級配土凝聚力和摩擦角變化規律的試驗研究

郝飛 陸云 楊健

中圖分類號:TU41 文獻標識碼:A文章編號:1673-0992(2009)12-159-01

摘要:建過對直剪試驗中土樣破壞面情況和試驗數據的分析,提出了確定試樣破壞點的新方法,找到了莫爾—庫侖準則中土壤的兩個強度參數隨干密度和含水量的變化規律,利用Excel對數據進行非線性擬合,給出了具有較好相關性的擬合公式。

關鍵詞:直剪試驗;破壞點;莫爾—庫侖準則;強度參數;非線性擬合

不同的壓實工況,土干密度和含水量是不同的。根據莫爾—庫侖準則[1],有必要對土壤的兩個強度指標、隨干密度和含水量變化規律進行研究。前人研究指出:粘土的值隨土壤的含水量增加而減少[2]。本文通過對長安大學工程機械學院動力學實驗室級配土(圖1)進行直剪試驗研究,尋求該級配下土的兩個強度指標隨干密度和含水量變化規律。

1 實驗原理與方法

莫爾—庫侖準則剪應力表達式[3](見圖2)

式中: —土的抗剪強度,;

—作用在剪切面上的法向應力,;

—土的強度指標,摩擦角,°;

—土的強度指標,凝聚力, ;

根據準則和直剪實驗方法,制備同樣性質土樣在不同的垂直荷載N1、N2、N3、N4作用下,得到不同的 利用線性回歸的辦法,作出回歸直線,可求得、兩個強度指標的數值。

2 實驗數據處理與擬合

2.1破壞點的確定

在直剪實驗中,剪切位移與剪應力關系曲線可能出現三種形式(圖3),根據土工試驗技術手冊:Ⅰ型曲線取峰值點a剪應力作為破壞點;Ⅱ型曲線取穩定值點b為破壞點;Ⅲ型曲線取剪切位移為4㎜的c點作為破壞點[4]。然而,在級配土直剪試驗過程中發現,除了出現Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型曲線外,還出現了如圖4所示的曲線形式。此曲線的規律是,當剪切位移接近4時,手輪轉動1圈(或數圈)剪應力卻沒有隨著剪切位移的增加而增加,即曲線上出現了一個平臺;一般,在4附近會出現多個這樣的臺階;4之后,剪應力隨剪切位移繼續增加。在試驗數據處理過程中發現,取最后一個臺階終點對應的剪切位移為破壞點,數據具有較好的相關性,較固定地取4㎜點作為破壞點能更好地反映土體的破壞。為此,專門開展了相關的試驗。在最后一個臺階終點處結束試驗,發現試樣已經具有明顯的剪切破壞面,如圖5所示。

2 某試樣剪切位移-剪應力關系

2.2數據處理與擬合

根據土壤兩個強度參數隨干密度(含水量不變)和含水量(干密度不變)變化的關系可以得出以下結論:

2.2.2干密度固定不變,該級配土的摩擦角、凝聚力均隨著含水量的增大而減小;

2.2.2.1含水量固定不變,該級配土的摩擦角、凝聚力均隨著干密度的增大而增大。

通過對多組數據在Excel環境下進行擬合,發現在干密度一定時,用對數曲線擬合土的兩個強度參數隨含水量變化關系精度比較高;而在含水量一定,用指數曲線擬合土的兩個強度參數隨干密度變化關系精度比較高。故作如下假設:

2.2.3對應于每一個固定的干密度,該級配土兩個強度參數隨含水量按對數曲線(a<0)規律變化;

2.2.4對應于每一個固定的含水量,該級配土兩個強度參數隨干密度按指數曲線規律變化。

表1曲線擬合殘差對比

對上述兩個假設進行實驗驗證,驗證用土的基本參數為干密度、含水量。實驗測定該土的摩擦角為;利用擬合曲線計算得其摩擦角為:。而凝聚力誤差較大,導致較大誤差的主要原因有:實驗誤差、土的各向異性。

3 結語

通過對不同干密度和含水量組合下的土壤直剪試驗研究,得出以下幾個結論:

1.對于Ⅲ型曲線,取剪切位移在3～4mm之間曲線上最后一個臺階終點對應的剪切位移作為破壞點較固定地取4㎜點作為破壞點能更好地反映土體的破壞;

2.采用實驗的方法,找到了土壤兩個強度基本參數與含水量和干密度之間的變化關系;

3.利用Excel擬合功能找到變化規律的擬合曲線,在以后的實驗中只要每一個含水量(或干密度)做兩個點就可以知道其整個的變化規律。

參考文獻

[1] 趙成剛、白冰、王運霞,土力學原理,北京:清華大學出版社,2004

[2] 楊士敏、張鐵,工程機械地面力學與行駛理論,西安:陜西科學技術出版社,2000

[3] 屈智炯,土的塑性力學,成都:成都科技大學出版社,1987

[4] 南京水利科學研究院土工研究所,土工試驗技術手冊,北京:人民交通出版社,2003

作者簡介:郝飛,男,1982年出生,江蘇濱海人,工學碩士,助理實驗師,研究方向:振動壓實土壤應力分布、機電一體化技術。