壓-剪作用下黃土結(jié)構(gòu)性演化規(guī)律

李瑤璞,謝云偉,楊榮國(guó),趙 潔,王 卓,吳光超

(中建三局集團(tuán)有限公司西北分公司,陜西西安 710065)

0 引言

黃土主要分布于我國(guó)西部,是第四紀(jì)歷史沉積產(chǎn)物,由于其形成過程中堆積、氣候、地理等原因,黃土具有不同于其他土的力學(xué)、工程性質(zhì)[1-2]。原狀黃土在沉積過程中形成的大孔隙骨架結(jié)構(gòu),使黃土具有結(jié)構(gòu)性,黃土的結(jié)構(gòu)性主要是土顆粒的空間排列和粒間聯(lián)合作用的力學(xué)效應(yīng),結(jié)構(gòu)性黃土具有一定的抗剪、抗壓強(qiáng)度,它是土保持原有結(jié)構(gòu)狀態(tài)而不被破壞的一種能力。黃土結(jié)構(gòu)性是天然沉積的原狀黃土所具有的一種基本特性,結(jié)構(gòu)性實(shí)際上是土形成的物理特性的表征,其與土形成的歷史條件、分布區(qū)域、自然條件密切相關(guān),受到土顆粒的級(jí)配、成分、形狀、粗糙程度的影響,受到孔隙的發(fā)育狀態(tài)、大小、走向的影響,受到土骨架的穩(wěn)定性的影響,還受到土的含水率、密度、應(yīng)力歷史以及土中化學(xué)成分的影響。

隨著在黃土地區(qū)公路、地鐵、高鐵等基礎(chǔ)設(shè)施的大力發(fā)展,黃土其所帶來的工程問題也越來越多,黃土的力學(xué)特性變化引起公路、鐵路路基失穩(wěn),建筑物地基不均勻沉降而導(dǎo)致的開裂,黃土邊坡滑坡,隧道施工圍巖穩(wěn)定性問題,隧道地基不均勻沉降變形[3],由此可見,充分分析和了解欠壓密黃土所表現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)性具有十分重要的意義。

在土力學(xué)的研究過程中太沙基曾經(jīng)指出土結(jié)構(gòu)的重要性,沈珠江[4]將土體的結(jié)構(gòu)性問題作為21世紀(jì)土力學(xué)的核心問題,研究學(xué)者將土體結(jié)構(gòu)性研究逐步提升到重點(diǎn)研究對(duì)象,土的結(jié)構(gòu)性是指土顆粒大小、形狀、成分等之間的比例關(guān)系,和顆粒間的排列和膠結(jié)狀態(tài),以及土骨架的穩(wěn)定性情況,土孔隙的大小、走向、分布數(shù)量。在力學(xué)上表現(xiàn)為抵抗外部變化而保持自身穩(wěn)定性的一種能力。

目前研究黃土結(jié)構(gòu)性主要通過3個(gè)途徑其一是從上世紀(jì)發(fā)展下來的微觀結(jié)構(gòu)的方法主要通過電子顯微鏡等工具揭示黃土本身的物理力學(xué)特性與結(jié)構(gòu)性之間的關(guān)系;其二是固體力學(xué)的研究方法,通過建立土在受力破壞發(fā)展過程中的力學(xué)模型來描述結(jié)構(gòu)性的發(fā)展;其三則是土力學(xué)的方法,通過土的結(jié)構(gòu)性定量化參數(shù)來研究結(jié)構(gòu)性土在破壞過程中土結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)損傷的變化過程。

