中主應力對擊實黃土強度和變形特性的影響①

張吾渝,陳　偉,常立君,介玉新,王　萌,羅傳慶

(1.青海大學土木工程學院,青海 西寧 810016; 2.青海大學地質(zhì)工程系,青海 西寧 810016;3.清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室,北京 100084)

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中主應力對擊實黃土強度和變形特性的影響①

張吾渝1,陳偉2,常立君1,介玉新3,王萌2,羅傳慶2

(1.青海大學土木工程學院,青海 西寧 810016; 2.青海大學地質(zhì)工程系,青海 西寧 810016;3.清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室,北京 100084)

為研究中主應力對擊實黃土強度和變形特性的影響,利用空心圓柱扭剪儀對擊實黃土進行主應力軸方向為0°的定向剪切試驗,重點探討中主應力系數(shù)b對剪切過程中擊實黃土強度和變形的影響。試驗結果表明,在不同中主應力系數(shù)下試樣的廣義剪應力-應變曲線發(fā)展模式基本相同,其曲線差異不顯著,剪切后期試樣表現(xiàn)出顯著的延性特性。中主應力對擊實黃土的強度影響較大,b=0.25時歸一化強度最大,而b=0.5時最小。當b從0到0.25時強度增加;當b=0.25時強度達到峰值,隨著b的繼續(xù)增加,強度迅速減小;當b=0.5時強度達到最小值,隨著b的進一步增加,強度先增大后減小。隨著中主應力系數(shù)b的增加,擊實黃土的有效內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)增大的趨勢,強度參數(shù)在b=0時最小,b=0.75時最大,b=1(三軸拉伸)高于b=0(三軸壓縮)。

中主應力系數(shù); 擊實黃土; 應力應變;強度; 有效內(nèi)摩擦角

0　引言

長期以來,人們以常規(guī)三軸試驗作為研究土的性質(zhì)及指標的主要實驗手段[1-2]。然而,此種試驗只能對土體施加2個方向的主應力,使土體處于軸對稱的應力狀態(tài),中主應力系數(shù)b=0只能反映對稱應力狀態(tài)下的強度和變形規(guī)律,而忽略了中主應力的影響,因此不能反映土體在實際三維復雜應力狀態(tài)下的力學性能。如何模擬土體真實的受力情況是當前土力學的熱點問題之一。在實際工程中,荷載作用下往往會引起地基土體應力狀態(tài)的改變,如中主應力、主應力方向等會發(fā)生不同程度的變化,從而導致土體強度和變形特性發(fā)生改變。中主應力對土體強度和變形特性的影響很早就引起了人們的關注,并進行了大量的真三軸試驗,研究成果也被應用到實際計算中。

早先Ko等[3]通過對Ottawa砂的立方體試樣進行中主應力σ2由σ3逐漸增大到σ1的真三軸試驗,結果表明：內(nèi)摩擦角φ隨σ2的增大而增大,當σ2接近σ1時φ又略微減小。針對砂土的真三軸試驗普遍得出的結論是：砂土強度參數(shù)隨著中主應力的變化而變化,三軸壓縮下所得的強度參數(shù)是下限值;三軸拉伸和三軸壓縮狀態(tài)下強度參數(shù)是不同的,一般是三軸拉伸高于三軸壓縮。

從20世紀80年代開始,國內(nèi)許多學者紛紛對土體三向受力特性進行真三軸試驗研究。李廣信[4]對承德中密砂、朱俊高等[5]對福建平潭標準砂和上海夾粉砂黏土、Yin等[6]對CDG(全風化花崗巖)進行真三軸試驗,均得到了中主應力對土體強度有一定影響的結論。

邵生俊[7]對黃土進行真三軸試驗,也得到了許多成果。由于黃土特殊的區(qū)域性,本文首次利用空心圓柱扭剪儀針對青藏高原地區(qū)典型黃土研究中主應力對擊實黃土強度和變形特性的影響。

1　試驗設計

1.1土樣制備

本文制備的擊實黃土試樣土取自青海西寧生物園區(qū)某建筑基坑,其基本物理性質(zhì)如表1所列(引自文獻[8])。制樣前先將土樣過2 mm篩,取篩下土烘干后配制成含水率為15%的土樣。每次稱取180.86 g的土樣裝入成膜筒內(nèi)擊實,控制擊實后的高度為2 cm,刮毛后重復上一步驟,如此共進行10次。最后制成擊實密度為1.8 g/cm3的空心圓柱試樣,試樣尺寸為200 mm×100 mm×60 mm(高度×外直徑×內(nèi)直徑)。

