楊康康，柴壽喜，王 沛，嚴江勝，劉 琦

（1.天津城建大學，天津300384；2.天津市天泰建筑設計院，天津300000）

目前，對于土體力學參數(shù)的研究主要基于無側限壓縮和常規(guī)三軸試驗，這些試驗所施加的應力為單向壓縮及軸對稱應力狀態(tài)，而實際工程中土體受三向大小各異的應力狀態(tài)[1].而且，國內真三軸研究主要集中在砂土[2-3]、黃土及軟黏土.因此，采用真三軸儀開展不同圍壓和不同中主應力系數(shù)b條件下粉質黏土的土體力學性質的試驗對理論研究、工程設計具有重要意義.

Lade[4]、Nakai[5]、Hoyos[6]等開展了砂土、黏土及軟土的真三軸試驗，得出中主應力對土體強度及變形影響較大.李廣信[7]較早開展了真三軸試驗.許萍、張新濤等[8-15]得出：應力隨應變增大趨于平穩(wěn)，表現(xiàn)為應變硬化，隨中主應力系數(shù)b增大，峰值應力先增大后減小，峰值應力最大時的b值分別為0.5，0.75，0.8，1；相同b值時應力-應變曲線的初始斜率和峰值強度隨固結壓力增大而增大.邵生俊等[16-17]對黃土研究得出：圍壓和b值較小時表現(xiàn)為軟化，圍壓較大時則表現(xiàn)為硬化.

張新濤[9]研究得出：隨b值增大孔壓先增大后減小，而孫紅[13]認為，孔壓隨b值增加而增大.代金秋等[12-15]認為：強度參數(shù)隨b值和圍壓增加而增大.劉俊新[15]認為：內摩擦角隨b值增大先增加后減少，b=0.75時內摩擦角最大.毛浩燃、潘家軍等[10-15]研究認為：小主應變-大主應變曲線斜率隨b值而增大，b值越大小主應力面膨脹越大；中主應變有正負之分且隨b值增大由膨脹變?yōu)閴嚎s.其中，毛浩燃[10]得出：b=0.4時，ε2接近于0.劉俊新等[15-17]研究得出：試樣破壞形式有側脹、錐形、梯形和六邊形.

應力和孔壓隨應變增大而增大并趨于穩(wěn)定，曲線初始斜率隨b值增大，先增大后減小，峰值應力和峰值孔壓最大值時的b值不同.小主應變隨b值增加而增大，中主應變隨b值增大由膨脹變?yōu)閴嚎s.試樣破壞形式也有所不同.

本文對德州粉質黏土進行不同圍壓和不同中主應力系數(shù)條件下固結不排水剪切試驗，分析了真三軸應力狀態(tài)下粉質黏土應力和孔壓曲線變化規(guī)律、抗剪強度、主應變及試樣破壞.對不同圍壓和不同中主應力系數(shù)條件下粉質黏土的力學性質有了規(guī)律性的認識，為該地區(qū)工程設計提供參考.

1 真三軸試驗

1.1 試驗儀器

圖1 DZY-Z-2型真三軸試驗儀

大主應力σ1采用剛性板加載；中主應力σ2采用柔性水囊加載；小主應力σ3采用空氣壓縮加載.該儀器可實現(xiàn)3個方向應力σ1、σ2、σ3的分別單獨加載，互不干擾，實現(xiàn)三維應力空間中不同應力路徑的試驗要求.

1.2 試驗條件

（1）利用方形環(huán)刀將土樣切成120 mm×70 mm×70 mm的長方體試樣.

（2）將帶環(huán)刀的試樣兩端貼上濾紙，放入真空缸進行抽真空飽和.然后利用推土器將試樣推出，在試樣側面都貼兩條濾紙條，形成聯(lián)通的通道以便固結時充分排水.

（3）安裝好試樣，密封壓力室.先施加反壓為1 kPa的預壓，以保證固結時排出的水儀器能自動收集.再施加試驗方案所設定的圍壓，使試樣進行等向排水固結，直至排水量不再發(fā)生變化為止.

（4）固結完成后，關閉上下排水閥，按照試驗設定的加載數(shù)據(jù)對土樣進行等應變速率剪切.以應力出現(xiàn)峰值或軸向應變達到15%為試驗結束標準.實驗的加載方式為變形加載，實驗參數(shù)具體組合見表1.

表1 試驗控制條件

中主應力系數(shù)b是反映中主應力σ2大小的參數(shù)，加載過程中保持b值不變；在每次試驗中保持小主應力σ3大小不變；當大主應力σ1增加時，通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)σ2自動調節(jié)，使b值保持不變.

2 試驗結果分析

2.1 應力-應變與孔壓-應變

圖2分別代表不同圍壓條件下不同b值的應力-應變曲線與孔壓-應變曲線.

圖2 應力-應變與孔壓-應變曲線

（1）主應力差和孔壓隨剪切應變增大而增大并趨于穩(wěn)定.相同圍壓下隨b值增大曲線初始斜率先增大后減小，b=0.75時峰值應力和峰值孔壓最大.其中，圍壓為50 kPa和100 kPa時，b=1的峰值應力和峰值孔壓低于b=0.75；圍壓為150 kPa和200 kPa時，b=1的峰值應力和峰值孔壓低于b=0.相同b值隨圍壓增大峰值應力和峰值孔壓都增大.

