土體強(qiáng)度特性影響因素的試驗(yàn)研究

李軍1，仲玥2

(1.陜西理工學(xué)院 土木工程與建筑學(xué)院， 陜西 漢中 7230002.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所， 陜西 西安 710048)

[摘要]選取不同孔隙比的天然砂土試樣進(jìn)行排列后，對(duì)其在不同固結(jié)壓力下進(jìn)行常規(guī)三軸試驗(yàn)，重點(diǎn)探討相同試驗(yàn)條件下，排列對(duì)砂土抗剪強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：排列情況下的砂和混合情況下的砂，試樣的偏應(yīng)力均隨圍壓的增大而增大；相同圍壓下，排列試樣的偏應(yīng)力峰值明顯高于混合試樣的偏應(yīng)力峰值；排列砂樣的內(nèi)摩擦角要大于混合砂樣的內(nèi)摩擦角。同時(shí)，利用kf曲線間接獲得了排列和混合情況下砂土試樣的抗剪強(qiáng)度曲線，并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果對(duì)莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則進(jìn)行了修正。

[關(guān)鍵詞]三軸試驗(yàn)；抗剪強(qiáng)度；排列；莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則

[文章編號(hào)]1673-2944(2015)05-0041-04

[中圖分類號(hào)]TU433

收稿日期：2015-04-24

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41372304)；陜西理工學(xué)院科研基金資助項(xiàng)目(SLGKY15-24)

作者簡(jiǎn)介：李軍(1984—)，男，陜西省漢中市人，陜西理工學(xué)院講師，博士生，主要研究方向?yàn)榉秋柡屯亮W(xué)。

土體的抗剪強(qiáng)度主要是由摩擦強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度兩部分組成，理論上認(rèn)為砂土的黏聚力近似為零[1]，其抗剪強(qiáng)度僅僅取決于土體所受到的正應(yīng)力和內(nèi)摩擦角。摩擦強(qiáng)度包括滑動(dòng)摩擦力(顆粒之間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)要克服由于顆粒表面粗糙不平而引起的滑動(dòng)摩擦)和咬合摩擦力(顆粒之間相互鑲嵌、咬合、連鎖作用及脫離咬合狀態(tài)而轉(zhuǎn)移所產(chǎn)生的咬合摩擦)[2]。土的結(jié)構(gòu)性是指土中顆?；蛲令w粒的集合體以及它們的形狀、排列組合方式、聯(lián)結(jié)方式以及它們之間的孔隙大小等綜合特征。因此，土的結(jié)構(gòu)性就應(yīng)該包括土中顆粒的排列特征(幾何特征)和聯(lián)結(jié)特征(力學(xué)特征)[3]。

屈智炯[4]的研究表明，在低圍壓下內(nèi)摩擦角是隨著孔隙比的減小而增大。R.Verdugo等[5]發(fā)現(xiàn)密砂在低圍壓情況下進(jìn)行剪切會(huì)出現(xiàn)密砂的特征，反之，松砂在高圍壓情況下進(jìn)行剪切會(huì)出現(xiàn)松砂的相關(guān)特性。也有一些研究人員以孔隙比、含水量、密度等物理指標(biāo)對(duì)各種黏土及粗粒土的力學(xué)性質(zhì)影響進(jìn)行了探討[6-8]?？梢?jiàn)，大多數(shù)研究成果僅限于定性描述。為此，作者在相同試驗(yàn)條件下，僅就砂土的排列情況對(duì)其強(qiáng)度的影響進(jìn)行了三軸試驗(yàn)，建立內(nèi)摩擦角和排列之間的關(guān)系，進(jìn)而對(duì)應(yīng)用廣泛的莫爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則進(jìn)行了修正。

1試驗(yàn)方案與方法

1.1　試驗(yàn)土樣及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)用砂取自陜西理工學(xué)院附近的天然砂，對(duì)砂樣進(jìn)行洗砂、烘干、篩分等步驟，制成直徑為3.91 cm，高為8 cm的試樣。為了研究排列情況下砂土的強(qiáng)度特性，選擇0.1~0.5 mm和0.5~1.0 mm兩種粒徑的砂進(jìn)行排列組合，小粒徑的砂在試樣的下層，大粒徑的砂在試樣的上層，按照體積比3∶2進(jìn)行配置?；旌蠘影凑障嗤w積進(jìn)行制備，同時(shí)保證兩種粒徑的孔隙比是定值。為減小誤差，每組試驗(yàn)均進(jìn)行了3組平行試驗(yàn)，最后取其平均值進(jìn)行分析。試驗(yàn)中利用漏斗法測(cè)量各個(gè)粒組最大孔隙比，利用振動(dòng)錘擊法測(cè)量最小孔隙比。為使砂樣安全地從制樣器安放到試驗(yàn)平臺(tái)不至碎散，控制每組試樣含水率均為13.0%，放置到冰箱冷凍4 h，控制凈圍壓σ3分別為100、200、400 kPa。