表1　黃土基本物理性質(zhì)

根據(jù)試樣土的現(xiàn)場埋置深度,本文所有試樣施加200 kPa的圍壓進行等向固結,使其超固結比OCR=1。固結穩(wěn)定標準參考《土工試驗方法標準》(GB/T 50123-1999),當軸向位移的變形量不大于0.01 mm/h時認為固結完成。

1.2試驗方法

使用浙江大學空心圓柱扭剪儀(ZJU-HCA),試驗應力路徑在HCA stress path模塊下通過改變平均主應力p、中主應力系數(shù)b、剪應力q以及主應力方向角α這4個參數(shù)來實現(xiàn)。其中：

(1)

(2)

(3)

沈揚[9]在Hight等[10]研究基礎上提出主應力方向角的表達式：

當σz>σθ時,α=(1/2)arctan[2τzθ/(σz-σθ)],其中α的取值范圍為(-45°～45°);當σz<σθ時,α=(1/2)arctan[2τzθ/(σz-σθ)]+(-1)n(π/2)(當τzθ≤0,n=1;τzθ>0,n=2),其中α的取值范圍為(-90°～-45°,45°～90°)。式中:σz、σθ、τzθ分別為空心圓柱試樣的軸向、環(huán)向、扭剪應力。

本文著重探討中主應力對擊實黃土強度和變形特性的影響,故在加載過程中保持平均主應力p=200kPa和主應力方向角α=0°不變,在改變中主應力系數(shù)b的情況下增加剪應力q直至試樣破壞,破壞標準參考文獻[11]。

1.3應力路徑

試驗應力路徑見圖1、2所示。圖1在q-p平面上繪出了試樣固結與剪切過程中的應力變化過程,圖中圓點表示試樣的固結過程,帶箭頭實線表示試樣的剪切過程。圖2為q-b平面上的剪切加載路徑。

圖1　q-p平面上固結與剪切應力路徑Fig.1　The stress paths during consolidation and shearing in the q-p plane

圖2　q-b平面上剪切加載路徑Fig.2　Shear loading paths in the q-b plane

2　試驗結果分析

2.1應力應變特性

為了反映中主應力系數(shù)不同時各應力應變分量的綜合影響,圖3繪制了不同中主應力系數(shù)下廣義剪應力-應變變化曲線。其中,廣義剪應力的表達式為:

(4)

廣義剪應變的表達式為:

(5)

由圖3可見,在不同中主應力系數(shù)下,試樣的廣義剪應力-應變曲線發(fā)展模式基本相同,差異不顯著。剪切初始階段,隨著廣義剪應力的增加廣義剪應變開展較為緩慢,試樣表現(xiàn)出較大的剛度,隨著應力的進一步增加,應力-應變曲線出現(xiàn)明顯的拐點,應變開始迅速開展,剪切后期試樣表現(xiàn)出顯著的延性特性。中主應力系數(shù)b對擊實黃土的應力-應變曲線有一定的影響。

圖3　不同中主應力系數(shù)下廣義剪應力-應變曲線Fig.3　Generalized shear stress-strain curves under different intermediate principal stress coefficients

2.2強度特性

以中主應力系數(shù)b為橫坐標,取qJf/p(qJf為采用擊實黃土破壞標準時的廣義剪應力)為縱坐標,繪制擊實黃土的qJf/p-b關系(圖4)。

圖4　不同中主應力系數(shù)下歸一化強度變化曲線Fig.4　The normalized strength curve under different intermediate principal stress coefficients

由圖4可知,不同中主應力系數(shù)下?lián)魧嶞S土歸一化強度差異較大,中主應力對擊實黃土的強度影響較大。b=0.25時歸一化強度最大,而b=0.5時歸一化強度最小。b從0到0.25時強度增加;當b=0.25時強度達到峰值,隨著b的繼續(xù)增加,強度迅速減小;當b=0.5時強度達到最小值,隨著b的進一步增加,強度先增大后減小。Kumruzzaman等[6]利用空心圓柱扭剪儀,以香港CDG(全風化花崗巖)重塑土樣為研究對象也得到了相同的結論。

