剪切原状黄土结构研讨

时间:2022-10-27 11:03:48

剪切原状黄土结构研讨

引言

土的结构性问题被认为是“21世纪土力学的核心问题”[1]。但由于在结构性定量化究方面面临巨大的困难,土结构性影响一直只能隐含在土性参数之中,而由微观形态学和化学分析等结果对土规律的变化做出一些定性的解释距解决工程实际问题的要求相距甚远。谢定义、邵生俊、骆亚生等人[2-6]认为研究土结构及其应用最好的方法仍然是土力学方法,利用这种方法可将土结构的颗粒排列特征和连接特征结合起来,从而判断结构性的强弱。谢定义等[2]以侧限压缩变形构造了一个反应土结构性的定量化参数-综合结构势mp。但是,压缩试验受侧限变形的局限性,不能反应剪切变形的发展对结构性的影响,且是人工制备的土,与原状黄土有实质的区别。邵生俊等[3,4]克服以上结构性参数的不足,利用三轴剪切试验,依据原状、重塑和饱和原状黄土的应力应变曲线,以剪切过程中的主应力差(σ1-σ3)为基础,提出了更合理的综合结构势参数mσ。在分析了大量试验数据的基础上,证明了该结构性参数的合理性、稳定性,但求取此参数的过程比较麻烦。本文在此结构性参数的基础上,依据郭靖[7]的转化思想,引入邓肯-张双曲线模型[8],对此结构性参数进行改造,力求简化结构性参数的求取方法,并以此改造的参数为基础,进一步探讨不同应力水平和不同含水率下原状黄土的结构性规律。

1土结构性参数的转化

大量黄土静力试验资料表明:黄土在静荷载作用下的应力-应变关系曲线呈双曲线型,表现为非线性特性,可用邓肯-张双曲线模型[8]描述:在某一试验条件下,原状黄土、重塑黄土和原状饱和黄土的主应力差-主应变关系曲线及ε1/(σ1-σ3)~ε1关系曲线如图1、2所示。ε1/(σ1-σ3)~ε1关系曲线线性回归的参数见表1。从表可以看出:本文试验结果与邓肯-张双曲线模型预测的结果吻合较好。新的公式在求取结构性参数时,可以直接代入邓肯-张模型的试验参数。这样简化了结构性参数的求取方法,避免了人工插值求参数的繁琐和不准确性,而且克服了该公式在初始应变ε1=0和破坏应变ε1=15%时没有意义的缺点,有助于更好的分析结构性参数的变化。故新的结构性参数公式使结构性参数的求取效率大为提高,同时合理的联系了土应力-应变相关参数,物理意义也更加明确。本文以改进的结构性参数为基础,来探讨围压和含水率对黄土结构性的影响。

2试验方案与方法

土的结构性反映了土颗粒空间排列和粒间连接作用的力学效应,通过扰动、加荷、浸水饱和,可改变原状黄土的颗粒排列和粒间连接特征,使原状黄土的结构势释放出来。试验方案是:分别对3组不同初始含水率的原状样及相应的重塑样和饱和原状样进行不同围压σ3下的加载试验,围压σ3分别取为100、200、300kPa,初始含水率分别取12%、19%、26%,从而反映围压和含水率对结构性的影响。不同初始含水率的原状黄土试样采用风干和滴水的方法制备,并在保湿缸中放置24h以上,使水分布均匀。重塑样按压样法分4层匀速缓慢压制而成。饱和样通过抽气饱和,并于无汽水中静置24h,测定其饱和度≥95%。试验所选土样取自杨凌黄土,试验采用三轴剪切仪,固结不排水剪(CU)方法试验,土样主要物理力学指标如表2所示。

3试验结果分析

3.1围压σ3对原状黄土结构性的影响由图3可以看出,随着围压的增大,结构性参数总体呈减小的趋势,即在同一含水率下,固结压力越大,结构性参数越小。σ3较小时,围压作用对原状黄土的结构性破坏较弱,黄土有较大的结构强度;σ3增大时,原状黄土的结构性在固结时就遭到破坏,结构强度降低。结构性参数曲线随应变增长分为下降和相对平缓两个阶段,结构性参数在小变形下由于土体初始结构损伤,有一个较为明显的降低过程,之后由于土体的愈合,次生结构逐渐形成,可变性减小而可稳性增强,其结构参数达到一个较为稳定的水平。这表明在土体结构变形过程中土体结构的初始损伤对结构性的影响较大,它为土体结构变化的主要部分。所以,在低应变下,围压对黄土结构性的影响很强烈,随着围压的增加,原状黄土的结构性会骤然的降低,原生结构在低应变时迅速遭到破坏。在变形不断增大的过程中,原状土体内部颗粒排列和胶结结构不断发生调整,黄土在围压的挤密作用下逐渐形成一定的次生结构。这时,原生结构强度减小而次生结构强度慢慢增加,土体结构的愈合呈现出主导作用,土体次生结构形成抑制了结构损伤因素对土结构性的继续削弱,使得结构性参数随应变的发展趋于一稳定值。由图3可以看出在σ3=100kPa和σ3=200kPa下,随着应变的发展,结构性参数都大于1,表明结构性没有完全破坏;但在高围压下如σ3=300kPa,结构性参数在高含水率如26%时小于1,表明结构性在高围压下固结时就遭到破坏。随后,在剪切过程中结构性参数呈缓慢单调上升的趋势,这也表明破坏后的原状黄土正在逐渐形成与重塑黄土一致的次生结构。