從20世紀(jì)中期開始研究學(xué)者開始通過微觀途徑對(duì)土的結(jié)構(gòu)性進(jìn)行進(jìn)一步的探索,張宗祜[5]在通過電子顯微鏡從微觀角度出發(fā)認(rèn)識(shí)到黃土的顆粒組成、顆粒形態(tài)、孔隙特征、膠結(jié)特征等基本的物理特性對(duì)黃土工程問題有著直接影響;高國(guó)瑞[6]通過顆粒大小、孔隙、膠結(jié)物質(zhì)進(jìn)一步定義黃土微觀結(jié)構(gòu)的類型從而反映黃土的濕陷性,并且應(yīng)用于工程勘察中[7],發(fā)現(xiàn)黃土濕陷性的本質(zhì)是黃土獨(dú)特的架空結(jié)構(gòu)體系[8]。雷祥義[9]發(fā)現(xiàn)土孔隙的總體積以及大小和形狀對(duì)黃土的濕陷性有密切關(guān)系,而濕陷性的主導(dǎo)因素是孔隙中的中等孔隙。楊運(yùn)來[10]通過偏光顯微鏡對(duì)黃土濕陷前后孔隙、物質(zhì)成分、顆粒間的膠結(jié)類型進(jìn)行對(duì)比,揭示出黃土顆粒間的松散結(jié)構(gòu)是黃土濕陷的誘發(fā)機(jī)理。胡再?gòu)?qiáng)等[11]通過電鏡掃描對(duì)比研究黃土在浸水前后微結(jié)構(gòu)變化得出黃土的結(jié)構(gòu)與黃土濕陷性有著密不可分的聯(lián)系。

微觀結(jié)構(gòu)的方法主要是通過土本身的幾何物理特征來描述土的結(jié)構(gòu)性,而固體力學(xué)方法則是通過建立數(shù)學(xué)力學(xué)模型來描述土結(jié)構(gòu)性在受力破壞的損傷過程。沈珠江等[12]在巖土損傷力學(xué)的理論基礎(chǔ)上,提出巖土破損力學(xué)理論,對(duì)其基本概念、目標(biāo)和任務(wù)作出解釋,并總結(jié)出巖土材料的力學(xué)特性即壓硬性、剪脹性和結(jié)構(gòu)性,巖土材料的變形機(jī)理,分析現(xiàn)有理論的局限性,在該基礎(chǔ)上建立彈塑性損傷模型、非線性損傷力學(xué)模型、堆砌體模型[13-16]等數(shù)學(xué)力學(xué)模型。而后發(fā)展得到二元介質(zhì)模型,將結(jié)構(gòu)性土視為一種由膠結(jié)塊與軟弱帶組成的二元介質(zhì),模擬土的結(jié)構(gòu)變形特性[17-18]。

土力學(xué)的分析方法具有代表性的則是綜合結(jié)構(gòu)勢(shì)思想。謝定義等[19]認(rèn)為土的結(jié)構(gòu)性可由土的聯(lián)結(jié)特征即結(jié)構(gòu)的可穩(wěn)性與土的排列特性及結(jié)構(gòu)的可變性綜合表述,而土的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化或者破壞可以通過加荷、擾動(dòng)和浸水,加荷能使土骨架受荷,較為薄弱的地方首先發(fā)生破壞,土顆粒進(jìn)行重新排列,其首先使土的可穩(wěn)性得到發(fā)揮,并且形成新的次生結(jié)構(gòu),即改變了土顆粒的聯(lián)結(jié)特征又改變了土顆粒的排列方式;擾動(dòng)則是破壞原狀土的聯(lián)結(jié)特征,使之重新形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)充分釋放出由聯(lián)結(jié)特征而表現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)勢(shì);浸水則可使土中的膠結(jié)物質(zhì)溶解、吸力喪失。綜合結(jié)構(gòu)勢(shì)思想的核心是尋求一個(gè)定量化指標(biāo)來描述土在受外界條件下結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的過程。定量化結(jié)構(gòu)性參數(shù)應(yīng)具有合理性、穩(wěn)定性、靈敏性和廣泛性?；诰C合結(jié)構(gòu)勢(shì)思想結(jié)構(gòu)性參數(shù)也在不斷發(fā)展與完善,通過原狀、重塑、飽和的壓縮試驗(yàn),通過球應(yīng)力作用下重塑土與原狀土應(yīng)變之比來描述可穩(wěn)性,同一球應(yīng)力作用下飽和土與原狀土應(yīng)變之比來描述可變性,可變性與可穩(wěn)性的比值即為結(jié)構(gòu)性參數(shù),而后參照這一思路不同的學(xué)者又提出了孔隙比結(jié)構(gòu)性參數(shù)[20]、模量結(jié)構(gòu)性參數(shù)[21]、應(yīng)力結(jié)構(gòu)性參數(shù)[22]、應(yīng)力比結(jié)構(gòu)性參數(shù)[23],這一類結(jié)構(gòu)性可稱之為過程結(jié)構(gòu)性參數(shù),即可描述土結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)的變化過程,而無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的構(gòu)度指標(biāo)[24]、靈敏度指標(biāo)則是初始結(jié)構(gòu)性參數(shù),不能動(dòng)態(tài)反映土結(jié)構(gòu)在外部條件下的動(dòng)態(tài)變化,只能描述土初始固有的狀態(tài)。

