郝飛 陸云 楊健

中圖分類號(hào):TU41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1673-0992(2009)12-159-01

摘要:建過對直剪試驗(yàn)中土樣破壞面情況和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,提出了確定試樣破壞點(diǎn)的新方法,找到了莫爾—庫侖準(zhǔn)則中土壤的兩個(gè)強(qiáng)度參數(shù)隨干密度和含水量的變化規(guī)律,利用Excel對數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合,給出了具有較好相關(guān)性的擬合公式。

關(guān)鍵詞:直剪試驗(yàn);破壞點(diǎn);莫爾—庫侖準(zhǔn)則;強(qiáng)度參數(shù);非線性擬合

不同的壓實(shí)工況,土干密度和含水量是不同的。根據(jù)莫爾—庫侖準(zhǔn)則[1],有必要對土壤的兩個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)、隨干密度和含水量變化規(guī)律進(jìn)行研究。前人研究指出:粘土的值隨土壤的含水量增加而減少[2]。本文通過對長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室級(jí)配土(圖1)進(jìn)行直剪試驗(yàn)研究,尋求該級(jí)配下土的兩個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)隨干密度和含水量變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)原理與方法

莫爾—庫侖準(zhǔn)則剪應(yīng)力表達(dá)式[3](見圖2)

式中: —土的抗剪強(qiáng)度,;

—作用在剪切面上的法向應(yīng)力,;

—土的強(qiáng)度指標(biāo),摩擦角,°;

—土的強(qiáng)度指標(biāo),凝聚力, ;

根據(jù)準(zhǔn)則和直剪實(shí)驗(yàn)方法,制備同樣性質(zhì)土樣在不同的垂直荷載N1、N2、N3、N4作用下,得到不同的 利用線性回歸的辦法,作出回歸直線,可求得、兩個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)的數(shù)值。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與擬合

2.1破壞點(diǎn)的確定

在直剪實(shí)驗(yàn)中,剪切位移與剪應(yīng)力關(guān)系曲線可能出現(xiàn)三種形式(圖3),根據(jù)土工試驗(yàn)技術(shù)手冊:Ⅰ型曲線取峰值點(diǎn)a剪應(yīng)力作為破壞點(diǎn);Ⅱ型曲線取穩(wěn)定值點(diǎn)b為破壞點(diǎn);Ⅲ型曲線取剪切位移為4㎜的c點(diǎn)作為破壞點(diǎn)[4]。然而,在級(jí)配土直剪試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),除了出現(xiàn)Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型曲線外,還出現(xiàn)了如圖4所示的曲線形式。此曲線的規(guī)律是,當(dāng)剪切位移接近4時(shí),手輪轉(zhuǎn)動(dòng)1圈(或數(shù)圈)剪應(yīng)力卻沒有隨著剪切位移的增加而增加,即曲線上出現(xiàn)了一個(gè)平臺(tái);一般,在4附近會(huì)出現(xiàn)多個(gè)這樣的臺(tái)階;4之后,剪應(yīng)力隨剪切位移繼續(xù)增加。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程中發(fā)現(xiàn),取最后一個(gè)臺(tái)階終點(diǎn)對應(yīng)的剪切位移為破壞點(diǎn),數(shù)據(jù)具有較好的相關(guān)性,較固定地取4㎜點(diǎn)作為破壞點(diǎn)能更好地反映土體的破壞。為此,專門開展了相關(guān)的試驗(yàn)。在最后一個(gè)臺(tái)階終點(diǎn)處結(jié)束試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)試樣已經(jīng)具有明顯的剪切破壞面,如圖5所示。

2 某試樣剪切位移-剪應(yīng)力關(guān)系

2.2數(shù)據(jù)處理與擬合

根據(jù)土壤兩個(gè)強(qiáng)度參數(shù)隨干密度(含水量不變)和含水量(干密度不變)變化的關(guān)系可以得出以下結(jié)論:

2.2.2干密度固定不變,該級(jí)配土的摩擦角、凝聚力均隨著含水量的增大而減小;

2.2.2.1含水量固定不變,該級(jí)配土的摩擦角、凝聚力均隨著干密度的增大而增大。

通過對多組數(shù)據(jù)在Excel環(huán)境下進(jìn)行擬合,發(fā)現(xiàn)在干密度一定時(shí),用對數(shù)曲線擬合土的兩個(gè)強(qiáng)度參數(shù)隨含水量變化關(guān)系精度比較高;而在含水量一定,用指數(shù)曲線擬合土的兩個(gè)強(qiáng)度參數(shù)隨干密度變化關(guān)系精度比較高。故作如下假設(shè):

2.2.3對應(yīng)于每一個(gè)固定的干密度,該級(jí)配土兩個(gè)強(qiáng)度參數(shù)隨含水量按對數(shù)曲線(a<0)規(guī)律變化;

2.2.4對應(yīng)于每一個(gè)固定的含水量,該級(jí)配土兩個(gè)強(qiáng)度參數(shù)隨干密度按指數(shù)曲線規(guī)律變化。

表1曲線擬合殘差對比

對上述兩個(gè)假設(shè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,驗(yàn)證用土的基本參數(shù)為干密度、含水量。實(shí)驗(yàn)測定該土的摩擦角為;利用擬合曲線計(jì)算得其摩擦角為:。而凝聚力誤差較大,導(dǎo)致較大誤差的主要原因有:實(shí)驗(yàn)誤差、土的各向異性。

3 結(jié)語

通過對不同干密度和含水量組合下的土壤直剪試驗(yàn)研究,得出以下幾個(gè)結(jié)論:

1.對于Ⅲ型曲線,取剪切位移在3～4mm之間曲線上最后一個(gè)臺(tái)階終點(diǎn)對應(yīng)的剪切位移作為破壞點(diǎn)較固定地取4㎜點(diǎn)作為破壞點(diǎn)能更好地反映土體的破壞;

2.采用實(shí)驗(yàn)的方法,找到了土壤兩個(gè)強(qiáng)度基本參數(shù)與含水量和干密度之間的變化關(guān)系;

3.利用Excel擬合功能找到變化規(guī)律的擬合曲線,在以后的實(shí)驗(yàn)中只要每一個(gè)含水量(或干密度)做兩個(gè)點(diǎn)就可以知道其整個(gè)的變化規(guī)律。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙成剛、白冰、王運(yùn)霞,土力學(xué)原理,北京:清華大學(xué)出版社,2004

[2] 楊士敏、張鐵,工程機(jī)械地面力學(xué)與行駛理論,西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,2000

[3] 屈智炯,土的塑性力學(xué),成都:成都科技大學(xué)出版社,1987

[4] 南京水利科學(xué)研究院土工研究所,土工試驗(yàn)技術(shù)手冊,北京:人民交通出版社,2003

作者簡介:郝飛,男,1982年出生,江蘇濱海人,工學(xué)碩士,助理實(shí)驗(yàn)師,研究方向:振動(dòng)壓實(shí)土壤應(yīng)力分布、機(jī)電一體化技術(shù)。