2.3中主應力對有效內(nèi)摩擦角的影響

本文在試驗過程中,孔壓閥是與大氣連通的,根據(jù)非飽和土的有效應力原理,作用于試樣的應力均為有效應力。

根據(jù)摩爾庫侖強度準則得到有效內(nèi)摩擦角的表達式為

(6)

式中的應力均為采用破壞標準時的應力值。

為了更好地解釋不同中主應力系數(shù)下的強度變化特性,選擇采用破壞標準時的數(shù)據(jù),有效內(nèi)摩擦角φ'隨中主應力系數(shù)b的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5　有效內(nèi)摩擦角φ′與中主應力系數(shù)b的關系Fig.5　Variation of φ′ with the intermediate principal stress coefficient b

由圖5可見,隨著中主應力系數(shù)b的增加,有效內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)增大的趨勢,強度參數(shù)在b=0時最小,b=0.75時最大。與砂土強度參數(shù)隨中主應力變化規(guī)律一致,三軸壓縮(b=0)下所得的強度參數(shù)是下限值,三軸拉伸(b=1)和三軸壓縮(b=0)狀態(tài)下強度參數(shù)不同,三軸拉伸高于三軸壓縮。

3　結　論

本文首次利用空心圓柱扭剪儀針對青藏高原地區(qū)典型黃土研究中主應力對擊實黃土強度和變形特性的影響,得到了以下結論：

(1)在不同中主應力系數(shù)下,試樣的廣義剪應力-應變曲線發(fā)展模式基本相同,曲線差異不顯著,剪切后期試樣表現(xiàn)出顯著的延性特性。

(2)中主應力對擊實黃土的強度影響較大,歸一化強度在b=0.25時最大,而b=0.5時最小。b從0到0.25時強度增加;當b=0.25時強度達到峰值,隨著b的繼續(xù)增加,強度迅速減小;當b=0.5時強度達到最小值,隨著b的進一步增加,強度先增大后減小。

(3)隨著中主應力系數(shù)b的增加,擊實黃土的有效內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)增大的趨勢,強度參數(shù)在b=0時最小,b=0.75時最大,b=1(三軸拉伸)高于b=0(三軸壓縮)。

References)

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CHEN Wei,ZHANG Wu-yu,MA Yan-xia,et al.Mechanism of Changes in Microstructure of Compacted Loess Based on Triaxial Test[J].China Earthquake Engineering Journal,2014,36(3):753-758.(in Chinese)

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Effect of Intermediate Principal Stress on Strength and Deformation Characteristics of Compacted Loess

ZHANG Wu-yu1,CHEN Wei2,CHANG Li-jun1,JIE Yu-xin3,WANG Meng2,LUO Chuan-qing2

(1.School of Civil Engineering,Qinghai University,Xining 810016,Qinghai,China;2.Department of Geological Engineering,Qinghai University,Xining 810016,Qinghai,China;3.State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

To study the impact of intermediate principal stress on the strength and deformation behavior of compacted loess,a series of tests with the principal stress orientation angle fixed at 0°were carried out using a hollow cylinder apparatus (HCA).The impact of the intermediate principal stress coefficient b on the strength and deformation of compacted loess is discussed.Test results revealed that at different intermediate principal stress coefficients,the developed models of generalized shear stress-strain curves were basically the same.The generalized shear stress-strain curves were not significantly different and the specimens showed significant ductility during the late stages of shear.The intermediate principal stress significantly affected the strength of the compacted loess.The normalized maximum strength was at b=0.25 and the minimum at b=0.5.The strength increased with b from 0 to 0.25.The strength was at its peak when b=0.25,then decreased rapidly as b increased further.The minimum strength reached was when b=0.5,the strength first increased,then decreased as b increased further.With the increase in the intermediate principal stress coefficient,the effective internal friction angle of the compacted loess showed a tendency to increase.The strength parameter was at a minimum when b=0,a maximum when b=0.75,and was greater in b=1 (triaxial tension)than b=0 (triaxial compression).

coefficient of intermediate principal stress; compacted loess; stress and strain; strength; effective internal friction angle

2015-07-16

青海省科學技術廳應用基礎研究計劃(2015-ZJ-720；2012-Z-708)；清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室開放研究基金項目(sklhse-2014-D-03)；青海省高等學校地基與基礎教研創(chuàng)新團隊項目；青海大學教學名師培育計劃項目

張吾渝(1969-)，女，教授，主要從事地基處理方面的教學與研究工作。E-mail:qdzwy@163.com。

TU435

A

1000-0844(2016)04-0554-04

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.04.0554