黃土強(qiáng)度指標(biāo)受應(yīng)力路徑影響分析

張喆

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 咸陽 712000）

0 引言

加快西安國家中心城市高質(zhì)量發(fā)展，地鐵工程建設(shè)成為西安市新時(shí)期發(fā)展需要解決的首要任務(wù)。研究表明，地鐵深基坑、隧道開挖中土體實(shí)際應(yīng)力變形狀態(tài)復(fù)雜，不同位置土體應(yīng)力路徑不完全相同。三軸試驗(yàn)一般是在軸對稱的應(yīng)力條件下進(jìn)行的，由此得到的強(qiáng)度指標(biāo)在大量平面問題的計(jì)算分析中取得很好效果[1]。而應(yīng)力路徑對土體的強(qiáng)度和變形具有顯著影響[2-3]，因此對比真三軸試驗(yàn)與常規(guī)三軸試驗(yàn)強(qiáng)度及強(qiáng)度指標(biāo)的差異性很有必要。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)用土與試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)用土取自航天大道十字隧道工位，取土深度為7～8m。取樣前現(xiàn)場進(jìn)行勘察，觀察土的均勻程度和孔隙分布特征，并采集樣本進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，判斷土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)，選取符合要求采樣點(diǎn)。現(xiàn)場采取成土塊，標(biāo)注沉積方向及走向方向，并用黑色塑料薄膜包裹密封，避免水分喪失。密封包裝外注明所取土樣的地點(diǎn)和序號，描述土性，裝箱小心搬運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室。

經(jīng)試驗(yàn)測定此原狀黃土主要物理指標(biāo)：比重為2.69，天然含水量21.50%，干密度1.32g/cm3，液限39.99%，塑限25.98%，塑性指數(shù)13.60%，初始孔隙比1.05。

1.2 試驗(yàn)方案

本次同時(shí)開展了固結(jié)排水常規(guī)三軸試驗(yàn)（CD）與真三軸試驗(yàn)。固結(jié)排水常規(guī)三軸試驗(yàn)圍壓工況分別為100kPa、200kPa、300kPa。

真三軸試驗(yàn)使用了西安理工大學(xué)自主研制的XGT-3 新型真三軸儀[4]。試驗(yàn)試樣為正方體樣，尺寸為70mm×70mm×70mm。開展等圍壓等b的試驗(yàn)，其中圍壓工況分別為100kPa、200kPa、300kPa，中主應(yīng)力比b 工況分別為0、0.25、0.5、0.75、1。試驗(yàn)中在大主應(yīng)力方向加 載速 率為0.05mm/min 的等應(yīng)變速率控制加載，試樣破壞標(biāo)準(zhǔn)為大主應(yīng)變達(dá)到12%，可以測試得到土樣在不同圍壓、不同中主應(yīng)力參數(shù)b 條件下剪切破壞時(shí)3 個(gè)主應(yīng)力及3 個(gè)主應(yīng)變。

2 試驗(yàn)分析

2.1 三軸剪切試驗(yàn)

固結(jié)排水常規(guī)三軸試驗(yàn)結(jié)果按照摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）強(qiáng)度理論得到土樣固結(jié)排水總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力為51kPa，摩擦角為20°。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)小圍壓應(yīng)力狀態(tài)下土體發(fā)生失穩(wěn)破壞，圍壓增加，土體將發(fā)生較大變形而破壞。

2.2 真三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果

按照摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）強(qiáng)度理論給出不同中主應(yīng)力比b 應(yīng)力狀態(tài)下試樣強(qiáng)度線，強(qiáng)度指標(biāo)如表1 所示。圖1 給出黏聚力比、摩擦角比隨中主應(yīng)力比b 變化曲線，可以看出中主應(yīng)力比b 值對強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力、摩擦角均影響較大，土體黏聚力主要來自膠結(jié)力及分子力，在較小應(yīng)力下就發(fā)揮到最大，然后有些下降保持一個(gè)不變最小值，黏聚力變化區(qū)間為55～98kPa，黏聚力比變化區(qū)間為1～1.8 之間，呈現(xiàn)隨b 值先增大后減小。b 值較大時(shí)，中小主應(yīng)力作用平面內(nèi)剪切作用突出，平均球應(yīng)力增長壓縮作用增強(qiáng)，土體摩擦力不斷增大趨于穩(wěn)定，較小b 值時(shí)，中小主應(yīng)力作用平面剪切作用弱，相同平均球應(yīng)力時(shí)剪脹力由零增加到最大后隨咬合作用的喪失而消失。摩擦角變化區(qū)間為17.5°～32°，摩擦角比變化區(qū)間為0.82～1.5，呈現(xiàn)隨b 值先減小后增大。

表1 不同中主應(yīng)力比b 值強(qiáng)度指標(biāo)

圖1 黏聚力比、摩擦角比與中主應(yīng)力比b 關(guān)系曲線

圖2 為一組高含水率（ω=21%）和一組低含水率（ω=5%）強(qiáng)度指標(biāo)隨中主應(yīng)力b 變化對比，可以看出含水率越低中主應(yīng)力比對土體強(qiáng)度指標(biāo)影響越顯著。圖3 給出不同含水率土體破壞形態(tài)，低含水率呈現(xiàn)脆性破壞，σ2作用面剪切帶呈現(xiàn)明顯，b 值較小時(shí)產(chǎn)生一條近似45°斜裂縫，隨b值增大呈現(xiàn)為X 型剪切帶。

圖2 黃土的強(qiáng)度參數(shù)隨不同中主應(yīng)力比b 關(guān)系曲線

圖3 圍壓為100kPa 不同含水率試樣破壞

大量工程實(shí)踐表明[5-6]，地鐵區(qū)間隧道開挖過程中，在隧道的拱頂和拱底處土體屬于卸載拉伸破壞，拱腰處土體屬于壓剪破壞；地鐵基坑開挖過程中，在側(cè)壁處土體屬于側(cè)向卸載壓剪破壞，基坑底部處土體屬于軸向卸載拉伸破壞。以上情形常規(guī)三軸試驗(yàn)均不能模擬真實(shí)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，卸載拉伸破壞狀態(tài)可以按照中主應(yīng)力比b 小于1 且b 大于0.5的應(yīng)力路徑進(jìn)行真三軸試驗(yàn)，卸載壓剪破壞可以按照中主應(yīng)力比b 大于0 且b 小于0.5 的應(yīng)力路徑進(jìn)行真三軸試驗(yàn)，提供更加合理強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù)。

3 結(jié)論

（1）土體強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù)受應(yīng)力路徑影響明顯，黏聚力隨b 值先增大后減小，摩擦角隨b 值呈先減小后增大的變化規(guī)律。

（2）中主應(yīng)力比b 值對強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力、摩擦角均影響較大，土體黏聚力呈現(xiàn)隨b 值先增大后減小。摩擦角呈現(xiàn)隨b 值先減小后增大。

（3）卸載拉伸破壞狀態(tài)可以按照中主應(yīng)力比b 小于1 且b 大于0.5的應(yīng)力路徑進(jìn)行真三軸試驗(yàn)，卸載壓剪破壞可以按照中主應(yīng)力比b 大于0 且b 小于0.5 的應(yīng)力路徑進(jìn)行真三軸試驗(yàn)，得到與實(shí)際工況更吻合得強(qiáng)度參數(shù)，有利于更好地指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工。