平面应变状态下重塑黄土主应力特性的研究

2016-08-16周军旗马延龙李文文

大科技 2016年17期

关键词：制样非饱和主应力

周军旗马延龙李文文

（甘肃省地矿局第三地质矿产勘查院甘肃兰州 730050）

平面应变状态下重塑黄土主应力特性的研究

周军旗马延龙李文文

（甘肃省地矿局第三地质矿产勘查院甘肃兰州 730050）

在边坡、挡土墙、路基、土石坝等众多实际工程中土体一般处于平面应变状态。针对目前对黄土在平面应变下的主应力特性研究较少的情况，笔者根据在平面应变条件下，在同一制样干密度不同试验含水量条件下，对甘肃兰州重塑黄土进行平面应变条件下的压缩试验、CD剪切试验、等应力比试验，探求零应变方向主应力的变化特性。结果表明，平面应变状态下零应变方向的主应力在不同条件下应力状态有所不同。

黄土；平面应变；主应力转换

引言

在我国，由于不同地区的地理、地质和气候条件不同等原因，所形成的黄土的形态和性质各异。兰州地区具有典型的Q3黄土，以非饱和的形式存在具有明显的柱状节理和大孔隙结构，这种独特的结构性直接影响着黄土的力学形状和工程性质。在实际工程中如常见的土石坝、边坡、挡土墙、地基、隧洞等工程中土体处于或者近似处于平面应变状态的，即存在一对称面，其上的应变为零。而且在这些近似平面应变状态下的工程中，土体强度参数大多由常规三轴试验得出，这种方法与实际土体的应力状态不符，造成不必要的经济浪费。

平面应变状态下土体之所以复杂，究其原因是存在中主应力效应，即中主应力影响着材料的强度和变形特性。为此国内有些学者提出一些强度理论，分别从线性和非线性的角度来解释中主应力对材料的强度的影响规律。也有些学者从理论、数值模拟的角度，提出有关砂土的主应力之间的关系。目前，关于平面应变状态下土体强度研究已理论分析和数值模拟居多，而试验研究也多集中在砂土，对于非饱和黄土研究已常规三轴和真三轴试验为多，平面应变条件下非饱和黄土的主应力特性研究较少。鉴于此，本人进行了兰州北郊非饱和粘黄土的平面应变实验，旨在探究该地区非饱和黄土在平面应变条件下的主应力特性，为实际工程提供一定参考。

1 试验方案

1.1 试验材料及制备

（1）本次实验所用土样取自甘肃兰州一处黄土边坡，取土深度约为2.5～3.0m，土体为典型的Q3黄土。该土样具体物理性质指标见表1。

（2）重塑土样的制备：将土样风干并碾碎，过1mm土工筛，配制各个制样含水量的散土，用压样法分10层压制尺寸为10cm×10cm×5cm的立方体试样。严格控制试样的干密度为1.25g/cm3（误差不超过0.03g/cm3）和含水量（误差不超过0.02%）。利用水膜转移法对需要增湿的试样进行含水量的控制。试样制成后放置于密封塑料袋静置48h以上备用。

表1 北郊黄土物理性质指标

（3）具体试验试样：配置同一的制样含水量为12%，不同试验含水量为14%、17%、21.75%。所有土样都400kPa下进行逐级固结加载压缩试验与50kPa、100kPa、200kPa、400kPa围压下的平面应变剪切试验。对w=14%、17%、21.75%试样进行η=0.167、0.272的等应力试验。

1.2 试验设备和试验方法

平面应变剪切试验所采用的仪器为江苏溧阳市永昌机械厂生产的PY10-1型平面应变仪，该仪器可以通过一个直径为4cm的应力传感器测定零应变面的应力大小。本文中所有试样固结过程中排水排气，固结比kc=1.0，以轴向变形不超过0.1mm/h作为固结稳定标准。固结完成后进行恒定σ3的固结排水剪切试验，剪切速度为0.032mm/min。

2 试验结果分析

在平面应变试验中为了表述方便，对三个方向的主应力分别定义如下：以σz表示轴向应力，σy表示零应变方向应力，σx表示恒应力面。在σx保持常数的平面应变试验中可以看出：在平面状态条件下非饱和黄土的应力应变关系曲线皆为应变硬化型，硬化程度随恒应力面σx的增大增大和含水量增大而减小（如图1～3）。

早期的平面应变试验主要集中在砂土，大量的试验表明：当土体接近破会时σy为中主应力而非小主应力，加载应力比σ1/σ3近似为常数，中主应力参数b=0.25～0.35，其中b=（σ2-σ3）/（σ1-σ3）。通过σx为常数的平面应变剪切试验可以看出：非饱和黄土接近破坏时的加载应力比并非为常数，中主应力参数b=0.12～0.30，明显小于砂土。