凍融循環(huán)對(duì)黃土剪切屈服與破壞行為的影響

鄭 方，邵生俊，王松鶴，劉乃飛，王永鑫

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710048；3.南昌工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330099)

在我國(guó)西北部的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和環(huán)境保護(hù)工程中，涉及到的許多巖土工程問(wèn)題都與黃土的工程特性密切相關(guān).而黃土廣泛分布的大部分地區(qū)又屬于干旱、半干旱的季節(jié)性凍土區(qū)，這些黃土工程在建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程中又會(huì)受到凍融循環(huán)的影響，凍融循環(huán)可能會(huì)引發(fā)黃土地質(zhì)災(zāi)害或巖土工程問(wèn)題，尤其是在春季解凍期間[1-6].因此，探索研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)黃土力學(xué)行為的影響是很有必要的.

關(guān)于凍融循環(huán)對(duì)黃土力學(xué)特性的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)不同的試驗(yàn)方式進(jìn)行了大量的研究，例如胡再?gòu)?qiáng)等[7]、張玲玲等[8]分別基于常規(guī)三軸試驗(yàn)研究了凍融循環(huán)作用對(duì)不同地區(qū)黃土的強(qiáng)度特性的影響.Xu等[9]通過(guò)常規(guī)三軸試驗(yàn)研究了凍融循環(huán)作用對(duì)含鹽黃土剪切強(qiáng)度的影響.宋春霞[10]、董曉宏等[11]、李麗等[12]都是利用直剪試驗(yàn)來(lái)研究干濕和凍融循環(huán)對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度特性的影響.周志軍等[13]等利用單軸固結(jié)、直剪試驗(yàn)研究了凍融循環(huán)對(duì)黃土路用性能的影響.倪萬(wàn)魁等[14]利用單軸壓縮和三軸剪切試驗(yàn)研究了凍融循環(huán)對(duì)原狀黃土和重塑黃土的抗剪強(qiáng)度的影響.許健等[15]等利用直剪試驗(yàn)研究了重塑黃土在凍融過(guò)程中黏聚強(qiáng)度的變化規(guī)律.但這些研究多是基于常規(guī)三軸試驗(yàn)、單軸試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)等常規(guī)試驗(yàn)進(jìn)行的，但事實(shí)上在實(shí)際工程中土體的受力更為復(fù)雜，常規(guī)試驗(yàn)所能反映的應(yīng)力路徑有限.

雖然也有少數(shù)學(xué)者開(kāi)始利用平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)[16]、真三軸試驗(yàn)進(jìn)行[17]凍融循環(huán)作用對(duì)黃土力學(xué)行為影響的試驗(yàn)研究，由在常規(guī)應(yīng)力路徑下凍融循環(huán)作用的研究逐步發(fā)展到多種復(fù)雜應(yīng)力路徑下的研究，但是目前對(duì)于在復(fù)雜應(yīng)力路徑下凍融循環(huán)對(duì)黃土力學(xué)行為的研究進(jìn)行得還較少，目前還處于一個(gè)探索階段，而且多是限于對(duì)其應(yīng)力應(yīng)變、強(qiáng)度特性的研究，而對(duì)于復(fù)雜應(yīng)力路徑下凍融循環(huán)對(duì)黃土剪切屈服和破壞特性的研究更少.一般根據(jù)屈服狀態(tài)和破壞狀態(tài)下的應(yīng)力、應(yīng)變發(fā)展水平不同，將巖土材料受荷后彈性變形和塑性變形的臨界狀態(tài)定義為屈服狀態(tài)，而應(yīng)力水平保持不變但變形持續(xù)發(fā)生塑性流動(dòng)的狀態(tài)定義為破壞狀態(tài)[18-20].對(duì)于土體屈服狀態(tài)的判別不同學(xué)者給出不同的判定方法，Jardine[21]以0.04%以內(nèi)的應(yīng)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn).Prashant等[22]以應(yīng)變能和應(yīng)力矢量長(zhǎng)度間關(guān)系曲線雙線性化后的交叉點(diǎn)為屈服點(diǎn).周小文等[23]以歸一化的剛度與軸向應(yīng)變雙對(duì)數(shù)后關(guān)系曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為屈服點(diǎn).張玉等[24]以小主應(yīng)變與軸向應(yīng)變間關(guān)系曲線切線的交點(diǎn)為屈服點(diǎn).王智[25]以應(yīng)力比與軸向應(yīng)變間關(guān)系曲線的切線交點(diǎn)為屈服點(diǎn).