本文基于應(yīng)力比結(jié)構(gòu)性參數(shù)的基礎(chǔ)上研究不同應(yīng)力路徑應(yīng)力比結(jié)構(gòu)性參數(shù)與綜合應(yīng)變之間的關(guān)系,綜合應(yīng)變能較為全面的反映壓剪對(duì)黃土結(jié)構(gòu)性的綜合影響。

1 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)所采用的真三軸儀器是由西安理工大學(xué)邵生俊[25]教授所研制的一種新型的剛?cè)峄旌闲图虞d的真三軸儀器,可用于研究黃土在復(fù)雜應(yīng)力路徑條件下的力學(xué)試驗(yàn)研究。

1.1 土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)與制備

試驗(yàn)用土選用中建三局涇河醫(yī)院施工現(xiàn)場(chǎng),取土深度5～10 m,屬于Q3黃土。經(jīng)室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)(含水率試驗(yàn)、密度試驗(yàn)、液塑限試驗(yàn))測(cè)定,其基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 黃土土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 真三軸試驗(yàn)方案

試驗(yàn)共取4個(gè)圍壓分別為50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa和5個(gè)應(yīng)力路徑即5個(gè)b值分別為0、0.25、0.5、0.75、1,試驗(yàn)要作原狀土、飽和土和重塑土3種,共需要60個(gè)試樣。

原狀土用削樣器削為7 cm×7 cm×14 cm的長(zhǎng)方體;重塑土過2 mm篩,配制成與原狀土相同的含水率與干密度;飽和土是將削好的原狀土樣放入飽和器,按照規(guī)范進(jìn)行抽氣飽和。

1.3 相關(guān)參數(shù)的確定

根據(jù)土的本構(gòu)模型理論,用p表示球應(yīng)力,q表示廣義剪應(yīng)力,其具體表達(dá)式為式(1)、式(2)。

(1)

(2)

式中:體應(yīng)變用εv表示,其表達(dá)式為εv=ε1+ε2+ε3,廣義剪應(yīng)變用εs表示,其表達(dá)式為式(3):

(3)

應(yīng)力比結(jié)構(gòu)性參數(shù)用m表示,其具體表達(dá)式為式(4)。

(4)

式中:m1代表結(jié)構(gòu)可穩(wěn)性,m2代表結(jié)構(gòu)可變性。(q/p)i為原狀土在剪切過程中的應(yīng)力比,(q/p)r為重塑土在剪切過程中的應(yīng)力比,(q/p)s為飽和土在剪切過程中的應(yīng)力比,下標(biāo)i、r、s分別代表原狀土、重塑土、飽和土。

為了反映壓剪對(duì)土結(jié)構(gòu)性及變形的綜合影響,采用體應(yīng)變與剪應(yīng)變確定綜合應(yīng)變,綜合應(yīng)變用εD表示,其具體表達(dá)式為式(5)。

(5)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 應(yīng)力應(yīng)變以及軸向應(yīng)變與體變關(guān)系

由于篇幅問題在此僅列選b=0與b=0.5以及圍壓100 kPa與200 kPa的試驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 同一b值不同圍壓原狀黃土應(yīng)力應(yīng)變及體變關(guān)系

圖2 同一圍壓不同b值原狀黃土應(yīng)力應(yīng)變及體變關(guān)系

由圖1、圖2可以分析得出:

