邵生俊 ，陳 菲 ，代亞鋒 ，陸 嫄

（1.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所，陜西 西安 710048；2.西安理工大學(xué) 陜西省黃土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048）

1 引 言

黃土是一種典型的結(jié)構(gòu)性土。是其物質(zhì)在沉積歷史過(guò)程形成的綜合產(chǎn)物，決定著黃土的力學(xué)特性[1]。黃土結(jié)構(gòu)易遭受浸水、荷載、擾動(dòng)作用而破壞[2]，將顯著地改變土粒骨架的組構(gòu)和粒間聯(lián)結(jié)效應(yīng)，弱化其強(qiáng)度性質(zhì)。保持黃土原狀結(jié)構(gòu)時(shí)，其結(jié)構(gòu)具有較大的抗剪切和抗壓縮性質(zhì)。實(shí)際工程中，如黃土邊坡、黃土隧道圍巖等，土體剪切帶變形的發(fā)展和強(qiáng)度破壞導(dǎo)致邊坡變形和拱頂土層沉降，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡的滑坡和隧道的塌方等。

本次利用西安理工大學(xué)真三軸儀，對(duì)西安白鹿原黃土不同圍壓，不同中間主應(yīng)力下強(qiáng)度變形特性、剪切帶的形成以及剪切帶的形態(tài)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，探究結(jié)構(gòu)性黃土在真三軸應(yīng)力狀態(tài)下的剪切帶特性，試圖揭示結(jié)構(gòu)性黃土剪切帶形成的原因，為揭示黃土工程破壞機(jī)制提供理論基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)用土和試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)用土取自西安東郊白鹿原一個(gè)邊坡，取土深度為8～10 m。取樣之前到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘察，觀察土的均勻程度和孔隙分布特征，并采集樣本進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，判斷土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)，選取符合要求采樣點(diǎn)。采樣點(diǎn)盡量避開(kāi)碎石、鈣質(zhì)結(jié)核、蟻穴、樹(shù)根等影響，并考慮邊坡土的卸荷效應(yīng)，保持天然含水率及原狀黃土的結(jié)構(gòu)及其各向異性?，F(xiàn)場(chǎng)采取成土塊，標(biāo)注沉積方向及走向方向，并用黑色塑料薄膜包裹密封，避免水分喪失。密封包裝外注明所取土樣的地點(diǎn)和序號(hào)，描述土性，裝箱小心搬運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室。原狀黃土的基本物性指標(biāo)的測(cè)定見(jiàn)表1。

表1 白鹿原黃土的主要物性指標(biāo)Table 1 Physical character indices of loess of Bailuyuan

本次試驗(yàn)使用了西安理工大學(xué)自主研制的XGT-3 新型真三軸儀，是在XGT-1 型真三軸儀[3]基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成化處理，壓力室內(nèi)兩個(gè)方向柔性囊之間隔板的徑向伸縮和環(huán)向轉(zhuǎn)動(dòng)的改進(jìn)而開(kāi)發(fā)的。

2.2 試驗(yàn)方案

考慮到原狀黃土的原生各向異性，進(jìn)行真三軸試驗(yàn)時(shí)加載方向都是按照沉積的方向進(jìn)行的。本次試驗(yàn)對(duì)西安白鹿原原狀黃土的進(jìn)行了4 個(gè)圍壓、7個(gè)b 值的等σ3等b 試驗(yàn)，其中σ3=50、100、200、300 kPa，b 值為0、0.2、0.4、0.5、0.6、0.8、1.0。試驗(yàn)中在大主應(yīng)力σ1方向采用等應(yīng)變速率加載，加載速率為0.05 mm/min，直到試樣破壞，破壞標(biāo)準(zhǔn)取軸向ε1達(dá)到12%作為破壞應(yīng)變，可以測(cè)試得到土樣在不同圍壓、不同中主應(yīng)力參數(shù)b 條件下剪切破壞時(shí)3 個(gè)主應(yīng)力及3 個(gè)主應(yīng)變。

3 黃土的真三軸剪切特性分析

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

依據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中采集的主應(yīng)力狀態(tài)和主應(yīng)變狀態(tài)，得到廣義剪應(yīng)力q 與平均球應(yīng)力p 比值、體積應(yīng)變 εv、中主應(yīng)變 ε2隨大主應(yīng)變 ε1的變化規(guī)律。