因此，本文基于不同凍融循作用下黃土的真三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果，研究了在三維應(yīng)力作用下凍融循環(huán)對(duì)黃土初始剪切屈服特性和破壞特性的影響，對(duì)屈服應(yīng)變、屈服應(yīng)力、破壞應(yīng)力隨凍融循環(huán)和中主應(yīng)力的變化進(jìn)行分析，并對(duì)不同凍融循環(huán)作用下破壞準(zhǔn)則的適用性進(jìn)行探討，為凍融作用引發(fā)的黃土工程災(zāi)害提供理論基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)用土取自西安市東郊某地，取土深度為3～5 m，根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123—2019)測(cè)得試驗(yàn)用土的基本物理性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1.參考文獻(xiàn)[14]的真三軸試樣制備方法，制備含水率為18.6%，干密度為1.5 g/cm3，尺寸為7.0 cm×7.0 cm×14.0 cm的立方體重塑黃土試樣.

表1 試驗(yàn)用土的基本物理性質(zhì)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)儀器

本次試驗(yàn)采用的是一向剛性加載，兩向柔性加載的剛?cè)釓?fù)合型真三軸試驗(yàn)儀，如圖1所示.該儀器主要包括：(1)壓力室；(2)液壓囊；(3)軸向及側(cè)向應(yīng)力加載系統(tǒng)；(4)變形量測(cè)系統(tǒng)；(5)水-氣控制系統(tǒng)等幾個(gè)部分.該儀器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣進(jìn)行三向獨(dú)立加載，互不干擾，更加真實(shí)地模擬土體在實(shí)際工程中可能受到的非對(duì)稱受力情況.

圖1 真三軸試驗(yàn)儀

1.3 試驗(yàn)方案

將制備好的真三軸試樣密封在塑料袋內(nèi)，然后將試樣放置在恒溫箱內(nèi)，通過(guò)調(diào)節(jié)恒溫箱的溫度，使試樣經(jīng)歷凍融循環(huán)作用.先設(shè)置恒溫箱溫度為-20°(12 h)使試樣冷凍，然后設(shè)置溫度為20°(12 h)使試樣融化，此為一次凍融循環(huán).本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)凍融循環(huán)次數(shù)N分別為N=0，N=1，N=3，N=5，N=10.

對(duì)經(jīng)歷不同凍融循環(huán)后的試樣分別進(jìn)行固結(jié)排水真三軸剪切試驗(yàn)，加載應(yīng)力路徑采用等b等p剪切路徑，如圖2所示.設(shè)定中主應(yīng)力參數(shù)b=0，0.25，0.5，0.75，1，球應(yīng)力p=300 kPa.剪切時(shí)采用應(yīng)變控制方式，剪切速率為0.05 mm/min，剪切試驗(yàn)的終止條件為軸向應(yīng)變達(dá)到15%.

圖2 剪切路徑

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了以下敘述方便，對(duì)涉及到符號(hào)在此進(jìn)行說(shuō)明：

中主應(yīng)力參數(shù)，b

(1)

球應(yīng)力，p

(2)

廣義剪應(yīng)力，qs

(3)

廣義剪應(yīng)變，εs

(4)

應(yīng)力比，η

(5)

