中主应力对击实黄土强度和变形特性的影响①

张吾渝,陈　伟,常立君,介玉新,王　萌,罗传庆

(1.青海大学土木工程学院,青海 西宁 810016; 2.青海大学地质工程系,青海 西宁 810016;3.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京 100084)



中主应力对击实黄土强度和变形特性的影响①

张吾渝1,陈伟2,常立君1,介玉新3,王萌2,罗传庆2

(1.青海大学土木工程学院,青海 西宁 810016; 2.青海大学地质工程系,青海 西宁 810016;3.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京 100084)

为研究中主应力对击实黄土强度和变形特性的影响,利用空心圆柱扭剪仪对击实黄土进行主应力轴方向为0°的定向剪切试验,重点探讨中主应力系数b对剪切过程中击实黄土强度和变形的影响。试验结果表明,在不同中主应力系数下试样的广义剪应力-应变曲线发展模式基本相同,其曲线差异不显著,剪切后期试样表现出显著的延性特性。中主应力对击实黄土的强度影响较大,b=0.25时归一化强度最大,而b=0.5时最小。当b从0到0.25时强度增加;当b=0.25时强度达到峰值,随着b的继续增加,强度迅速减小;当b=0.5时强度达到最小值,随着b的进一步增加,强度先增大后减小。随着中主应力系数b的增加,击实黄土的有效内摩擦角呈现增大的趋势,强度参数在b=0时最小,b=0.75时最大,b=1(三轴拉伸)高于b=0(三轴压缩)。

中主应力系数; 击实黄土; 应力应变;强度; 有效内摩擦角

0　引言

长期以来,人们以常规三轴试验作为研究土的性质及指标的主要实验手段[1-2]。然而,此种试验只能对土体施加2个方向的主应力,使土体处于轴对称的应力状态,中主应力系数b=0只能反映对称应力状态下的强度和变形规律,而忽略了中主应力的影响,因此不能反映土体在实际三维复杂应力状态下的力学性能。如何模拟土体真实的受力情况是当前土力学的热点问题之一。在实际工程中,荷载作用下往往会引起地基土体应力状态的改变,如中主应力、主应力方向等会发生不同程度的变化,从而导致土体强度和变形特性发生改变。中主应力对土体强度和变形特性的影响很早就引起了人们的关注,并进行了大量的真三轴试验,研究成果也被应用到实际计算中。

早先Ko等[3]通过对Ottawa砂的立方体试样进行中主应力σ2由σ3逐渐增大到σ1的真三轴试验,结果表明：内摩擦角φ随σ2的增大而增大,当σ2接近σ1时φ又略微减小。针对砂土的真三轴试验普遍得出的结论是：砂土强度参数随着中主应力的变化而变化,三轴压缩下所得的强度参数是下限值;三轴拉伸和三轴压缩状态下强度参数是不同的,一般是三轴拉伸高于三轴压缩。

从20世纪80年代开始,国内许多学者纷纷对土体三向受力特性进行真三轴试验研究。李广信[4]对承德中密砂、朱俊高等[5]对福建平潭标准砂和上海夹粉砂黏土、Yin等[6]对CDG(全风化花岗岩)进行真三轴试验,均得到了中主应力对土体强度有一定影响的结论。

邵生俊[7]对黄土进行真三轴试验,也得到了许多成果。由于黄土特殊的区域性,本文首次利用空心圆柱扭剪仪针对青藏高原地区典型黄土研究中主应力对击实黄土强度和变形特性的影响。

1　试验设计

1.1土样制备

本文制备的击实黄土试样土取自青海西宁生物园区某建筑基坑,其基本物理性质如表1所列(引自文献[8])。制样前先将土样过2 mm筛,取筛下土烘干后配制成含水率为15%的土样。每次称取180.86 g的土样装入成膜筒内击实,控制击实后的高度为2 cm,刮毛后重复上一步骤,如此共进行10次。最后制成击实密度为1.8 g/cm3的空心圆柱试样,试样尺寸为200 mm×100 mm×60 mm(高度×外直径×内直径)。