不同的替代物在肉制品中可以替代硝鹽部分作用，但是可能因其各自的來源和提取方式的不同而各有所異，有的又因沒有經過毒理學實驗證明其安全性或穩(wěn)定性，尤其是添加替代物后的產品的市場推廣現(xiàn)階段較為滯后。未來的研究可能繼續(xù)于綠色天然替代物的尋找，以及其安全性(如毒理性)、性質穩(wěn)定性和交互效果的驗證等，并從降低硝鹽使用量的產品開發(fā)開始，探尋使用替代物完全替代硝鹽的可能。

（2）由應力-應變曲線可知試樣呈現(xiàn)出應變硬化的特征.相同圍壓下應力-應變曲線的初始斜率隨b值先增大后減小，b=0.75時曲線初始斜率最大，這表明中主應力對應力-應變曲線是有影響的.

（3）孔壓是由剪切變形引起的，故孔壓隨應變的變化規(guī)律與應力曲線相似.孔壓在軸向應變初期迅速上升，隨后保持穩(wěn)定，試驗得出的孔壓變化情況表明土樣在剪切過程中呈剪縮特性.相同圍壓下孔壓-應變曲線的初始斜率隨b值的增大先增大后減小，b=0.75時曲線初始斜率最大，這表明中主應力對孔壓也是有影響的.

2.2 黏聚力和內摩擦角

圖3為根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪出應力莫爾圓切線得出的不同中主應力系數(shù)土體的黏聚力和內摩擦角曲線.升.因為隨b值增加土體所受的球應力增加，土顆粒之間所受約束力就增加，土的黏聚力就增加.隨b值增大內摩擦角先增大后減小，b=0.5時內摩擦角最大.b值在0至0.5時土的內摩擦角隨b值增大而增大，因為b值增大使土顆粒被壓得更緊實，增加了土顆粒間咬合作用，摩擦作用也增強，土的內摩擦角就增大；b值在0.5至1時土的內摩擦角隨b值增大而減小，甚至b=1時內摩擦角小于b=0的內摩擦角.這是因為土體在中主應力的作用下沿σ2方向發(fā)生了結構破壞，導致土的內摩擦角降低.

圖3 不同中主應力系數(shù)黏聚力和內摩擦角曲線

2.3 主應變

隨b值的增大土的黏聚力隨之增大，b值在0至0.5時土體黏聚力增加緩慢，在0.5至1時呈直線上

2.3.1 小主應變與大主應變

小主應變ε3與大主應變ε1的關系曲線如圖4所示.由圖4可知：小主應變隨大主應變的增大而減小，即隨大主應變的增大在小主應變方向膨脹變形增加.相同圍壓下隨b值增大小主應變曲線斜率增大.相同b值下隨圍壓增大小主應變斜率減小，此結果與孫紅等人的試驗結果有所不同.圍壓越大土顆粒被壓得更加緊實，土顆粒間摩擦和聯(lián)結作用增強，抗剪切變形能力就有所提高，故隨圍壓增大在相同的軸向應變下小主應變就會減小.

圖4 不同圍壓下ε3-ε1關系曲線

2.3.2 中主應變與大主應變

圖5為中主應變（ε2）與大主應變（ε1）關系曲線.根據(jù)測定的σ2方向流量變化，計算出σ2方向的平均位移量，據(jù)此算出中主應變.

圖5 不同圍壓下ε2-ε1關系曲線

由圖5可知：相同圍壓下隨b值增大中主應變由負值變?yōu)檎?，說明土樣在中主應力方向上由膨脹變?yōu)閴嚎s.b=0.5時中主應變接近于0，可以看作是平面應變，故b=0.5可看作是試樣由膨脹變?yōu)閴嚎s的轉折點.相同圍壓下b值在0至0.5時隨b值增大膨脹程度變小，b值在0.5至1時隨b值增大壓縮程度增大.相同b值下隨圍壓增大曲線斜率減小，可知無論膨脹還是壓縮的程度都是減小的.

2.4 試樣破壞形態(tài)

圖6為200 kPa圍壓下不同b值的試樣破壞形態(tài).

圖6 圍壓200 kPa時試樣破壞形態(tài)

b=0時：試樣在小主應力作用面和中主應力作用面同時發(fā)生膨脹，表現(xiàn)出側脹破壞（見圖7a）.b=0.25～1時：土樣在中主應力作用面上出現(xiàn)兩個上下對立的錐形，表現(xiàn)為錐形破壞（見圖7b）.圖中濾紙條的變形是試樣發(fā)生剪切破壞引起的.

圖7 試樣破壞形態(tài)

在σ3方向，隨b值增大土樣側脹明顯；在σ2方向，b=0.25和b=0.5時土樣發(fā)生膨脹，b=0.25的膨脹量大于b=0.5的膨脹量；b=0.75和b=1的土樣向內凹陷，隨b值增大試樣的凹陷增大，且錐形也越明顯.此破壞方式與于清高[17]的黃土研究結果一致.

3 結論

（1）應力和孔壓隨應變增大而增大并趨于穩(wěn)定.相同圍壓下，隨b值增大曲線初始斜率先增大后減小，b=0.75時峰值應力和峰值孔壓最大.隨著圍壓增大，相同b值下的峰值應力和峰值孔壓都增大.

（2）隨b值增大，土的黏聚力隨之增大，內摩擦角先增大后減小，b=0.5時內摩擦角最大.

（3）小主應變隨大主應變的增大而減??；相同圍壓下，隨b值增大小主應變曲線的斜率增大；中主應變由負值變?yōu)檎担籦=0.5時，ε2接近于0；相同b值下隨圍壓增大，小主應變和中主應變斜率減小.

（4）b=0時，試樣小主應力和中主應力作用面同時發(fā)生膨脹.b=0.25～1時，在σ3方向隨b值增大，土樣側脹越明顯；在σ2作用面上出現(xiàn)兩個上下對立的錐形，隨b值增大錐形越明顯.