主应力轴旋转对压实黄土动残余变形的影响

2011-12-08叶建海杨利国

黄河水利职业技术学院学报 2011年2期

叶建海，杨利国

(黄河水利职业技术学院，河南开封 475004)

0 引言

黄河流域是中华民族的发源地，也是我国黄土分布的主要区域。这里的黄土覆盖层较厚，地貌类型多而且复杂，并且历史上该地区也是我国地震多发地区之一。近年来，随着西部大开发的实施，黄土地区的高速公路、高速铁路、高层建筑、高土石坝等大中型建设项目日益增多，对于黄土地基和路基变形稳定性的要求越来越高。例如，郑西铁路客运专线是我国也是世界上在湿陷性黄土地区建设的第一条高速铁路，沿线黄土分布广泛，约占全线总长度的80%[1～2]。为满足铺设无碴轨道的技术要求，路堤允许工后沉降量为15 mm，这是目前国内对铁路路堤工程提出的最高标准[3]。变形控制是进行路基和地基设计施工的关键，因此，需要对黄土地区路基或建筑地基残余变形进行研究。

黄土地区的地基或路基在填筑压实完成后，或者在交通荷载等动荷载的作用下，其中的土体都将处于复杂的初始应力状态[4]。所谓的复杂初始应力状态，即地基或路基中的土单元体所受的大、小主应力均不在竖直和水平方向，而是存在一个初始主应力方向角，同时也受到水平剪应力的作用。研究残余变形的文献较多，也得到许多有益的结论[5～7]。但是，常规的实验室仪器并不能准确地模拟土体实际所处的复杂初始应力状态，因此，关于复杂初始应力条件下残余变形的研究并不多见。笔者通过对原有的DTC-199 型动扭剪三轴仪的简单改造，即可完全模拟土体在复杂初始应力状态下受到动荷载影响时的变形情况。因此，研究压实黄土在复杂初始应力状态下受到动荷载作用的残余变形特性，可以为实际工程中黄土路基或建筑地基的变形控制及抗震稳定性分析提供更为合理、准确的参数和有益的参考。

1 试验概况

1.1 试验仪器和动荷载施加

本试验仪器采用西北农林科技大学引进的DTC-199 型动扭剪三轴仪。该仪器具有操作简单、精度较高、能够自动采集数据等优点[8]。通过隔离试样内、外压力室和为内压增加一套压力系统的方法，就可以模拟试样所受的复杂初始应力状态。

对于试验研究来说，通常将实际工程中遇到的地震、交通等动荷载产生的随机波型简化为一种等效的谐波作用。本试验按照上述理论，采用等效正弦波的形式，在试样的顶部施加周期性水平动剪应力，选取动荷载的频率为1Hz。

1.2 试验土料

试验用土取自陕西杨凌某小区建筑地基，取土深度为3～4 m，属于Q3黄土。用烘干法测得的天然含水率为16.1%，天然干密度为1.26 g/cm3，相对体积质量为2.70，天然孔隙比为1.05。试验土料的物理性质指标如表1 所示。由于建筑地基或路基的压实度均以最大干密度为基准，所以试验所用试样的干密度统一采用最大干密度。经过击实试验，测得所用黄土土料的最大干密度为1.60g/cm3，最优含水率为19.7%。根据“水膜转移法”理论[9]将试样的含水率统一配至19.7%，尽量减小含水率对试验结果的影响。

表1 陕西杨凌黄土的物理力学指标Table 1 Physical indexes of Yangling loess

1.3 试样的应力状态

试验所用的试样为空心圆柱试样,试样的内、外直径分别为30 mm 和70 mm，高为100 mm，如图1（a）所示。图中Po为外室压力，Pi为内室压力，W 为轴力，MT为扭矩。图1（b）为在空心圆柱试样壁上任取一土单元的应力状态示意图。

图1 空心圆柱试样应力状态Fig.1 Stress state of hollow cylinder sample

作用在土单元上的4 个应力等量等价于试验中控制参数初始主应力方向角α、中主应力系数b、平均主应力p、广义剪应力q 和偏应力比η。这几个参数分别定义为：

在给定土单元的初始应力状态参数α、b、p、η后，可以通过参考文献[10]的相关公式，确定出试验仪器施加在试样上的4 个荷载：外室压力Po、内室压力Pi、轴力W 和扭矩M。