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

圖3給出廣義剪應(yīng)變?chǔ)舠與應(yīng)力比η的關(guān)系曲線，可以看出不同中主參數(shù)條件下，應(yīng)力比η呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，應(yīng)力比η先減小后又增大后趨于穩(wěn)定，未經(jīng)歷凍融循環(huán)的土樣的應(yīng)力比η始終最大.這一現(xiàn)象主要是由于凍融循環(huán)過(guò)程中土體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化.由于孔隙中水分的凍結(jié)，土孔隙變大，而不是所有的孔隙在冰融化后都能完全恢復(fù)到初始狀態(tài).因此，土體結(jié)構(gòu)趨向于變得相對(duì)松散，導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低，應(yīng)力比減小.經(jīng)過(guò)多次凍融循環(huán)，土體結(jié)構(gòu)達(dá)到一個(gè)新的平衡，對(duì)應(yīng)一個(gè)基本恒定的土體強(qiáng)度，應(yīng)力比也趨于穩(wěn)定.對(duì)比不同b下的廣義剪應(yīng)變?chǔ)舠與應(yīng)力比η的關(guān)系曲線，可以看出隨著b值從0變化到1，同一凍融循環(huán)下應(yīng)力比η逐漸減小，且隨著b值的增大，不同凍融循環(huán)間應(yīng)力比η的差值逐漸減小.

圖3 廣義剪應(yīng)變隨應(yīng)力比的變化

2.2 屈服特性

參考文獻(xiàn)[22-25]，隨著真三軸剪切過(guò)程的持續(xù)發(fā)展，廣義剪應(yīng)變?chǔ)舠與應(yīng)力比η的關(guān)系曲線有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，通過(guò)分別做出εs～η關(guān)系曲線首、尾兩部分的切線，兩條切線的交點(diǎn)可作為試樣的屈服點(diǎn)，如圖4所示，交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變和應(yīng)力比可作為屈服應(yīng)變(εy)和屈服應(yīng)力比(ηy).

圖4 屈服點(diǎn)的確定示意圖

根據(jù)圖4確定出，不同凍融循環(huán)作用下不同中主應(yīng)力參數(shù)下試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的屈服點(diǎn)，得到屈服點(diǎn)的屈服應(yīng)變(εy)和屈服應(yīng)力比(ηy).圖5給出屈服應(yīng)力比隨凍融循環(huán)作用的變化曲線，可以看出不同中主應(yīng)力參數(shù)的屈服應(yīng)力比隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律基本一致，呈現(xiàn)出先減小后增大而后又趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，且b=0時(shí)的屈服應(yīng)力比ηy與其他b值的屈服應(yīng)力比ηy差值較大.

圖5 屈服應(yīng)力比隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化

圖6給出屈服應(yīng)力比ηy隨中主應(yīng)力參數(shù)b的變化曲線，可以看出不同凍融循環(huán)作用下屈服應(yīng)力ηy比隨中主應(yīng)力參數(shù)b的變化規(guī)律基本一致，隨著b的增大都呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，且N=0時(shí)屈服應(yīng)力比ηy與其他凍融循環(huán)作用下的屈服應(yīng)力比ηy差值較大.圖7給出屈服應(yīng)變?chǔ)舮隨凍融循環(huán)作用的變化曲線，可以看出不同中主應(yīng)力參數(shù)b的屈服應(yīng)變?chǔ)舮隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律基本一致，大致呈現(xiàn)出先減小后增大后又減小而后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì).圖8給出屈服應(yīng)變?chǔ)舮隨中主應(yīng)力參數(shù)b的變化曲線，屈服應(yīng)變?chǔ)舮隨b沒(méi)有呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律，屈服應(yīng)變?chǔ)舮大致分布在0.3%到1.6%之間.

圖6 屈服應(yīng)力比隨b的變化

圖8 屈服應(yīng)變隨b的變化

2.3 屈服應(yīng)力與破壞應(yīng)力的對(duì)比

定義試樣破壞點(diǎn)為軸向應(yīng)變?chǔ)?達(dá)到15%所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力為破壞應(yīng)力qf，圖9、圖10分別給出屈服應(yīng)力qy、破壞應(yīng)力qf隨b的變化曲線，可以看出不同凍融循環(huán)次數(shù)下的屈服應(yīng)力qy、破壞應(yīng)力qf隨著b值的增大呈現(xiàn)出基本一致的變化規(guī)律，都是隨著b值的變化而逐漸減小的.圖11、圖12分別給出屈服應(yīng)力qy、破壞應(yīng)力qf隨凍融循環(huán)次數(shù)N的變化曲線，可以看出不同b值下的屈服應(yīng)力qy、破壞應(yīng)力qf隨著b值的增減呈現(xiàn)出基本一致的變化規(guī)律，都是隨著凍融循環(huán)次數(shù)N先減小后又增大而后又趨于穩(wěn)定.