圖1為天然含水率原狀黃土不同圍壓及中主應(yīng)力參數(shù)的q/p-εs的關(guān)系曲線。在較小圍壓和b 值條件 下，結(jié)構(gòu)性黃土出現(xiàn)了應(yīng)變軟化的現(xiàn)象。較小圍壓使得在加荷過(guò)程中黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度突然喪失使得應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線均出現(xiàn)了軟化的現(xiàn)象；較大圍壓作用下固結(jié)作用破壞了土的結(jié)構(gòu)，則表現(xiàn)為硬化的特性。b 值較大時(shí)，加載過(guò)程土承受的中主應(yīng)力增長(zhǎng)較大，中、小主應(yīng)力作用平面內(nèi)的剪切作用突出，平均球應(yīng)力增長(zhǎng)的壓縮作用增強(qiáng)，使得真三軸壓縮過(guò)程中黃土的原生結(jié)構(gòu)破壞迅速，伴隨著次生結(jié)構(gòu)的形成，且次生結(jié)構(gòu)生成的速率大于原生結(jié)構(gòu)的損傷速率，表現(xiàn)為相同平均球應(yīng)力時(shí)土的強(qiáng)度較小b值的強(qiáng)度小。隨著圍壓增大，q/p-εs關(guān)系曲線反映的硬化性更加顯著。

圖1 原狀黃土不同圍壓下 q/p-εs關(guān)系曲線Fig.1 Relationships of q/p-εs of undisturbed loess with different confined pressures

圖2為原狀黃土不同圍壓及中主應(yīng)力參數(shù)b 的ε2-ε1關(guān)系曲線。當(dāng)b=0時(shí)，中、小主應(yīng)力均為圍壓保持不變，試樣產(chǎn)生側(cè)脹變形，即 ε2為負(fù)；當(dāng)b=0.2～1 時(shí)，真三軸壓縮過(guò)程的中主應(yīng)力隨大主應(yīng)力而增大，中主應(yīng)力作用方向產(chǎn)生了壓縮變形，即 ε2為正。與應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線變化不同的是，不同圍壓下 ε2的變化趨勢(shì)比較統(tǒng)一，ε2-ε1關(guān)系曲線都出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此后 ε2隨 ε1的變化趨緩。ε2-ε1關(guān)系曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)說(shuō)明土的剪切變形性質(zhì)產(chǎn)生了顯著的變化，出現(xiàn)了應(yīng)變局部化的剪切帶，改變了土的剪切性狀。但是，剪切帶的出現(xiàn)，并不一定代表出現(xiàn)了剪切強(qiáng)度峰值點(diǎn)。在較小圍壓或者b值時(shí)，強(qiáng)度峰值和 ε2的轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在土不同變形狀態(tài)，且差異較大。

圖2 原狀黃土中主應(yīng)變?chǔ)?與軸向應(yīng)變?chǔ)? 的關(guān)系Fig.2 Relationships between principal strains vs.axial strain of undisturbed loess

圖3為不同圍壓、不同中主應(yīng)力參數(shù)b 條件下原狀黃土的體應(yīng)變?chǔ)舦與軸向應(yīng)變?chǔ)?關(guān)系曲線。從圖中可知，σ3=50 kPa 時(shí)εv隨著 ε1增大而先增大后減小，出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；σ3=100 kPa，εv-ε1關(guān)系曲線近似呈雙曲線；σ3=200、300 kPa 圍壓的規(guī)律基本一致。在較大固結(jié)圍壓作用下 εv在真三軸壓縮中呈壓縮體應(yīng)變逐漸增長(zhǎng)的發(fā)展規(guī)律；εv-ε1關(guān)系曲線形態(tài)總體上都有轉(zhuǎn)折點(diǎn)的存在，這主要是剪切帶形成后剪切變形局部化發(fā)展的結(jié)果。真三軸壓縮初始，土單元均勻變形，均勻承擔(dān)附加作用荷載，隨著剪切變形發(fā)展逐漸演變?yōu)閼?yīng)變局部化剪切帶，土單元的細(xì)觀結(jié)構(gòu)體非均勻承擔(dān)荷載，εv的變化趨向一個(gè)細(xì)觀尺度結(jié)構(gòu)體的體積變形。文中沒(méi)有給出b=1.0 的試驗(yàn)結(jié)果，只是由于固結(jié)圍壓較大時(shí)，σ2主應(yīng)力增長(zhǎng)較大，真三軸壓縮初始試樣即產(chǎn)生較大的壓縮變形，易產(chǎn)生中、小主應(yīng)力平面內(nèi)的剪切破壞，沒(méi)有得到完整地變形測(cè)試結(jié)果。

