重塑黄土的强度特性研究

孙永亮,刘增荣,李红星

(西安建筑科技大学土木工程学院,西安710055)

0 引言

影响土体变形的因素很多,包括颗粒组成、矿物成分,黏土颗粒及可溶盐分含量、干密度、含水量、孔隙比等,其中含水量、干密度和孔隙比是3个重要因素[1],而且它们本身又可用扰动度来统一表示,本文以西北地区黄土为例,通过不同既定影响因素下土样在三轴试验下的研究,建立扰动度的概念,旨在探讨既定黄土抗剪强度的变化和扰动度的关系。

1 扰动度概念

据前人研究[2],扰动度函数D与材料的塑性变形、初始条件、温度以及含水量等有关,可通过材料的相关参数来加以描述[3],如应力—应变关系、孔隙水压力、有效应力、孔隙比等,施工中以上因素相继都有变化,因此将土中一点的应力状态、孔隙比、含水量及其应力路径作为施工扰动评价的基本指标。

2 试样制备

试验在TSZ-6型台式中压三轴仪上进行,试样共8组,直径 39.1 mm,高度 80.0 mm。通过将所采用的黏土风干、碾碎、过筛后配制并选择而得,其物理性质指标如表1所示。

表1 土样物理性质指标表

3 试验方法

本次试验根据孔隙比分成8组,体积均为96 cm3,含水量各试样分别在200 kPa和400 kPa2种围压之下进行三轴固结不排水和固结排水试验。原则是每种土样分别在两中试验下至少进行2次,若数据2次结果差别大于10%,则做第3个试样,直到符合。

4 试验结果分析

通过数据的分析整理,不同孔隙比的重塑图样在最大轴压σ3=200 kPa及最大轴压σ3=400 kPa围压下的应力应变关系随应力增加应变的增加越来越少,图形接近于开口向上,以y轴正半轴为对称轴的抛物线的右半部分。破坏时的最大轴力与孔隙比关系在200 kPa和400 kPa图像形状类似,这里仅以最大轴压为400 kPa图形列举如图1所示。

图1 体变与孔隙比关系图

土样在200 kPa和400 kPa围压下的体变图形形状类似,仅举围压200 kPa时图形如图2所示。

图2 体变与孔隙比关系图

随孔隙比变化而土样破坏的孔隙水压力在σ3=200 kPa和σ3=400 kPa时基本不变。

随孔隙比不同,土样破坏时最大主应力无论在200 kPa还是在400 kPa规律清晰且图线形状也相同。由于孔隙水压在2种围压下基本不变[4],所以破坏时土样不同孔隙比下的最大有效主应力图和不同孔隙比下的图线形状也相同,仅竖标位置不同。

土样在不同孔隙比下抗剪切强度随孔隙比增加而呈减小趋势,其关系如图3所示:

图3 土样的抗剪强度与孔隙比关系图

5 抗剪切强度随扰动度的变化规律

(1)定义扰动度函数D为:

式中:M——土体的状态函数;

M0——土体的初始状态;

MC——土体的施工扰动状态;

Mf——土体的最终破坏状态破坏曲面的响应。

式中:ΔP,Δ Q,ΔE,Δ W ——施工扰动引起的压力P﹑抗剪强度Q﹑孔隙比 E﹑含水量 W的增量。

Δpf,Δ qf,Δ ef,Δwf ——从初始状态到破坏曲面的压力p﹑抗剪强度q﹑孔隙比e﹑含水量w增量。

在系统分析法[5]中认为各个因素发挥的作用并不相同,其影响程度用权[6]表示,且各影响因素之间可以是求和也可以是乘积关系[7]。

且A+B+C+D=1。这里若假定各评价元素对土体性质影响作用均等,则有:

若忽略土体物理参数[3]的变化则:

(2)若假定4个影响因素作用均等[8],且仅考虑孔隙比一个参量的影响,以此来讨论扰动度,则可建立Q-e关系如下

式中:Q,Q0——分别为重塑后土体强度和原状土体强度;

e0,e——分别为重塑后孔隙比和原状孔隙比。

6 结语

(1)在假定4个影响因素影响程度相同的情况下,重塑黄土的抗剪强度和扰动度成很规律的反比变化,而扰动度则可用孔隙比的前后变化来近似表示。

图4 强度比值和孔隙比比值在重塑前后关系图

(2)施工扰动后土体的强度可近似用压力、孔隙比、含水量的前后变化加以表示,为保证其强度不变,尽量保证土体的受力状态、孔隙比和含水量保持不变,尽量保证基坑、地基土在施工中少受扰动,开挖处理基坑时褥垫层的厚度必须满足规范要求。

(3)施工中对于已扰动土体的处理,可从3个影响因素着手,从强压、挤密、不能允许地基浸水等方面着手处理和加固。

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