圖9 屈服應(yīng)力隨b的變化

圖10 破壞應(yīng)力隨b的變化

圖11 屈服應(yīng)力隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化

圖12 破壞應(yīng)力隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化

圖13給出在π平面上不同凍融循環(huán)次數(shù)的屈服應(yīng)力點(diǎn)、破壞應(yīng)力點(diǎn)，可以看出屈服應(yīng)力均小于破壞應(yīng)力，不同凍融循化下的屈服應(yīng)力點(diǎn)的軌跡形狀相似，破壞應(yīng)力點(diǎn)的軌跡相似，屈服點(diǎn)應(yīng)力點(diǎn)的軌跡與破壞應(yīng)力點(diǎn)的軌跡不同.

圖13 π平面上的屈服應(yīng)力和破壞應(yīng)力的比較

2.4 破壞準(zhǔn)則的適用性分析

圖14給出π平面上試驗(yàn)測(cè)試所得的不同凍融循作用下的破壞點(diǎn)應(yīng)力及廣義Mises準(zhǔn)則、Lade準(zhǔn)則、M-C準(zhǔn)則(Mohr-Coulomb準(zhǔn)則)的預(yù)測(cè)破壞軌跡，可以看出凍融循環(huán)作用對(duì)π平面上試樣的破壞軌跡形狀的影響不明顯，不同凍融循環(huán)作用下試驗(yàn)結(jié)果測(cè)試所得的結(jié)果基本一致，破壞點(diǎn)的破壞應(yīng)力都與Lade準(zhǔn)則預(yù)測(cè)的破壞軌跡較接近，而廣義Mises準(zhǔn)則的預(yù)測(cè)結(jié)果偏大，M-C準(zhǔn)則的預(yù)測(cè)結(jié)果偏小，分析原因?yàn)閺V義Mises準(zhǔn)則中假定中主應(yīng)力σ2與小主應(yīng)力σ3的作用是相等的，而M-C準(zhǔn)則中未考慮中主應(yīng)力σ2的作用。

圖14 π平面上的破壞準(zhǔn)則分析

3 結(jié)論

本文基于不同凍融循環(huán)作用下不同中主應(yīng)力條件的黃土真三軸剪切試驗(yàn)，探討了在復(fù)雜應(yīng)力路徑下凍融循環(huán)作用對(duì)黃土剪切屈服與破壞行為的影響，得到的主要結(jié)論如下：

(1)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，應(yīng)力比先減小后增大后又趨于穩(wěn)定，隨著b值的增大，應(yīng)力比逐漸減小，且應(yīng)力比的差值逐漸減?。?/p>

(2)屈服應(yīng)力比、屈服應(yīng)力、破壞應(yīng)力都隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加先減小后又增大后又趨于穩(wěn)定，隨著b值的增加逐漸減小；

(3)屈服應(yīng)力均小于破壞應(yīng)力，π平面上屈服應(yīng)力點(diǎn)的軌跡與破壞應(yīng)力點(diǎn)的軌跡不同，但不同凍融循環(huán)作用下的屈服應(yīng)力點(diǎn)軌跡、破壞應(yīng)力點(diǎn)軌跡基本相似；

(4)不同凍融循環(huán)下破壞點(diǎn)應(yīng)力與廣義Mises準(zhǔn)則、Lade準(zhǔn)則、M-C準(zhǔn)則的預(yù)測(cè)破壞軌跡相比較，Lade準(zhǔn)則與破壞應(yīng)力點(diǎn)的軌跡較為一致，且破壞軌跡的形狀受凍融循環(huán)作用的影響不大.