圖3 原狀黃土體應(yīng)變?chǔ)舦與軸向應(yīng)變?chǔ)?之間的關(guān)系Fig.3 Relationships between principal strain vs.axial strain of undisturbed loess

Lade[4－7]在改進(jìn)的三軸儀器上對(duì)圣塔莫尼卡海灘砂等進(jìn)行了小圍壓條件下3 個(gè)相對(duì)密度的試驗(yàn)，研究了不同中間主應(yīng)力條件下破壞時(shí)剪切帶的效應(yīng)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，砂土應(yīng)力比 σ1/σ3-ε1的關(guān)系曲線的峰值點(diǎn)和中間主應(yīng)變 ε2-ε1關(guān)系曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)幾乎是同時(shí)發(fā)生的，與本文得到的試驗(yàn)結(jié)果相似。然而，不同的是圍壓較大時(shí)，結(jié)構(gòu)性黃土的q/p-εs曲線表現(xiàn)為硬化型曲線，沒(méi)有上述的規(guī)律性。盡管如此，在真三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)束后，大部分試樣都出現(xiàn)了明顯的剪切帶，說(shuō)明黃土硬化機(jī)制條件下也伴隨著產(chǎn)生應(yīng)變局部化剪切帶。不同圍壓和等中主應(yīng)力參數(shù)b 值條件下，ε2、εv的曲線形態(tài)出現(xiàn)了一個(gè)共同的特征點(diǎn)，即壓縮變形發(fā)展變緩的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，剪切過(guò)程中試樣變形性狀發(fā)生了變化，由原結(jié)構(gòu)逐漸損傷后持續(xù)的壓縮塑性變形轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變局部化剪切帶產(chǎn)生和發(fā)展，即原生結(jié)構(gòu)損傷過(guò)程以及次生結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程。

3.2 破壞應(yīng)力狀態(tài)與破壞應(yīng)變狀態(tài)

從圖4 中可以看出，相同圍壓作用下破壞應(yīng)力比ηf隨著中主應(yīng)力參數(shù)b 的增大而減小。當(dāng)b 值較小 時(shí)，隨著b 的變化ηf變化較大；當(dāng)b 值較大時(shí)，隨著b 的變化ηf變化較小。相同的b 值條件下，ηf隨著 σ3的增大而減小，且b 值較小時(shí)，隨著σ3的增大，ηf隨 b 值的變化較為顯著。原狀黃土圍壓50 kPa 時(shí)破壞的最大軸向應(yīng)變 ε1max隨著b 值的增大先減小，后趨于穩(wěn)定；圍壓增大后并沒(méi)有出現(xiàn)相似的破壞大主應(yīng)變變化規(guī)律，說(shuō)明峰值強(qiáng)度不能描述剪切帶的產(chǎn)生，主要原因是較大圍壓限制了部分變形的發(fā)展。

圖4 不同圍壓下的 ηf-b關(guān)系曲線Fig.4 Relationships betweenηf and b with different confined pressures

本次的真三軸剪切試驗(yàn)是在一定圍壓條件下隨著大主應(yīng)力增大，控制中主應(yīng)力比值b為常數(shù)進(jìn)行的。剪切過(guò)程中試樣承受的平均球應(yīng)力不斷增大，剪切破壞時(shí)可以得到對(duì)應(yīng)的平均球應(yīng)力和廣義剪應(yīng)力。不同圍壓作用下，控制相同的中主應(yīng)力比值，即可得到同一b 值條件下子午平面內(nèi)的強(qiáng)度破壞線，控制不同的中主應(yīng)力比值就可以得到子午平面內(nèi)一組強(qiáng)度破壞線，如圖5 所示。其反映了原狀黃土在子午平面下的規(guī)律特性，其變化規(guī)律可用線性擬合近似描述。相同平均球應(yīng)力條件下破壞時(shí)廣義剪應(yīng)力隨著中主應(yīng)力比值的增大而增大，即中主應(yīng)力的增加使得土樣破壞時(shí)相同球應(yīng)力的廣義剪應(yīng)力而減小；小圍壓作用下原狀黃土原生結(jié)構(gòu)中的黏聚力起主導(dǎo)作用，提高了黃土的抗剪強(qiáng)度；較大圍壓作用下，土的摩擦強(qiáng)度逐漸得到發(fā)揮，提高了壓損作用下次生結(jié)構(gòu)土的抗剪強(qiáng)度。同一平均球應(yīng)力（p=200、400、600 kPa）條件下土的廣義剪應(yīng)力強(qiáng)度隨中主應(yīng)力比值的變化如圖6 所示，π 平面上黃土的強(qiáng)度破壞線呈光滑的曲邊三角 形，極限線表現(xiàn)為明顯的非線性特性；隨著球應(yīng)力的增大，破壞面性狀相似，且不斷增大，反映了黃土原生結(jié)構(gòu)損傷顯著，次生結(jié)構(gòu)黃土的壓硬性顯著增強(qiáng)。與Mohr-Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則和-SMP強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則[8]描述的強(qiáng)度破壞線比較（圖6 中實(shí)線），π 平面上試驗(yàn)點(diǎn)更加接近-SMP 強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則，進(jìn)一步驗(yàn)證了-SMP 強(qiáng)度準(zhǔn)則的對(duì)結(jié)構(gòu)性黃土的適用性。