2 试验结果分析

本试验主要进行了不同初始主应力方向角下残余轴向应变和残余剪应变的研究，分别得到在应力参数p=100 kPa、b=0.5、η＝0.43 时，初始主应力方向角α=0°、30°、45°、60°、90°的轴向变形和剪应变分别随振次变化的曲线（如图2 所示）。同时，为了验证试验数据的正确性，又进行了在p=200kPa、b=0.5、η＝0.43 时，初始主应力方向角α=0°、30°、45°、60°、90°的轴向变形和剪应变分别随振次变化的曲线（如图3 所示）。

图2 不同初始主应力方向角时轴向变形和剪切变形随振次变化的曲线（p=100kPa）Fig.2 Curves of axial residual deformation and shear residual deformation with different vibration times under different initial angle of principal stress （p=100kPa）

图3 不同初始主应力方向角时轴向变形和剪切变形随振次变化的曲线（p=200kPa）Fig.3 Curves of axial residual deformation and shear residual deformation with different vibration times under different initial angle of principal stress（p=200kPa）

2.1 轴向残余变形随振次的变化

图2（a）和图3（a）中应变的正值表示试样被压缩，应变的负值表示试样被拉伸。从图中可以得出以下结论：

（1）振次对轴向应变的影响程度在不同的初始主应力方向角下各不相同。其中，在α=0°和α=90°时影响最大，α=30°和α=60°时次之，在α=45°时基本没有影响。

（2）随着α 的增大，轴向应变随着振次的增加由压缩状态的正值逐渐过渡到伸长状态的负值。分析这种现象，与试样所受的应力状态有密切的关系。当大主应力方向垂直于水平方向时，轴向所受最大主应力σ1与侧向所受约束应力σ2和σ3相比较大，因此呈轴向压缩状态，轴向应变一直向正应变发展且速度较快；当α=45°时，轴向应力初期有向正应变发展的趋势，但是幅值非常小，这种微小的应变幅值一直维持到轴向应变发展的后期，并且应变有向0 靠近的趋势，与其同期的剪应变相比，可以忽略不计。当最大主应力方向由轴向转至水平方向时，轴向所受最小主应力σ3相比侧向所受的约束σ1和σ2较小。此时，试样受到挤压，呈轴向伸长状态，轴向应变最初向正应变方向有微小的发展，然后迅速向负值方向大幅增加。由于黄土本身具有黏聚力，所以轴向应变伸长的数值远远没有同一振次下、α=0°时轴向应变压缩的数值大。

2.2 剪切残余变形随振次的变化

图2(b)和图3(b)为剪切残余变形随振次变化的曲线，从中可以看出：

（1）振次对剪切变形影响较为显著，剪应变随振次的增多而增加，振次越多，剪应变发展的速率越快。

（2）初始主应力方向角对剪切变形有一定的影响，但是规律并不明显。在同一振次下的动剪应变随着初始主应力方向角的增大呈现增大的趋势。分析其原因，与最大主应力逐渐转向水平方向有密切关系。由于动剪应力是在一个水平方向上往复扭动产生的，再和主应力或者主应力在水平向的分量叠加后，就会使土样产生动剪切变形，且叠加后的应力越大，在同一振次下产生的动剪切残余应变就越大。一旦土样产生较大的残余剪切变形，土样抵抗变形的能力也就越来越弱。所以，残余剪切变形的发展速率会逐渐增大。

对于工程实践而言，如果要避免建筑地基或者路基在动荷载作用下发生较大的轴向残余应变，就要尽可能地使初始主应力方向角偏转45°，使建筑地基或者路基土体受到一定的水平剪切作用。在选择压实机械时，应考虑能够使土体产生相互的挤压和具有一定的水平剪切作用。如果要避免建筑地基或路基在动荷载作用下发生较大的剪切残余应变，就要尽量使最大主应力维持在竖直方向上。因此，还是以选择那些能够垂直压实的土体，或者能将土体振动密实而没有使土体产生水平剪切应力的机械为宜。