真三轴试验条件下结构性黄土的屈服破坏变化规律

张喆 邵生俊 罗爱忠

摘 要：为了更好地探究结构性黄土屈服破坏动态过程规律，本文改进原真三轴仪压力室，提出了一种复合加载真三轴仪水平柔性加载向变形直接量测的方法，进行了原状黄土复杂应力条件下的真三轴试验研究。结果表明该变形量测方法合理可靠。同时，分析了结构性黄土在复杂应力条件下屈服破坏变化规律。

关键词：结构性黄土;屈服破坏;真三轴试验;强度规律

中图分类号：TU431 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）05-0137-04

Variation Law of Yield Failure of Structural Loess under True Triaxial Tests

Zhang Zhe1，2， Shao Shengjun2， Luo Aizhong2

（1. Shaanxi Polytechnic Institute， Xianyang 712000，China;

2. Institute of Geotechnical Engineering， Xi an University of Technology， Xi an 710048， China）

Abstract：In order to better explore the dynamic process law of yield failure of structural loess， this paper improves the original triaxial pressure chamber ， and proposes a method of direct measurement of the horizontal flexible loading to the deformation of the composite loading true triaxial apparatus. The results show that the method of deformation measurement is reasonably reliable. At the same time， the law of yield failuree of structural loess under complex stress conditions is analyzed.

Key words：structural loess; yield failure; true triaxial test; strength law

以往研究本构模型时，往往假定不同应变条件下土的屈服面相似，故直接研究土体强度破坏面，但天然土在沉积过程中都会形成一定程度的结构性[1]，且大量试验证明，土的结构性对土的力学行为特性具有较大影响沈珠江[3]认为，为了更好地模拟具有结构性土的真实强度与变形特性，人们应当从传统理论建立的弹塑性模型转向结构性模型研究[5-6]。土的结构性本构模型研究是21世纪土力学的核心问题[4]。而天然黄土作为一种结构性较强的土，应将其强度发挥视为一个动态变化过程[7]。

1 结构性黄土真三轴试验

1.1 试验仪器简介

西安理工大学岩土工程研究所独立研制的 XGT-1 真三轴仪采用的是刚柔复合加载的加载方式[8-10]。该仪器在轴向（σ1）采用刚性加载方式，在侧向（σ2、σ3） 采用柔性加载方式。原试样采用 70mm×70mm×70mm 的方样。但研究表明，该尺寸试样对于研究土的强度存在一定的试验误差，由于该真三轴仪器采用的是方样，而轴向加载采用刚性加载方式，这就使得试样剪切过程中在刚性加载方向的上下两个试样端面上存在较大的端部约束。在中主应力比 b=0 时，和常规三轴试验相比，真三轴试验结果偏大。试样破环面也因为此约束而呈现较多的破壞模式根据圣维南原理（ Saint-Venants Principle ）， 将 试 样 调 整 为70mm×70mm×140mm 长方体高样，增加轴向加载方向的试样高度，同时对压力室进行了改造，如图1所示。如此， 在试样剪切过程中很好的消除了端部约束对试验结果的影响[11]。

针对侧向柔性加载方式真三轴仪不能准确量测侧向变形的问题，在 XGT-1 真三轴仪压力室基础上，侧向增加了直接的侧向变形量测机构，该机构包括百分表、侧向位移量测导杆的连接装置、压力腔内液压囊密封装置如图1所示[12]。其工作原理：所述侧向位移量测导杆的连接装置包括可沿水平向自由移动，穿越压力室侧壁，且与试样侧壁面接触的侧向位移量测导杆的一端位于压力室外侧，另一端连接与试样侧壁面直接接触的内端板，这样百分表就会随时采集到连接导杆内端板随着试样侧壁的变形，即直接量测得到侧向变形。这种方法比之前通过伺服步进电机推动液压缸体积换算试样侧向变形的方法直接，准确度和可靠度更有保证。

1.2 试验方案

本次试验试样采取自陕西西安白鹿塬裸露剖面上的原状结构性黄土，经室内试验测定， 此原状黄土主要物理指标如表 1 所示。

由原状黄土制备了长方体高试样（70mm×70mm×140mm），进行了固结围压分别为 50 kPa、100kPa、200kPa、300kPa，中轴应力比 b 分别为 0、0.1、0.25、0.35、0.5、0.6、0.75、0.85、1.0 的排水剪切真三轴试验，共计 36 个试样。