圖5 不同中間主應(yīng)力參數(shù)b 下的p-q 關(guān)系Fig.5 Relationships between of p-q with different b-values

圖6 不同球應(yīng)力下的π 平面上的破壞面Fig.6 Surface shapes onπ plane with different mean normal stress

3.3 真三軸應(yīng)力狀態(tài)下試樣的剪切帶形式

室內(nèi)土工抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)中，試樣的破壞模式與土樣的均勻性、邊界約束、加載速率、儀器加載軸向的偏心等因素有關(guān)，本文分析了上述原因后，在試樣的上、下端部涂抹凡士林，以便消除上下底板的摩擦作用。裝樣過(guò)程中，以壓力室底板中心為基準(zhǔn)，將試樣放入壓力室中央，使試樣能夠均勻受荷；加荷速率按照慢速剪切速率，使得變形的發(fā)展能夠充分[9]。從圖7 的中主應(yīng)力方向正交側(cè)面試樣的破壞模式（試樣尺寸為70 mm×70 mm×70 mm）可以看出，不同應(yīng)力條件下試樣的破壞模式比較復(fù)雜，主要分為四種類型，（1）單一剪切帶破壞模式：在ε2方向正交面上產(chǎn)生了一條傾斜裂縫，并沿ε3方向正交面?zhèn)认驍D出。（2）錐型剪切帶破壞模式：由試樣的上邊界下側(cè)面產(chǎn)生兩條斜裂縫，形成V 型破裂面；下邊界端部形成錐形體，刺入上邊界面下V 型裂縫內(nèi)。（3）X 型剪切帶破壞模式：試樣在ε2方向正交面上形成明顯的X 型剪切帶，b=0.4 的剪切帶較b=0.2 的更加明顯；隨著b 值增 大，破壞形式由錐形破壞模式逐漸過(guò)渡X 型剪切帶破壞模式。（4）單一傾向多剪切帶破壞模式：隨著b 值增大，試樣破壞時(shí)產(chǎn)生多條單一傾向剪切帶裂隙，出現(xiàn)了整體被壓碎的狀況。

圖7 原狀黃土試樣不同b 值的破壞模式Fig.7 Failure mode of undisturbed loess sample with different b-values

綜上可見(jiàn)，絕大多數(shù)試樣都出現(xiàn)了明顯的剪切帶，與中主應(yīng)力作用面正交，破壞模式變化比較復(fù)雜。上述剪切帶形成的原因可歸結(jié)為三方面：（1）黃土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)可能為架空結(jié)構(gòu)、鑲嵌膠結(jié)式結(jié)構(gòu)等，豎向裂隙或大空隙發(fā)育，使得黃土土粒骨架結(jié)構(gòu)分布極為不均勻，具有原生的各向異性。黃土的特殊沉積作用及其形成的物質(zhì)結(jié)構(gòu)是其剪切帶產(chǎn)生、發(fā)展的內(nèi)因。（2）原狀試樣制備的過(guò)程中的擾動(dòng)、以及加載邊界條件的變化是剪切帶形成的外部條件。原狀黃土的在切削過(guò)程中或多或少的擾動(dòng)了土的結(jié)構(gòu)；長(zhǎng)方體試樣 上、下斷面剛性加載板的約束作用，試樣側(cè)面柔性液壓囊之間的隔離板對(duì)側(cè)棱邊的彈性約束作用，形成了特定的邊界條件。本次試驗(yàn)中采用的一定圍壓條件下等中主應(yīng)力比值的試驗(yàn)應(yīng)力路徑，此加載邊界與剪切帶發(fā)展有著密切的關(guān)系。（3）在外部受荷的條件下天然黃土的結(jié)構(gòu)性的固化聯(lián)結(jié)鍵遭到破壞，使得土的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了顯著的變化。強(qiáng)度出現(xiàn)弱化必然伴隨著應(yīng)變局部化的變形。原來(lái)定向排列的顆粒因剪應(yīng)力的作用將會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)，黃土剪切帶的形成是局部化原生結(jié)構(gòu)損傷和次生結(jié)構(gòu)愈合綜合作用的結(jié)果。

