三軸應力狀態下原狀黃土的結構性研究

吳志剛 王西寧 吳俊峰

0 引言

土的結構性是指土中顆粒或土顆粒集合體以及它們之間的孔隙的大小、形狀、排列組合及連接等綜合特征,所以土的結構性不僅包括土的骨架和孔隙的幾何特征,還應包括顆粒之間的連接特征。結構性土具有一定的結構強度,它是土保持原始基本單元結構形式不被破壞的能力,由土的原始結構強度和土粒間固化連接鍵強度組成。關于土結構性研究的重要性,早由土力學的奠基人太沙基所指出。沈珠江將它作為“21世紀土力學的核心”,一語道出了土結構性在土力學學科發展中的獨特地位。土的結構性是一種復雜的客觀存在,那么研究土結構性最好的方法應該是使土的結構性破壞,讓它的結構勢表現出來。從而,既可以測得使結構性破壞的難易程度,反映土結構的可穩性,又可測得破壞后的變形程度,反映結構的可變性,從中尋求結構性演變的規律。

1 基于應力條件的結構性參數

土結構性的強弱可用土的連接和排列特征兩個方面來反映,用擾動、加荷和浸水的方式可以使土的結構勢充分釋放出來。在三軸應力狀態下,可通過同一應變下原狀土試樣、重塑土試樣(濕密狀態不變)和飽和土試樣的剪切強度來表示土的應變綜合結構性參數。因此,通過原狀黃土、重塑黃土和飽和黃土的三軸剪切試驗,我們就可以建立反映結構性的指標,依據它們的應力應變曲線,可以得到給定應變條件下不同結構狀態黃土各自的主應力差(σ1-σ3)y,(σ1-σ3)r和(σ1-σ3)s來反映擾動、浸水和加荷作用下土的結構性變化。其中,(σ1-σ3)y為原狀黃土剪切過程中的主應力差值;(σ1-σ3)r和(σ1-σ3)s分別為擾動重塑土樣和浸水飽和土樣的主應力差值。由原狀土與重塑土的主應力差比值及原狀土與飽和土的主應力差比值可以綜合反映土粒空間排列和粒間連接特征所反映的結構性。因此,可定義如下的結構性參數:

從式(1)可以得知:土的原始連接越強,擾動重塑后的強度損失越大,土的結構性參數越大;浸水作用下結構性破壞越大,飽和原狀樣的強度損失越大,土的結構性參數也越大。

2 試驗方法及土樣物性指標

試驗土樣為陜西楊凌Q3黃土,試驗設備為常規三軸剪切儀,采用不固結不排水試驗(UU)。剪切圍壓分別取100 k Pa,200 k Pa,400 kPa,以反映圍壓對結構性的影響。原狀土含水率分別為9.89%,13.05%,15.61%,18.77%,21.49%和24.66%,從而反映含水率對結構性和結構性參數的影響。采取原狀土的天然含水率為19.1%,干密度約為 1.54 g/cm3。含水率低于原狀土的采用天然原狀土風干的方法制備。含水率高于原狀土的采用天然原狀土滴定注水的方法制備,先對試樣加水,然后在保濕缸中放置24 h以上,讓水分自由均勻擴散。重塑樣在控制干密度和含水率的條件下,通過壓樣法制備。飽和樣采用抽氣飽和法制備。其基本物理性質指標見表1。

表1 土樣基本物理性質指標

3 試驗結果及分析

試驗按照SL 237-1999土工試驗規程進行,通過對6個含水率原狀土樣及相應(同含水率、同干密度)重塑土樣、飽和原狀土樣的三軸剪切試驗,得到不同含水率、不同圍壓下原狀土、重塑土和飽和土的應力應變曲線。圖1為含水量w=21.49%,圍壓σ3=200 k Pa時土樣的應力應變曲線。

由試驗結果,按照式(1)的計算公式,得到不同應變時原狀黃土的結構性參數 mσ,繪制出結構性參數 mσ與軸向應變ε1的關系曲線,圖2為圍壓200 kPa,不同含水量下的 mσ變化曲線。可見,結構性參數 mσ與ε1曲線均呈規律性變化。在應變 ε1＜2.0%之前,規律不太明顯,有點紊亂;在 ε1＞2.0%之后,對應相同軸向應變ε1時,結構性參數 mσ隨含水率的增大而減小,結構性參數 mσ與軸向應變ε1關系曲線隨含水率的增大而向下移動。但含水率對黃土結構性的影響程度與剪切過程中應變發展對黃土結構性的破壞程度密切相關。低應變時,應變發展對結構性的破壞較大,則含水率對結構性的影響很明顯;隨著應變的逐漸增大,結構性的破壞程度逐漸減弱,則含水率對結構性的影響逐漸減弱。這些說明低含水率下原狀黃土具有較強的結構性是導致其具有較高強度的內因。可見,這個結構性參數也可以反映含水率變化對土的結構性的影響,同樣顯示出良好的合理性和相當的靈敏性、穩定性。

4 結語

1)原狀黃土的特殊結構,宏觀地表現為具備結構性和結構強度。黃土的結構性是其一個重要的力學特性。2)建立反映土結構性的定量化指標的有效途徑是通過浸水、加荷、擾動等作用使土的結構勢充分釋放出來。3)結果表明,本文所定義的結構性參數能夠反映圍壓、含水量對剪切過程中原狀黃土結構性的影響,具有很好的合理性、靈敏性、穩定性。

[1] 謝定義,齊吉琳.土結構性及其定量化參數研究的新途徑[J].巖土工程學報,1999,21(6):651-656.

[2] 胡再強,沈珠江,謝定義.非飽和黃土的結構性研究[J].巖石力學與工程學報,2000,19(6):775-779.

[3] 陳存禮,高 鵬,唐 杰.三軸應力狀態下不同濕度原狀黃土的結構性定量化參數[J].巖石力學與工程學報,2006,25(11):2313-2319.

[4] 駱亞生,謝定義,邵生俊,等.非飽和黃土的結構變化特性[J].西北農林科技大學學報(自然科學版),2004,32(8):112-118.

[5] 吳楓彩.三軸應力狀態下非飽合黃土試驗研究[J].山西建筑,2009,35(23):109-111.