1.3 试验结果分析

图2给出了该结构性黄土在真三轴试验条件下相同围压σ3c不同中主应力比b值的广义剪应力q与广义剪应变εs关系曲线（q～εs曲线）。

图3给出了该结构性黄土在真三轴试验条件下相同围压σ3c不同中主应力比 b 值的广义剪应力比q/p与广义剪应变 εs 关系曲线（q/p～εs 曲线）。

通过对比给出以下分析结论：除在小围压、小变形状态下出现交叉，曲线整体形态光滑，规律性较好。验证了该压力室改进后真三轴仪的可靠性。

2 结构性黄土的屈服破坏特性

图 4 给出了破坏广义剪应力与中主应力比的单对数关系曲线，可以看出破坏广义剪应力随着 b 值的增大呈近似斜率较小的直线递增趋势。随固结围压增大，该曲线整体上升，土体抵抗剪切破坏能力增强。

图 5 给出了破坏应力比与中主应力比关系曲线， 可以看出破坏应力比随着中主应力比的增大呈下降趋势，甚至于小于 1。由以上可看出中主应力的变化对广义剪应力的贡献要小于对球应力的，中主应力提高，会增强土体中土颗粒间的咬合摩擦作用，土压硬性能更好发挥，同时间接地抵抗剪切变形能力提高抗，却破坏了土颗粒间仅对抗剪切水平有利的胶结联接作用。

图6、图7、图8、图9分别给出了本次试验p-q平面强度破坏线、π平面的强度破坏线和不同应变相同球应力p=400kPa的屈服破坏线，且规律性较好。

图 7 可以看出在球应力较小时，即加荷初期，土体内部原生结构遭到破坏，次生结构开始形成，处于动态的内部调整阶段，土的力学性状较为不稳定，随着变形发展土体的压硬性占主导地位，压损性逐渐消失，内部调整基本完成，破坏强度整体上升趋于稳定， 宏观表现为试样整体变形。

图 8 可以看出随着球应力的增大，破坏面不断向外扩张，土体压硬性增强，同时可以很明显的发现试验破坏线随球应力增大由靠近 Mises 圆向靠近Mohr-columb 不等角六边形发展，且形状亦从类圆向不等角六边形过渡。直接反映了原生结构破坏，次生结构形成趋于稳定的动态变化过程。可近似理解为从符合 Mises 准则向 Mohr-columb 准则动态过渡，从符合较强结构性的原状黄土向扰动后的重塑黄土过渡。

图9可以看出即使相同球应力下应变发展不同，屈服面明显不同，且π平面上的屈服面随应变发展不断向外扩张，曲率逐渐变小，且应变较大时相似性越明显，土体结构的影响逐渐削弱。

3 结语

（1）通过改进原真三轴仪压力室，提出了一种复 合加载真三轴仪水平柔性加载向变形直接量测的方法， 在此基础上进行了原状黄土不同围压、不同应力路径 下的真三轴试验研究分析，得出以下结论：

通过对原真三轴压力室的改进，研制了直 接变形量测机构。与原间接方法比较，直接量测机构可避免柔性加载向压力传输尼龙管等受力变形及加压蒸馏水中进入空气等对中、小主应力方向变形测试结果的影响，使试验结果更加合理可靠。

（2）对于粘粒含量较高的黄土，在含水率较高时，结构性较弱，较小围压状态下，结构性遭到破坏， 在真三轴剪切过程中应力应变曲线基本呈硬化型。

（3）中主应力变化对球应力贡献较广义剪应力要高，中主应力提高，会增强土体中土颗粒间的咬合摩擦作用，土压硬性能更好发挥，同时间接地抵抗剪切变形能力提高抗，却破坏了土颗粒间仅对抗剪切水平有利的胶结联接作用。

（4）随着球应力的增大，破坏面不断向外扩张，土体压硬性增强，同时可以很明显的发现试验破坏线随球应力增大由靠近Mises圆向靠近Mohr-columb不等角六边形发展，且形状亦从类圆向不等角六边形过渡。实际为原生结构遭到破坏，次生结构开始形成，处于动态的内部调整阶段，土的力学性状较为不稳定。同时伴随土压硬性增强，压损性削弱。可近似理解为从符合Mises准则向Mohr-columb准则动态过渡，从符合较强结构性的原状黄土向扰动后的重塑黄土过渡。

参考文献

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