4 結(jié) 論

（1）不同圍壓等中主應(yīng)力比值應(yīng)力路徑下，結(jié)構(gòu)性黃土試樣大部分都形成了剪切帶，中主應(yīng)變和體應(yīng)變隨大主應(yīng)變的關(guān)系曲線都出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，真三軸壓縮剪切過(guò)程土的變形性狀發(fā)生了變化，與應(yīng)變局部化剪切帶的產(chǎn)生有密切的聯(lián)系?？辜魪?qiáng)度峰值可能出現(xiàn)在應(yīng)變軟化機(jī)制中，也可能出現(xiàn)在應(yīng)變硬化機(jī)制中。圍壓較小時(shí)，壓縮作用未導(dǎo)致原狀黃土的結(jié)構(gòu)發(fā)生破損，剪切過(guò)程應(yīng)變局部化導(dǎo)致剪切帶產(chǎn)生，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線呈軟化型；圍壓較大時(shí)，壓縮作用已引起原狀黃土結(jié)構(gòu)發(fā)生破損，但剪切過(guò)程應(yīng)變局部化導(dǎo)致剪切帶進(jìn)一步發(fā)展及次生結(jié)構(gòu)形成，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈硬化型。變形曲線上出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)能夠揭示剪切帶的發(fā)生，黃土的軟化特性和應(yīng)變局部化沒(méi)有必然的聯(lián)系。

（2）真三軸應(yīng)力條件下黃土破壞比ηf隨著b 值的增大而減小，子午破壞線極限平面內(nèi)近似為線性，π 極限平面上呈非線性曲邊三角形。

（3）真三軸應(yīng)力條件下黃土的剪切帶模式主要為單一傾斜剪切帶破壞模式、錐形剪切帶破壞模式、X 型剪切帶破壞模式，單一傾向多剪切帶破壞模式。原狀黃土產(chǎn)生多種剪切帶破壞模式的根本原因在于土骨架結(jié)構(gòu)中豎向裂隙、空隙發(fā)育、原生各向異性和欠壓密性狀內(nèi)因，以及復(fù)雜應(yīng)力條件外因的共同作用。

[1]劉祖典.黃土力學(xué)與工程[M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,1997.

[2]謝定義.論我國(guó)黃土力學(xué)研究中的若干新趨向[J].巖土工程學(xué)報(bào),2001,23(1):3－13.XIE Ding-yi.Exploration of some new tendencies in research of loesssoil mechanics[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2001,23(1):3－13.

[3]邵生俊,羅愛(ài)忠,鄧國(guó)華,等.一種新型真三軸儀的研制與開(kāi)發(fā)[J].巖土工程學(xué)報(bào),2009,31(8):1172－1179.SHAO Sheng-jun,LUO Ai-zhong,DENG Guo-hua.Development of a new true triaxial apparatus[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2009,31(8):1172－1179.

[4]LADE P V.Elasto-plastic stress-strain theory for cohesionless soil with curved yield surfaces[J].International Journal of Solids and Structures,1977,13:1019－1035.

[5]LADE P V,WANG Q.Analysis of shear banding in true triaxial tests on sand[J].Journal of Engineering Mechanics,ASCE,2001,127(8):762－768.

[6]ABELEV A V,LADE P V.Effects of cross-anisotropy on three-dimensional behavior of sand.part I.Stress-strain behavior and shear banding[J].Journal of Engineering Mechanics,ASCE,2003,129(2):160－166.

[7]LADE P V,ABELEV A V.Effects of cross-anisotropy on three-dimensional behavior of sand.part II.Volume change behavior and failure[J].Journal of Engineering Mechanics,ASCE,2003,129(2):167－174.

[8]陳昌祿.真三軸條件下結(jié)構(gòu)性黃土的強(qiáng)度規(guī)律及強(qiáng)度準(zhǔn)則的適應(yīng)性分析[博士論文D].西安理工大學(xué),2011.

[9]于清高,邵生俊,佘芳濤,等.真三軸條件下Q2黃土的破壞模式與強(qiáng)度特性研究[J].巖土力學(xué),2010,31(1):66－70.YU Qing-gao,SHAO Sheng-jun,SHE Fang-tao,et al.Research on failure modes and strength characteristics of Q2loess under true triaxial condition source[J].Rock and Soil Mechanics,2010,31(1):66－70.