孫永亮,劉增榮,李紅星

(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院,西安710055)

0 引言

影響土體變形的因素很多,包括顆粒組成、礦物成分,黏土顆粒及可溶鹽分含量、干密度、含水量、孔隙比等,其中含水量、干密度和孔隙比是3個(gè)重要因素[1],而且它們本身又可用擾動(dòng)度來(lái)統(tǒng)一表示,本文以西北地區(qū)黃土為例,通過(guò)不同既定影響因素下土樣在三軸試驗(yàn)下的研究,建立擾動(dòng)度的概念,旨在探討既定黃土抗剪強(qiáng)度的變化和擾動(dòng)度的關(guān)系。

1 擾動(dòng)度概念

據(jù)前人研究[2],擾動(dòng)度函數(shù)D與材料的塑性變形、初始條件、溫度以及含水量等有關(guān),可通過(guò)材料的相關(guān)參數(shù)來(lái)加以描述[3],如應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系、孔隙水壓力、有效應(yīng)力、孔隙比等,施工中以上因素相繼都有變化,因此將土中一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)、孔隙比、含水量及其應(yīng)力路徑作為施工擾動(dòng)評(píng)價(jià)的基本指標(biāo)。

2 試樣制備

試驗(yàn)在TSZ-6型臺(tái)式中壓三軸儀上進(jìn)行,試樣共8組,直徑 39.1 mm,高度 80.0 mm。通過(guò)將所采用的黏土風(fēng)干、碾碎、過(guò)篩后配制并選擇而得,其物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 土樣物理性質(zhì)指標(biāo)表

3 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)根據(jù)孔隙比分成8組,體積均為96 cm3,含水量各試樣分別在200 kPa和400 kPa2種圍壓之下進(jìn)行三軸固結(jié)不排水和固結(jié)排水試驗(yàn)。原則是每種土樣分別在兩中試驗(yàn)下至少進(jìn)行2次,若數(shù)據(jù)2次結(jié)果差別大于10%,則做第3個(gè)試樣,直到符合。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)數(shù)據(jù)的分析整理,不同孔隙比的重塑圖樣在最大軸壓σ3=200 kPa及最大軸壓σ3=400 kPa圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系隨應(yīng)力增加應(yīng)變的增加越來(lái)越少,圖形接近于開(kāi)口向上,以y軸正半軸為對(duì)稱(chēng)軸的拋物線的右半部分。破壞時(shí)的最大軸力與孔隙比關(guān)系在200 kPa和400 kPa圖像形狀類(lèi)似,這里僅以最大軸壓為400 kPa圖形列舉如圖1所示。

圖1 體變與孔隙比關(guān)系圖

土樣在200 kPa和400 kPa圍壓下的體變圖形形狀類(lèi)似,僅舉圍壓200 kPa時(shí)圖形如圖2所示。

圖2 體變與孔隙比關(guān)系圖

隨孔隙比變化而土樣破壞的孔隙水壓力在σ3=200 kPa和σ3=400 kPa時(shí)基本不變。

隨孔隙比不同,土樣破壞時(shí)最大主應(yīng)力無(wú)論在200 kPa還是在400 kPa規(guī)律清晰且圖線形狀也相同。由于孔隙水壓在2種圍壓下基本不變[4],所以破壞時(shí)土樣不同孔隙比下的最大有效主應(yīng)力圖和不同孔隙比下的圖線形狀也相同,僅豎標(biāo)位置不同。

土樣在不同孔隙比下抗剪切強(qiáng)度隨孔隙比增加而呈減小趨勢(shì),其關(guān)系如圖3所示:

圖3 土樣的抗剪強(qiáng)度與孔隙比關(guān)系圖

5 抗剪切強(qiáng)度隨擾動(dòng)度的變化規(guī)律

(1)定義擾動(dòng)度函數(shù)D為:

式中:M——土體的狀態(tài)函數(shù);

M0——土體的初始狀態(tài);

MC——土體的施工擾動(dòng)狀態(tài);

Mf——土體的最終破壞狀態(tài)破壞曲面的響應(yīng)。

式中:ΔP,Δ Q,ΔE,Δ W ——施工擾動(dòng)引起的壓力P﹑抗剪強(qiáng)度Q﹑孔隙比 E﹑含水量 W的增量。

Δpf,Δ qf,Δ ef,Δwf ——從初始狀態(tài)到破壞曲面的壓力p﹑抗剪強(qiáng)度q﹑孔隙比e﹑含水量w增量。

在系統(tǒng)分析法[5]中認(rèn)為各個(gè)因素發(fā)揮的作用并不相同,其影響程度用權(quán)[6]表示,且各影響因素之間可以是求和也可以是乘積關(guān)系[7]。

且A+B+C+D=1。這里若假定各評(píng)價(jià)元素對(duì)土體性質(zhì)影響作用均等,則有:

若忽略土體物理參數(shù)[3]的變化則:

(2)若假定4個(gè)影響因素作用均等[8],且僅考慮孔隙比一個(gè)參量的影響,以此來(lái)討論擾動(dòng)度,則可建立Q-e關(guān)系如下

式中:Q,Q0——分別為重塑后土體強(qiáng)度和原狀土體強(qiáng)度;

e0,e——分別為重塑后孔隙比和原狀孔隙比。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)在假定4個(gè)影響因素影響程度相同的情況下,重塑黃土的抗剪強(qiáng)度和擾動(dòng)度成很規(guī)律的反比變化,而擾動(dòng)度則可用孔隙比的前后變化來(lái)近似表示。

圖4 強(qiáng)度比值和孔隙比比值在重塑前后關(guān)系圖

(2)施工擾動(dòng)后土體的強(qiáng)度可近似用壓力、孔隙比、含水量的前后變化加以表示,為保證其強(qiáng)度不變,盡量保證土體的受力狀態(tài)、孔隙比和含水量保持不變,盡量保證基坑、地基土在施工中少受擾動(dòng),開(kāi)挖處理基坑時(shí)褥墊層的厚度必須滿(mǎn)足規(guī)范要求。

(3)施工中對(duì)于已擾動(dòng)土體的處理,可從3個(gè)影響因素著手,從強(qiáng)壓、擠密、不能允許地基浸水等方面著手處理和加固。

[1]謝定義,齊吉琳.土的結(jié)構(gòu)性及其定量化參數(shù)研究的新途徑[J].巖土工程學(xué)報(bào),1999,21(6):651-656.

[2]張孟喜.受擾動(dòng)土體的工程性質(zhì)研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),1999:31-33.

[3]楊位洸.地基及基礎(chǔ)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1998:5-10.

[4]殷宗澤,錢(qián)家歡.土工原理與計(jì)算[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,1996:70-72.

[5]謝定義,齊吉琳,朱元林.土的結(jié)構(gòu)性參數(shù)及其與變形—強(qiáng)度的關(guān)系[J].水利學(xué)報(bào),1999,10:1-6.

[6]徐永褔.土體施工擾動(dòng)特點(diǎn)的研究[A].中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)土力學(xué)及巖土工程學(xué)會(huì).中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)第八屆土力學(xué)與巖土工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1999.

[7]孫紅,趙錫宏,崔飛.橫觀各向同性土的彈性非線性損傷分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,1997,27(6):9-13.

[8]Desai C S,Toth J.Disturbed State Constitutive Modeling Based on Stress-strain and Nondestructive Behavior[J].International Journal of Solids Structures,1996,33(11):1 619-1 650.