(1)對(duì)比原狀黃土在同一b值條件下不同圍壓時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線可知:試驗(yàn)剪應(yīng)力隨著圍壓的增大而增大,表明在同一種應(yīng)力路徑發(fā)展中土的抗剪強(qiáng)度隨著初始圍壓的增大而增強(qiáng),初始圍壓的增大,在固結(jié)過程中土顆粒始終保持一種純壓狀態(tài)從而使土顆粒排列更加密實(shí),排出土中的空氣和水,而圍壓增大則使土顆粒的密實(shí)程度增大。因此在壓剪過程中同一b值圍壓越大的土其更加密實(shí),抵抗土在剪應(yīng)力狀態(tài)下的變形能力越強(qiáng),在相同的剪應(yīng)變條件才,初始圍壓越大,土的剪應(yīng)力越大,隨著圍壓的增大應(yīng)力應(yīng)變的的關(guān)系曲線由弱硬化型向強(qiáng)硬化型轉(zhuǎn)化。

(2)原狀土的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變曲線,可以分為2部分,第一部分剪應(yīng)力在試驗(yàn)初迅速增長(zhǎng),圍壓較小時(shí)有明顯的拐點(diǎn);第二部分,隨著廣義剪應(yīng)變的進(jìn)一步發(fā)展,剪應(yīng)力增長(zhǎng)速度明顯下降,曲線趨于平緩。這是因?yàn)辄S土的初始結(jié)構(gòu)可以概括為內(nèi)部土顆粒的聯(lián)結(jié)和排列,而聯(lián)結(jié)特征又稱之為可穩(wěn)性,排列特征稱之為可變性,在試驗(yàn)初期,土體的自身結(jié)構(gòu)還沒有發(fā)生破壞,可以抵抗外部荷載對(duì)其作用的剪應(yīng)力,這段變形區(qū)間主要是土顆粒的聯(lián)結(jié)在抵抗剪應(yīng)力,隨著剪應(yīng)力的增大,土顆粒原有的結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,可穩(wěn)性在逐漸喪失,此時(shí)可變性發(fā)揮,在原生結(jié)構(gòu)破壞的同時(shí)次生結(jié)構(gòu)逐漸形成,在此過程中土體處于壓損狀態(tài)。每一條曲線總體的發(fā)展過程為原生結(jié)構(gòu)由初期的調(diào)整至破壞,可穩(wěn)性起主要作用,到中后期土次生結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展,可變性起主要作用,所以土體的發(fā)展趨勢(shì)是可穩(wěn)性與可變性共同作用的一個(gè)耦合發(fā)展過程。而圍壓較大時(shí)曲線的兩段性不太明顯,這是由于在大圍壓作用下固結(jié)過程中壓密孔隙體積的同時(shí)黃土自身的結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生破壞,因此導(dǎo)致在壓剪初始階段已經(jīng)伴隨著次生結(jié)構(gòu)的形成,曲線的兩段性并不十分明顯。

(3)對(duì)比原狀土不同圍壓條件下軸向應(yīng)變與體應(yīng)變的變化曲線可知:在b=0時(shí),體變隨著圍壓的增大,并且呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,這是由于在壓剪過程中,試樣所受的圍壓越大其初始球應(yīng)力越大,在剪切時(shí)軸向力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于二、三方向的力,則軸線呈現(xiàn)較大壓縮,而側(cè)向臌脹,總體而言土體時(shí)呈現(xiàn)剪縮的,大的圍壓提供了大的球應(yīng)力,則土體剪縮更強(qiáng)。隨著b值的增大,軸向應(yīng)變與體變關(guān)系曲線在試驗(yàn)開始時(shí)小圍壓的體變反而大于大圍壓的體變,這一變化趨勢(shì)隨著b值的增大更加明顯,當(dāng)軸向應(yīng)變發(fā)展一定程度,大圍壓的體變逐漸大于小圍壓的體變,這是由于隨著b值的增大在軸向應(yīng)變發(fā)展的同時(shí)水平二方向的應(yīng)力也在逐漸增大,b值越大,σ2其增長(zhǎng)越大,剪切開始階段,由于小圍壓水平方向壓縮較大,而導(dǎo)致初始時(shí)小圍壓變形大,大圍壓時(shí)由于在固結(jié)階段土體已經(jīng)處于較強(qiáng)的壓密狀態(tài),所以在剪切初始階段體變較小,而軸向應(yīng)變發(fā)展到一定程度,在大圍壓基礎(chǔ)上產(chǎn)生大的球應(yīng)力使其體變大于小圍壓的體變。這種變化也與土體初始含水率有一定的關(guān)系,較大的含水率時(shí)土體的膠結(jié)更弱,使之更加容易變形。

