孫永亮,劉增榮,李紅星

(西安建筑科技大學土木工程學院,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個重要因素[1],而且它們本身又可用擾動度來統(tǒng)一表示,本文以西北地區(qū)黃土為例,通過不同既定影響因素下土樣在三軸試驗下的研究,建立擾動度的概念,旨在探討既定黃土抗剪強度的變化和擾動度的關系。

1 擾動度概念

據前人研究[2],擾動度函數D與材料的塑性變形、初始條件、溫度以及含水量等有關,可通過材料的相關參數來加以描述[3],如應力—應變關系、孔隙水壓力、有效應力、孔隙比等,施工中以上因素相繼都有變化,因此將土中一點的應力狀態(tài)、孔隙比、含水量及其應力路徑作為施工擾動評價的基本指標。

2 試樣制備

試驗在TSZ-6型臺式中壓三軸儀上進行,試樣共8組,直徑 39.1 mm,高度 80.0 mm。通過將所采用的黏土風干、碾碎、過篩后配制并選擇而得,其物理性質指標如表1所示。

表1 土樣物理性質指標表

3 試驗方法

本次試驗根據孔隙比分成8組,體積均為96 cm3,含水量各試樣分別在200 kPa和400 kPa2種圍壓之下進行三軸固結不排水和固結排水試驗。原則是每種土樣分別在兩中試驗下至少進行2次,若數據2次結果差別大于10%,則做第3個試樣,直到符合。

4 試驗結果分析

通過數據的分析整理,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圍壓下的應力應變關系隨應力增加應變的增加越來越少,圖形接近于開口向上,以y軸正半軸為對稱軸的拋物線的右半部分。破壞時的最大軸力與孔隙比關系在200 kPa和400 kPa圖像形狀類似,這里僅以最大軸壓為400 kPa圖形列舉如圖1所示。

圖1 體變與孔隙比關系圖

土樣在200 kPa和400 kPa圍壓下的體變圖形形狀類似,僅舉圍壓200 kPa時圖形如圖2所示。

圖2 體變與孔隙比關系圖

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時基本不變。

隨孔隙比不同,土樣破壞時最大主應力無論在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],所以破壞時土樣不同孔隙比下的最大有效主應力圖和不同孔隙比下的圖線形狀也相同,僅豎標位置不同。

土樣在不同孔隙比下抗剪切強度隨孔隙比增加而呈減小趨勢,其關系如圖3所示:

圖3 土樣的抗剪強度與孔隙比關系圖

5 抗剪切強度隨擾動度的變化規(guī)律

(1)定義擾動度函數D為:

式中:M——土體的狀態(tài)函數;

M0——土體的初始狀態(tài);

MC——土體的施工擾動狀態(tài);

Mf——土體的最終破壞狀態(tài)破壞曲面的響應。

式中:ΔP,Δ Q,ΔE,Δ W ——施工擾動引起的壓力P﹑抗剪強度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﹑抗剪強度q﹑孔隙比e﹑含水量w增量。

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

且A+B+C+D=1。這里若假定各評價元素對土體性質影響作用均等,則有:

若忽略土體物理參數[3]的變化則:

(2)若假定4個影響因素作用均等[8],且僅考慮孔隙比一個參量的影響,以此來討論擾動度,則可建立Q-e關系如下

式中:Q,Q0——分別為重塑后土體強度和原狀土體強度;

e0,e——分別為重塑后孔隙比和原狀孔隙比。

6 結語

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

圖4 強度比值和孔隙比比值在重塑前后關系圖

(2)施工擾動后土體的強度可近似用壓力、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,開挖處理基坑時褥墊層的厚度必須滿足規(guī)范要求。

(3)施工中對于已擾動土體的處理,可從3個影響因素著手,從強壓、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.土的結構性及其定量化參數研究的新途徑[J].巖土工程學報,1999,21(6):651-656.

[2]張孟喜.受擾動土體的工程性質研究[D].上海:同濟大學,1999:31-33.

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

[4]殷宗澤,錢家歡.土工原理與計算[M].北京:中國水利水電出版社,1996:70-72.

[5]謝定義,齊吉琳,朱元林.土的結構性參數及其與變形—強度的關系[J].水利學報,1999,10:1-6.

[6]徐永褔.土體施工擾動特點的研究[A].中國土木工程學會土力學及巖土工程學會.中國土木工程學會第八屆土力學與巖土工程學術會議論文集[C].北京:中國建筑工業(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].同濟大學學報:自然科學版,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.