表1　黄土基本物理性质

根据试样土的现场埋置深度,本文所有试样施加200 kPa的围压进行等向固结,使其超固结比OCR=1。固结稳定标准参考《土工试验方法标准》(GB/T 50123-1999),当轴向位移的变形量不大于0.01 mm/h时认为固结完成。

1.2试验方法

使用浙江大学空心圆柱扭剪仪(ZJU-HCA),试验应力路径在HCA stress path模块下通过改变平均主应力p、中主应力系数b、剪应力q以及主应力方向角α这4个参数来实现。其中：

(1)

(2)

(3)

沈扬[9]在Hight等[10]研究基础上提出主应力方向角的表达式：

当σz>σθ时,α=(1/2)arctan[2τzθ/(σz-σθ)],其中α的取值范围为(-45°～45°);当σz<σθ时,α=(1/2)arctan[2τzθ/(σz-σθ)]+(-1)n(π/2)(当τzθ≤0,n=1;τzθ>0,n=2),其中α的取值范围为(-90°～-45°,45°～90°)。式中:σz、σθ、τzθ分别为空心圆柱试样的轴向、环向、扭剪应力。

本文着重探讨中主应力对击实黄土强度和变形特性的影响,故在加载过程中保持平均主应力p=200kPa和主应力方向角α=0°不变,在改变中主应力系数b的情况下增加剪应力q直至试样破坏,破坏标准参考文献[11]。

1.3应力路径

试验应力路径见图1、2所示。图1在q-p平面上绘出了试样固结与剪切过程中的应力变化过程,图中圆点表示试样的固结过程,带箭头实线表示试样的剪切过程。图2为q-b平面上的剪切加载路径。

图1　q-p平面上固结与剪切应力路径Fig.1　The stress paths during consolidation and shearing in the q-p plane

图2　q-b平面上剪切加载路径Fig.2　Shear loading paths in the q-b plane

2　试验结果分析

2.1应力应变特性

为了反映中主应力系数不同时各应力应变分量的综合影响,图3绘制了不同中主应力系数下广义剪应力-应变变化曲线。其中,广义剪应力的表达式为:

(4)

广义剪应变的表达式为:

(5)

由图3可见,在不同中主应力系数下,试样的广义剪应力-应变曲线发展模式基本相同,差异不显著。剪切初始阶段,随着广义剪应力的增加广义剪应变开展较为缓慢,试样表现出较大的刚度,随着应力的进一步增加,应力-应变曲线出现明显的拐点,应变开始迅速开展,剪切后期试样表现出显著的延性特性。中主应力系数b对击实黄土的应力-应变曲线有一定的影响。

图3　不同中主应力系数下广义剪应力-应变曲线Fig.3　Generalized shear stress-strain curves under different intermediate principal stress coefficients

2.2强度特性

以中主应力系数b为横坐标,取qJf/p(qJf为采用击实黄土破坏标准时的广义剪应力)为纵坐标,绘制击实黄土的qJf/p-b关系(图4)。

图4　不同中主应力系数下归一化强度变化曲线Fig.4　The normalized strength curve under different intermediate principal stress coefficients

由图4可知,不同中主应力系数下击实黄土归一化强度差异较大,中主应力对击实黄土的强度影响较大。b=0.25时归一化强度最大,而b=0.5时归一化强度最小。b从0到0.25时强度增加;当b=0.25时强度达到峰值,随着b的继续增加,强度迅速减小;当b=0.5时强度达到最小值,随着b的进一步增加,强度先增大后减小。Kumruzzaman等[6]利用空心圆柱扭剪仪,以香港CDG(全风化花岗岩)重塑土样为研究对象也得到了相同的结论。

2.3中主应力对有效内摩擦角的影响

本文在试验过程中,孔压阀是与大气连通的,根据非饱和土的有效应力原理,作用于试样的应力均为有效应力。

根据摩尔库仑强度准则得到有效内摩擦角的表达式为

(6)

式中的应力均为采用破坏标准时的应力值。

为了更好地解释不同中主应力系数下的强度变化特性,选择采用破坏标准时的数据,有效内摩擦角φ'随中主应力系数b的变化规律如图5所示。

图5　有效内摩擦角φ′与中主应力系数b的关系Fig.5　Variation of φ′ with the intermediate principal stress coefficient b

