張文春 佟瑞向 上官云龍

(吉林建筑大學(xué) 測繪與勘查工程學(xué)院,長春 130118)

0 引言

多數(shù)學(xué)者認為，非飽和土是由固體、水、空氣和水氣分界面或收縮膜組成的四相體系[1].尹俊等[2]人從工程實際角度出發(fā)提出了非飽和土本構(gòu)模型的實用化路線并通過試驗得出應(yīng)力-應(yīng)變雙曲線模型.殷宗澤等[3]人認為用飽和度作非飽和土的變量更方便且更容易推廣.陳茜等[4]人通過加工硬化曲線的試驗參數(shù)和加工硬化曲線的割線模量分別與含水率的角度出發(fā)提出兩種不同的考慮含水率的應(yīng)力-應(yīng)變曲線方法.通過理論和實驗的驗證,楊代泉[5]提出非飽和土彈性應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)模型基本可以模擬非飽和土的主要變形.王斯海等[6]人通過分析含水率、顆粒級配及基質(zhì)吸力對抗剪強度的影響，得出非飽和土抗剪很大程度上取決于基質(zhì)吸力和吸應(yīng)力之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系.凌華等[7]人通過引入含水率，研究非飽和土的強度和應(yīng)力-含水率-應(yīng)變關(guān)系.馬田田等[8]人將SMP準則應(yīng)用到非飽和土耦合本構(gòu)模型中使其合理三維化，可有效將模型擴展至一般應(yīng)力狀態(tài).通過已有實驗數(shù)據(jù)的初步驗證，提出非飽和土本構(gòu)模型的合理性和適用性[9].

對非飽和土的研究，最重要是研究其應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征即本構(gòu)關(guān)系,但目前對非飽和土本構(gòu)關(guān)系的研究大多是通過基質(zhì)吸力開展的,忽略了土體圍壓對應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響,所獲本構(gòu)關(guān)系不足以指導(dǎo)實際工程.因此,本文擬基于基質(zhì)吸力并改變圍壓值展開研究,以期獲得更為符合實際的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.

1 實驗

1.1 實驗儀器

本實驗所用儀器GDS三軸儀由歐美大地研制,它由控制器(輸出及控制軸壓、圍壓、孔隙氣壓、孔隙水壓及溫度)、內(nèi)外壓力室及數(shù)據(jù)采集裝置(數(shù)據(jù)采集板、傳感器和電腦)等3大部分組成[10].

1.2 實驗樣本制作及實驗步驟

1.2.1 實驗樣本制作

本樣本取自長春某工程6m～6.8m深的原狀土，取出原狀土后用土樣筒盛裝并用白色布條封口，到實驗室后首先將白色布條揭下，然后慢慢打開土樣筒封口將手放在封口兩側(cè)慢慢晃動，最后將土樣從土樣筒中取出.取出土樣筒后用鋼絲鋸將原裝土的兩端切掉，剩下的土樣高出土樣飽和器2cm～3cm即可，然后將土樣放到分土器的正中心的位置后，用圓環(huán)從上往下快速切下將原狀土均勻分成三部分，取出一部分放到削土器的上下圓盤之間并保證圓盤全部在土樣中，然后用鋼絲鋸從上往下貼著削土器的側(cè)板快速切下，一邊切削一邊轉(zhuǎn)動，直到切削成滿足土樣飽和器的圓柱(高20cm，直徑38.1mm)，隨后將土樣飽和器擦拭干凈并涂上凡士林從削土器上取下削好的土樣安裝到土樣飽和器上，將做好的樣土用飽和器進行飽和.

1.2.2 實驗操作步驟

GDSLAB軟件調(diào)零→飽和陶土板→安裝試樣→安裝內(nèi)壓力室并防水密封→外壓力室安裝并注水→檢查壓力室密封→GDSLAB軟件參數(shù)及實驗段設(shè)置→壓力卸載→內(nèi)外壓力室拆除→取下試樣數(shù)據(jù)處理.本次實驗的實驗階段分為等吸力平衡、等吸力固結(jié)、等吸力剪切.

1.3 實驗方案

本實驗樣本為長春典型的老黏性土，試驗設(shè)計制備的圓柱土共6組,每組3個試樣,總共18個土樣.整個試驗將基質(zhì)吸力分為:0 kPa,50kPa,80 kPa,100kPa,150kPa,200kPa,并且每個基質(zhì)吸力還要設(shè)置不同圍壓.本實驗設(shè)置的圍壓分別為:100kPa,200kPa,300kPa.具體實驗方案見表1.

2 結(jié)果和分析

相同基質(zhì)吸力不同圍壓下應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖1～圖6.圖1～圖6的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖的變化趨勢基本一致,即前期曲線斜率比較大、后期曲線斜率較小,說明前期非飽和黏性土需較大的力，才能使土體產(chǎn)生應(yīng)變，后期在相同壓力下土體的應(yīng)變增加,此現(xiàn)象與飽和黏性土應(yīng)力-應(yīng)變曲線反映的現(xiàn)象一致.由圖1～圖6不僅可以發(fā)現(xiàn)，在不同基質(zhì)吸力但一定圍壓下，達到相同應(yīng)變所需偏應(yīng)力隨基質(zhì)吸力的增加而增加，還可以發(fā)現(xiàn)，在相同基質(zhì)吸力條件下,達到相同應(yīng)變圍壓100kPa～300kPa所需應(yīng)力是不斷增加的.此外，圖1～圖6中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有明顯峰值且峰值隨應(yīng)變增加不斷增長.

圖2 基質(zhì)吸力(ua-uw)=50kPa下應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of matrix suction (ua-uw)=50kPa

圖3 基質(zhì)吸力(ua-uw)=80kPa下應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of matrix suction (ua-uw)=80kPa

圖4 基質(zhì)吸力(ua-uw)=100kPa下應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of matrix suction (ua-uw)=100kPa

圖5 基質(zhì)吸力(ua-uw)=150kPa下應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of matrix suction (ua-uw)=150kPa

圖6 基質(zhì)吸力(ua-uw)=200kPa下應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves of matrix suction (ua-uw)=200kPa

3 結(jié)論

(1) 非飽和黏性土應(yīng)力-應(yīng)變曲線的增長趨勢與飽和土應(yīng)力-應(yīng)變曲線一致,前期由于需要克服一些摩擦和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的阻力需要較大的應(yīng)力才可以使其產(chǎn)生應(yīng)變.

(2) 不同基質(zhì)吸力但一定圍壓下隨著基質(zhì)吸力的增加使土體的強度增加,這說明基質(zhì)吸力對土體的強度有較大影響，特別是非飽和黏性土.

(3) 圍壓的增加可以增加非飽和黏性土抵抗破壞的能力，并能使應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨勢更平緩.

(4) 非飽和土應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有峰值，這說明非飽和黏性土無明顯破壞面，破壞時呈鼓狀性且呈現(xiàn)硬化現(xiàn)象.