3.2含水率对原状黄土结构性的影响图4为原状黄土在相同围压不同初始含水率条件下的结构性参数变化曲线。在黄土工程中,含水率一般被认为是一种广义力,因此含水率对黄土结构性的影响规律与围压对其的影响规律相似,即随着含水率的增大黄土的结构性参数值变小。由图可以看出,此曲线随着应变的增大分为下降和平缓两个阶段,结构性参数随着含水率的改变而发生变化。含水率越低,黄土的可稳性越强,同一围压下的结构性参数值也越大,尤其是在含水率为12%时,结构性参数值在较小的应变下明显高于含水率为19%和26%时的相应值,并且含水率越低,曲线的下降段越陡,这说明对于原状黄土,当初始含水率较低时,含水率对黄土结构性的影响很强烈,含水率的少量增加即可导致土结构性的骤然降低。随着含水率的增大,土体中的孔隙越来越多被水填充,土粒和团粒内部接触点的水膜增厚,土中可溶盐进一步溶解,颗粒间的排列特征发生变化,次生胶结减弱,结构强度变小,原状黄土的结构性已得到有效破坏,可变性增强。这时,随着应变的增大,结构性参数对含水率变化的敏感性已大大降低,结构性参数趋于稳定,次生结构开始形成。同时由图4可知,含水率对黄土结构性的影响程度还与围压对结构性的影响密切相关,围压低时,压力对结构性的破坏较小,此时原状黄土的结构性变化主要由含水率的改变引起。随着围压的增大,围压对黄土结构性的破坏逐渐加强,这时原状黄土的结构性变化同时受到含水率和围压的共同作用的影响。所以,随着围压的增大,不同含水率下的结构性参数值变化越来越大。

3.3引入结构性参数的应力应变曲线原状黄土的三轴剪切试验结果如图5,从该曲线可以看出,Q3黄土质地疏松,孔隙发育,其结构性明显,应力应变曲线没有明显的峰值点,呈弱硬化性曲线。曲线分为两段:第一阶段,结构完好状态下的近似弹性变形,曲线斜率较大,呈单调上升趋势。这说明在初始围压小于结构强度时,初始围压一定程度上的增加,就会使得土颗粒原有的不稳定性被大大消减,土体颗粒被挤密,土的强度和稳定性都有明显的提高,所以破坏时所需的应力就越大。第二阶段,曲线呈大致水平的趋势,斜率不断变小,轴向应变发展,但应力水平不再增大,表明原生结构完全破坏,土体颗粒产生滑移,土体结构性基本丧失。并且,在同一围压和同一应变情况下,原状黄土在不同含水率时其主应力差也不一样:含水率越低,土体结构性越强,主应力差越大;含水率越高,土体结构性遭到破坏,主应力差越小。可见,围压对黄土结构性的影响与含水率密切相关,原状黄土表现出来的应力应变规律是初始围压和含水率共同作用影响的结果。原状黄土的2段式应力应变曲线很难用数学函数来描述,也很难从力学方面建立本构关系模型,应用很不方便。因此在应力应变关系中引入结构性参数mσ,建立(σ1-σ3)y/mσ与ε1的关系曲线后,它们的变化规律如图6所示。由图可见,原来的2段式应变曲线变为现在的单调上升的曲线,与正常固结的土的应力应变曲线形态一致,并且同一应力水平下被结构性参数修正后的曲线大致在一个带里,这一规律说明结构性参数对原状黄土的变形曲线有较好的归一化作用。这种结构性变形曲线可以综合反映含水率和应力水平对黄土结构性的影响,同时也表明这种改进的土结构性参数具有综合反映影响结构性多种因素作用的能力,表现了它的合理性和可靠性。

4讨论

从以上讨论可知,原状黄土具有很强的结构性和结构强度,如有较高的抗剪能力,其力学特性与正常固结土和重塑土有显著的差别,这样以往人们基于非结构性土建立起来的强度、变形等理论就对结构性土不适用了。所以,建立反映黄土结构性的定量化指标,使其能全面反映土颗粒的排列和连接特征的力学效应,将会为分析实际工程问题开辟新的途径。例如:在降雨作用下,黄土地区的边坡失稳是由于土体强度减小引起,而土体强度的减小从根本上说是由土体结构的破坏引起,这样从结构性变化来分析边坡的稳定就具有可行性。因此,要从根本上解决黄土工程问题也必将以黄土结构性研究来突破。

5结语

(1)本文以三轴剪切试验为基础,利用邓肯-张双曲线模型对邵生俊提出的结构性参数进行转化,直接建立了应变与结构参数之间的关系,避免了插值求参数的繁琐和不准确性,简化了其求取过程,并解决了一般结构性参数在初始应变ε1=0和破坏应变ε1=15%没有意义的缺点。(2)利用转化后的结构性参数来分析围压和含水率对结构性的影响。可以看出,结构性与此二者的关系密切,土中的水使得土体颗粒间胶结变弱,导致原有结构性的破坏,围压使得土体挤密,但同时破坏了土体原有的结构性。所以,结构性参数随含水率和围压的增大而减小。(3)在原状黄土的应力应变曲线中引入改进的结构性参数mσ后,原来的弱硬化型曲线转变为单调上升的正常固结曲线,同一围压下的(σ1-σ3)y与ε1关系曲线大致在一个带里。这说明转化后的结构性参数对原状黄土的应变曲线有较好的归一划作用,并表现出其较好的合理性和稳定性。

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