由图5可见,随着中主应力系数b的增加,有效内摩擦角呈现增大的趋势,强度参数在b=0时最小,b=0.75时最大。与砂土强度参数随中主应力变化规律一致,三轴压缩(b=0)下所得的强度参数是下限值,三轴拉伸(b=1)和三轴压缩(b=0)状态下强度参数不同,三轴拉伸高于三轴压缩。

3　结　论

本文首次利用空心圆柱扭剪仪针对青藏高原地区典型黄土研究中主应力对击实黄土强度和变形特性的影响,得到了以下结论：

(1)在不同中主应力系数下,试样的广义剪应力-应变曲线发展模式基本相同,曲线差异不显著,剪切后期试样表现出显著的延性特性。

(2)中主应力对击实黄土的强度影响较大,归一化强度在b=0.25时最大,而b=0.5时最小。b从0到0.25时强度增加;当b=0.25时强度达到峰值,随着b的继续增加,强度迅速减小;当b=0.5时强度达到最小值,随着b的进一步增加,强度先增大后减小。

(3)随着中主应力系数b的增加,击实黄土的有效内摩擦角呈现增大的趋势,强度参数在b=0时最小,b=0.75时最大,b=1(三轴拉伸)高于b=0(三轴压缩)。

References)

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CHEN Wei,ZHANG Wu-yu,MA Yan-xia,et al.Triaxial Testing of the Compacted Loess Strength[J].China Earthquake Engineering Journal,2014,36(2):239-242.(in Chinese)

[2]陈伟,张吾渝,马艳霞,等.基于三轴试验压实黄土微观结构变化机制研究[J].地震工程学报,2014,36(3):753-758.

CHEN Wei,ZHANG Wu-yu,MA Yan-xia,et al.Mechanism of Changes in Microstructure of Compacted Loess Based on Triaxial Test[J].China Earthquake Engineering Journal,2014,36(3):753-758.(in Chinese)

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Effect of Intermediate Principal Stress on Strength and Deformation Characteristics of Compacted Loess

ZHANG Wu-yu1,CHEN Wei2,CHANG Li-jun1,JIE Yu-xin3,WANG Meng2,LUO Chuan-qing2

(1.School of Civil Engineering,Qinghai University,Xining 810016,Qinghai,China;2.Department of Geological Engineering,Qinghai University,Xining 810016,Qinghai,China;3.State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

To study the impact of intermediate principal stress on the strength and deformation behavior of compacted loess,a series of tests with the principal stress orientation angle fixed at 0°were carried out using a hollow cylinder apparatus (HCA).The impact of the intermediate principal stress coefficient b on the strength and deformation of compacted loess is discussed.Test results revealed that at different intermediate principal stress coefficients,the developed models of generalized shear stress-strain curves were basically the same.The generalized shear stress-strain curves were not significantly different and the specimens showed significant ductility during the late stages of shear.The intermediate principal stress significantly affected the strength of the compacted loess.The normalized maximum strength was at b=0.25 and the minimum at b=0.5.The strength increased with b from 0 to 0.25.The strength was at its peak when b=0.25,then decreased rapidly as b increased further.The minimum strength reached was when b=0.5,the strength first increased,then decreased as b increased further.With the increase in the intermediate principal stress coefficient,the effective internal friction angle of the compacted loess showed a tendency to increase.The strength parameter was at a minimum when b=0,a maximum when b=0.75,and was greater in b=1 (triaxial tension)than b=0 (triaxial compression).

coefficient of intermediate principal stress; compacted loess; stress and strain; strength; effective internal friction angle

2015-07-16

青海省科学技术厅应用基础研究计划(2015-ZJ-720；2012-Z-708)；清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室开放研究基金项目(sklhse-2014-D-03)；青海省高等学校地基与基础教研创新团队项目；青海大学教学名师培育计划项目

张吾渝(1969-)，女，教授，主要从事地基处理方面的教学与研究工作。E-mail:qdzwy@163.com。

TU435

A

1000-0844(2016)04-0554-04

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.04.0554