率，a為圖3中各直線截距，由此可求得各級(jí)圍壓下的初始切線模量Ei以及(σ1-σ3)u，如表3所示。

表3 不同圍壓下的Ei和(σ1-σ3)u

根據(jù)式(3)求得破壞比Rf，如表4所示。

(3)

表4 破壞比Rf

3.3 K值和n值

簡(jiǎn)布發(fā)現(xiàn)三軸試驗(yàn)的Ei與圍壓σ3相關(guān)，如式(4)所示。

(4)

由圖4可知，n為0.716，K為313.4。

3.4 Kb值和m值

1980年鄧肯等人提出E-B模型，引入體變模量B，如式(5)所示，由三軸試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算各級(jí)圍壓下的體變模量B，如表5所示。

(5)

表5 各級(jí)圍壓下體變模量

由試驗(yàn)可知，體變模量B與圍壓σ3有關(guān)，兩者在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中近似直線，如式(6)所示。

(6)

由圖5可知，m為0.405，Kb為248.1。

3.5 小結(jié)

綜上，鄧肯-張E-B模型參數(shù)如表6所示。

表6 鄧肯-張模型參數(shù)

4 結(jié)論

通過(guò)某機(jī)場(chǎng)道路全風(fēng)化砂巖三軸固結(jié)排水試驗(yàn)結(jié)果可知：

1)由試驗(yàn)結(jié)果得到該地區(qū)全風(fēng)化砂巖鄧肯-張模型的7個(gè)參數(shù)，為工程設(shè)計(jì)、理論計(jì)算及數(shù)值分析提供依據(jù)，為該地區(qū)工程設(shè)計(jì)及計(jì)算提供參考。

2)全風(fēng)化砂巖試樣均為鼓脹變形破壞，切線模量和體變模量隨著圍壓增大而增大。

3)鄧肯-張模型較好地反映了全風(fēng)化砂巖試樣的本構(gòu)關(guān)系，應(yīng)力應(yīng)變曲線存在峰值，呈現(xiàn)應(yīng)變軟化特性。