2.2 原狀、重塑、飽和土的應(yīng)力比與綜合應(yīng)變的關(guān)系

應(yīng)力比同時(shí)考慮了球應(yīng)力與剪應(yīng)力在剪切過程中的變化,而綜合應(yīng)變同時(shí)描述了體變與剪應(yīng)變的變化規(guī)律,則應(yīng)力比-綜合應(yīng)變的關(guān)系曲線動(dòng)態(tài)的反映了黃土剪切過程的強(qiáng)度的變化規(guī)律。由于篇幅此處僅列固結(jié)圍壓為100 kPa、b=0.5時(shí)原狀、重塑、飽和黃土的應(yīng)力比-綜合應(yīng)變關(guān)系曲線如圖3、圖4所示。

圖3 同一圍壓不同b值應(yīng)力比-綜合應(yīng)變關(guān)系

圖4 同一b值不同圍壓應(yīng)力比-綜合應(yīng)變關(guān)系

2.2.1 同一圍壓不同b值應(yīng)力比-綜合應(yīng)變關(guān)系

由圖3應(yīng)力比-綜合應(yīng)變關(guān)系曲線可知:

(1)在剪切初期階段應(yīng)力比隨著綜合應(yīng)變的發(fā)展增長(zhǎng)迅速,而后進(jìn)入一個(gè)緩慢的增長(zhǎng)趨勢(shì),這一規(guī)律在小圍壓時(shí)情況十分明顯,隨著b值的增大規(guī)律性較弱。這是由于在剪切初期土體自身結(jié)構(gòu)具有一定抵抗外部荷載的能力,導(dǎo)致剪應(yīng)力增長(zhǎng)迅速,從而使在剪切初始階段應(yīng)力比增長(zhǎng)迅速,而當(dāng)土體自身結(jié)構(gòu)破壞,形成新的結(jié)構(gòu),可穩(wěn)性喪失主導(dǎo)地位,主要為可變性的發(fā)揮,此時(shí)土體結(jié)構(gòu)已經(jīng)屈服,剪應(yīng)力增長(zhǎng)緩慢,從而使應(yīng)力比隨著綜合應(yīng)變的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)平緩的發(fā)展期。b值越大,在剪切過程中更加容易使土體破壞,因而在剪切初期隨著綜合應(yīng)變的發(fā)展應(yīng)力比的增長(zhǎng)速率相對(duì)于剪切中后期增長(zhǎng)速率沒有小b值那么明顯,但前期增長(zhǎng)速率也大于中后期增長(zhǎng)速率。

(2)同一圍壓b值越大在剪切過程中達(dá)到同一軸向應(yīng)變其綜合應(yīng)變發(fā)展越大,小b值曲線總是位于大b值上方。在同一圍壓條件下不同的應(yīng)力路徑,使土體的破壞容易程度不一樣,小b值(b=0)在剪切過程中土體處于三軸壓縮狀態(tài),大b值(b=1)在剪切過程中土體處于三軸擠神狀態(tài),在應(yīng)力路徑由三軸壓縮向三軸擠伸的變化過程中,土體強(qiáng)度也有高向低變化,這使在小b值條件下土體更不容易破壞,而在大b值條件下土體更加容易破壞,從而說明在同一圍壓條件下b值的增大使土體更加容易破壞。

2.2.2 同一b值不同圍壓應(yīng)力比-綜合應(yīng)變關(guān)系

由圖4應(yīng)力比-綜合應(yīng)變關(guān)系可知:

(1)在剪切初期應(yīng)力比隨綜合應(yīng)變發(fā)展迅速,而后增長(zhǎng)速率進(jìn)入一個(gè)平穩(wěn)期,其原因在此不再贅述。圍壓越小這一規(guī)律越加明顯,圍壓越大規(guī)律性弱,這是因?yàn)?大的圍壓在固結(jié)過程中已經(jīng)使土體自身結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的破壞,因此在剪切初始階段其結(jié)構(gòu)繼續(xù)破壞,抵抗外部剪應(yīng)力能力弱,從而使大圍壓在剪切初期應(yīng)力比隨綜合應(yīng)變的發(fā)展增長(zhǎng)相對(duì)于小圍壓較弱。

