壓實黏性土剪切破壞參數探討

劉 軍，劉俊新，趙海松，龍志偉

(西南科技大學土木工程與建筑學院，四川綿陽 621010)

通過三軸壓縮試驗，獲取壓實黏性土的應力—應變曲線，分析黏性土的破壞形式及壓實黏性土的剪切破壞參數，為黏性土地基的處理提供參考。

1 靜水壓力試驗

巖土材料在靜水壓力作用下表現出屈服特性，其壓力p和體積應變εv的關系表現為三個階段。在沖擊荷載作用下，土體的變形較大。壓力p和體積應變εv的關系見圖1，試驗參數為最大干密度ρdmax=2.02 g/cm3，最優含水率ωopt=12.54%，壓實度為98%，含水率為12.54%，文中試樣均相同。

圖1 靜水壓力試驗應力—應變曲線

以屈服應力σ(k)為橫坐標(k為硬化參數)，塑性體積應變［1-2］為縱坐標，并采用公式(1)對數據進行擬合(見圖2和表1)。

圖2 屈服應力σ(k)與塑性體積應變擬合曲線

式中，W，D1，D2均為擬合參數。

經繪圖比較，含水率為14.53%的曲線擬合較差，同時與理論計算的最大體積應變(假定水和固體顆粒不可壓縮，孔隙水不從孔隙中排出)比較可知，其原因是由于含水率較大的試樣，在試驗過程中排出了大量孔隙水。

2 常規三軸壓縮試驗

壓實黏性土發生的破壞形式為剪切破壞。為描述剪切破壞，就需確定剪切破壞面的形式及參數，所涉及的試驗為常規三軸壓縮試驗。試樣尺寸為φ39.1 mm×80 mm，在試驗過程中加載采用變形控制，加載速率為0.5 mm/min，圍壓初步按0～1 200 kPa控制，試樣的破壞形式為45°斜向剪切破壞，其應力—應變曲線見圖3。

表1 擬合參數統計

圖3 不同圍壓下應力—應變曲線

2.1 模量參數的分析

對σ1=0的試驗曲線的彈性段進行線性擬合，可獲得其彈性模量，同時根據靜水壓力試驗結果，按式(2)和式(3)計算出剪切模量G，結果見表2。

表2 模量統計

2.2 黏聚力和摩擦角的分析

根據上式可得到扭轉和三軸拉伸與三軸壓縮強度的比值Q1和Q2，由摩爾—庫倫［4］公式小主應力σ3=σ1tan2(π/4－φ/2)－2ctan(π/4－φ/2)，考慮大主應力σ1=0可得到其單軸抗拉強度，具體參數見表3。

圖4 摩爾應力圓

表3 黏聚力和摩擦角及Q1和Q2統計

2.3 剪切破壞面參數的分析

以J1=σ1+2σ3為橫坐標，為縱坐標繪制曲線，同時采用［1，2］(－βJ1)+θJ1進行擬合(J'2為應力偏量第二不變量)，見圖5，統計結果見表4。

圖5 剪切破壞面擬合曲線

表4 剪切破壞面擬合參數統計

2.4 剪切運動硬化參數的分析

為了描述在峰值應力前土體的非線性彈性，引入式(6)式中，Gα為標量函數［1］;Sij為應力偏量;αij為背景應力張量，當αij=0即應力狀態位于初始屈服面上時，Gα=1;當屈服面逼近破壞面時，Gα=0;N的大小為應力空間中破壞面與初始屈服面在軸的間隔。

以峰值強度的0.6倍時的應力為初始屈服應力，同時以較低應力偏量時應力偏量與塑性應變偏量曲線的直線段斜率作為cα值，對σ3=0的試驗曲線進行分析?；谀芰康膿p傷軟化參數，損傷應力［5-6］定義為

式中，A，B為擬合參數;τ0為損傷的門檻值，當τ＜τ0時，d=0;τ 為應變能的函數［5-6］，定義為

利用式(8)，對σ3=0的試驗曲線進行擬合，見圖6和表5。

圖6 基于能量損傷軟化擬合曲線

表5 剪切運動硬化及能量損傷擬合參數統計

3 結論

通過對黏性土的應力—應變關系、黏聚力和內摩擦角與含水量的關系等的曲線擬合分析表明，黏性土在碾壓良好的情況下，在強夯施工前后密實度無明顯提高［7-8］。而對于壓實情況不好的地基，其夯擊后密實度提高較大。主要結論如下:

1)通過靜水壓力試驗獲取了在靜水壓力下壓實度與含水率的初始屈服強度和屈服應力與塑性體積應變的關系曲線，其應力—應變曲線較陡，黏性土表現為剪切破壞形式。

2)通過常規三軸壓縮試驗獲得了不同壓實度與含水率的彈性模量、黏聚力和摩擦角，由黏聚力和摩擦角換算得到扭轉和三軸拉伸與三軸壓縮強度比值Q1和Q2、剪切破壞面函數以及剪切運動硬化和基于能量損傷軟化函數。

3)在地基處理中，由于黏性土在低圍壓條件下表現出軟化現象，在高圍壓條件下表現出硬化現象，因此可以采取強夯法與振沖法相結合對地基進行處理。

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