(2)小圍壓的應(yīng)力比-綜合應(yīng)變曲線始終位于大圍壓的上方,這是由于在大圍壓作用下,土體結(jié)構(gòu)更加容易破壞,其強(qiáng)度最低,在圍壓由小增大的過程中,土體的強(qiáng)度由強(qiáng)變?nèi)酢?/p>

2.3 真三軸條件下黃土載損演化規(guī)律

基與綜合結(jié)構(gòu)勢(shì)理論,引入結(jié)構(gòu)性參數(shù)可將黃土在載損下的演化規(guī)律量化,如圖5、圖6所示。

圖5 同一b值不同圍壓條件下應(yīng)力比結(jié)構(gòu)性參數(shù)與綜合應(yīng)變關(guān)系

圖6 同一圍壓不同b值條件下應(yīng)力比結(jié)構(gòu)性參數(shù)與綜合應(yīng)變關(guān)系

2.3.1 同一b值不同圍壓條件下應(yīng)力比結(jié)構(gòu)特性參數(shù)與綜合應(yīng)變關(guān)系

由圖5結(jié)構(gòu)性參數(shù)與綜合應(yīng)變的關(guān)系曲線可知:

(1)總體而言在同一b值條件下隨著圍壓的增大結(jié)構(gòu)性參數(shù)在減小,試驗(yàn)規(guī)律性較為明顯。這是由于在同一應(yīng)力路徑中,圍壓增大使土體在綜合應(yīng)變的發(fā)展過程中強(qiáng)度更低,更加容易破壞,而應(yīng)力比結(jié)構(gòu)性參數(shù)就描述了土體的強(qiáng)度與破壞的難易程度,所以圍壓越大應(yīng)力結(jié)構(gòu)性參數(shù)應(yīng)該越小。

(2)隨著綜合應(yīng)變的發(fā)展,結(jié)構(gòu)性參數(shù)逐漸衰減,這是由于在綜合應(yīng)變的發(fā)展過程中,土體的強(qiáng)度在不斷的降低,土體自身結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了一個(gè)抵抗外部荷載作用,逐漸破壞,完全破壞,趨于穩(wěn)定的一個(gè)變化過程,最終形成新的穩(wěn)定的次生結(jié)構(gòu),并且其結(jié)構(gòu)性參數(shù)最終趨于1。

2.3.2 同一圍壓不同b值條件下應(yīng)力比結(jié)構(gòu)性參數(shù)與綜合應(yīng)變關(guān)系

由圖6應(yīng)力比結(jié)構(gòu)性參數(shù)與綜合應(yīng)變的關(guān)系曲線可知:

(1)總體而言,隨著b值增大,結(jié)構(gòu)性參數(shù)減小,在同一圍壓條件下,b值的改變使土體剪切的應(yīng)力路徑發(fā)生改變,b值增大使土體由三軸壓縮向三軸擠伸狀態(tài)轉(zhuǎn)化,土體強(qiáng)度由強(qiáng)向弱轉(zhuǎn)化,因此小b值結(jié)構(gòu)性參數(shù)應(yīng)大。

(2)隨著綜合應(yīng)變的發(fā)展,不同應(yīng)力路徑的結(jié)構(gòu)性參數(shù)均呈現(xiàn)衰減趨勢(shì),并且有明顯的歸一化趨勢(shì)。

2.4 真三軸應(yīng)力條件下黃土的剪切強(qiáng)度特性

2.4.1 子午平面內(nèi)的強(qiáng)度破壞線

由于此次試驗(yàn)等b不等p,為了得到p=100 kPa、p=200 kPa、p=300 kPa破壞時(shí)的強(qiáng)度破壞線,可先將此次試驗(yàn)破壞時(shí)的廣義剪應(yīng)力與球應(yīng)力繪制在p-q平面內(nèi),可得到近似地一條直線,然后取p=100 kPa、p=200 kPa、p=300 kPa得到破壞時(shí)的剪應(yīng)力,可得出原狀、重塑、飽和黃土的強(qiáng)度破壞線如圖7、圖8所示。

圖7 原狀、重塑、飽和黃土在p-q面上的破壞線

圖8 不同中主應(yīng)力比b下黃土在p-q面上的破壞線

由圖7的強(qiáng)度破壞線可知:原狀、重塑、飽和黃土的強(qiáng)度破壞線基本呈線性關(guān)系,隨著球應(yīng)力的增大土的抗剪強(qiáng)度也在增大,球應(yīng)力的增大一定程度上可使土樣壓密,從而提高抗剪強(qiáng)度;在同一球應(yīng)力作用時(shí)原狀黃土的強(qiáng)度大于重塑土的強(qiáng)度大于飽和土的強(qiáng)度,表明擾動(dòng)與浸水可降低土的強(qiáng)度。

由圖8的強(qiáng)度破壞線可知:曲線基本呈線性關(guān)系,并且隨著球應(yīng)力的增大土的抗剪強(qiáng)度也在增大;在同一球應(yīng)力作用時(shí)b值越大其破壞時(shí)剪應(yīng)力越小,土樣的抗剪強(qiáng)度在應(yīng)力路徑由三軸壓縮(b=0)向三軸擠伸(b=1)的變化過程中,其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度減弱,抗剪強(qiáng)度降低。

2.4.2π平面內(nèi)的強(qiáng)度破壞面

根據(jù)破壞時(shí)應(yīng)力狀態(tài)得到相同球應(yīng)力下原狀、重塑、飽和黃土在π平面內(nèi)的強(qiáng)度破壞面以及原狀、重塑、飽和黃土在不同球應(yīng)力時(shí)π平面內(nèi)的強(qiáng)度破壞面,此處列舉p=200 kPa以及原狀黃土?xí)r不同狀態(tài)的強(qiáng)度破壞曲線。如圖9所示。

圖9 不同狀態(tài)下黃土的強(qiáng)度破壞面

由圖9π平面內(nèi)的強(qiáng)度破壞面可知:在同一p值條件下原狀土的強(qiáng)度破壞面大于重塑土大于飽和土,可見擾動(dòng)與浸水破壞了原狀土的結(jié)構(gòu),使之強(qiáng)度減小,并且浸水可使土樣的強(qiáng)度減小更大隨著球應(yīng)力的增大土的強(qiáng)度破壞面逐漸向外擴(kuò)展,說明球應(yīng)力的增大一定程度上可提高土的強(qiáng)度,對(duì)于不同狀態(tài)的原狀、重塑、飽和黃土其性質(zhì)相同。

3 結(jié)論

(1)通過原狀、重塑、飽和的壓剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):考慮球應(yīng)力作用損傷和剪應(yīng)力作用損傷,引入了綜合應(yīng)變,b值(中主應(yīng)力參數(shù))較大時(shí),結(jié)構(gòu)損傷直至破壞速度較快,b值較小時(shí)結(jié)構(gòu)損傷直至破壞速度較慢,由于b值較大時(shí)中主應(yīng)力增長(zhǎng)較快,壓損突出,結(jié)構(gòu)破壞迅速。隨著綜合應(yīng)變的發(fā)展,不同應(yīng)力路徑的結(jié)構(gòu)性參數(shù)均呈現(xiàn)衰減趨勢(shì),并且有明顯的歸一化趨勢(shì)。

(2)原狀、重塑、飽和黃土的強(qiáng)度破壞線呈線性關(guān)系,隨著球應(yīng)力的增大土的抗剪強(qiáng)度也在增大;在同一球應(yīng)力作用時(shí)原狀黃土的強(qiáng)度大于重塑土的強(qiáng)度大于飽和土的強(qiáng)度,表明擾動(dòng)與浸水可降低土的強(qiáng)度;在同一球應(yīng)力作用時(shí)b值越大其破壞時(shí)剪應(yīng)力越小,土樣的抗剪強(qiáng)度在應(yīng)力路徑由三軸壓縮(b=0)向三軸擠伸(b=1)的變化過程中,其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度減弱,抗剪強(qiáng)度降低。

(3)在同一p值條件下原狀土的強(qiáng)度破壞面大于重塑土大于飽和土;隨著球應(yīng)力的增大土的強(qiáng)度破壞面逐漸向外擴(kuò)展。