1.2　試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)備采用西安理工大學(xué)和西安力創(chuàng)計(jì)量設(shè)備有限公司聯(lián)合研制的計(jì)算機(jī)控制的三軸試驗(yàn)儀，該儀器可在軸向方向?qū)崿F(xiàn)應(yīng)力控制和應(yīng)變控制的加荷作用，軸向和徑向應(yīng)力可以完全獨(dú)立的施加，也可在不同固結(jié)應(yīng)力比下進(jìn)行試驗(yàn)，可對(duì)實(shí)際工程下不同應(yīng)力路徑進(jìn)行模擬，也可以同步改變軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。

采用固結(jié)不排水試驗(yàn)，控制的常應(yīng)變加載速率為0.055 mm/min，試驗(yàn)破壞標(biāo)準(zhǔn)按照峰值強(qiáng)度確定，本試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為軸向變形達(dá)到15%時(shí)，試驗(yàn)終止[9]。

2試驗(yàn)結(jié)果分析及討論

2.1　應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得到排列砂樣和混合砂樣在不同壓力下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖1—圖3所示。

圖1　混合砂樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線　　　　　　圖2　排列砂樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(a) σ 3=100 kPa　　　　　　　　　　(b) σ 3=200 kPa　　　　　　　　　(c) σ 3=400 kPa　 圖3　不同壓力(σ 3)下排列和混合砂樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖1—圖3可知，兩種砂樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出如下變化規(guī)律：

(1)相同圍壓下，試樣在開始階段，應(yīng)力、應(yīng)變呈單調(diào)增加的趨勢(shì)，隨著剪切過(guò)程的延長(zhǎng)，當(dāng)應(yīng)變?cè)黾拥揭欢ǔ潭葧r(shí)，偏應(yīng)力達(dá)到峰值，隨著應(yīng)變的繼續(xù)增加，偏應(yīng)力保持不變或逐漸減低到一定值后保持不變，成硬化型或弱軟化型；

(2)相同條件下，隨著圍壓的增加，偏應(yīng)變的峰值強(qiáng)度相應(yīng)增加；在高圍壓下，引起孔隙體積的壓縮，土體微觀結(jié)構(gòu)改變，土顆粒的排列更加緊密，土體骨架更加堅(jiān)硬，使其抵抗外部變形的能力大大提高，抗剪強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)；

(3)相同圍壓下，排列試樣的偏應(yīng)變峰值大于混合試樣的偏應(yīng)變峰值；

(4)同一應(yīng)變下，偏應(yīng)變隨著圍壓的增大而顯著增加。

2.2　 k f曲線(應(yīng)力圓圓心-半徑曲線)

如果莫爾應(yīng)力圓頂點(diǎn)的坐標(biāo)已知，那么土體中某點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)也就被確定了。因此，采用應(yīng)力莫爾圓的圓心為橫坐標(biāo)，應(yīng)力莫爾圓的半徑為縱坐標(biāo)，繪制出排列砂樣與混合砂樣的kf曲線，如圖4所示。

圖4　k f曲線

這與采用傳統(tǒng)的σ-τ應(yīng)力坐標(biāo)相比較，在(σ1+σ3)/2-(σ1-σ3)/2坐標(biāo)圖中，應(yīng)力路徑的表達(dá)形式有更多的優(yōu)點(diǎn)。第一，應(yīng)力路徑上各點(diǎn)明確地表示土的應(yīng)力狀態(tài)，而不專指破壞面上的應(yīng)力；第二，不必預(yù)知或假定破壞面方向；第三，特別對(duì)不考慮中主應(yīng)力σ3影響的軸對(duì)稱課題和平面應(yīng)變課題，應(yīng)用較為方便。在(σ1+σ3)/2-(σ1-σ3)/2坐標(biāo)上的抗剪強(qiáng)度曲線用kf曲線表示，它的坡度和它與縱坐標(biāo)軸的截距，可由抗剪強(qiáng)度指標(biāo)通過(guò)幾何關(guān)系推算得到，或者由土的極限平衡條件式推導(dǎo)出來(lái)。當(dāng)土處于極限平衡狀態(tài)時(shí)，有

(1)

土的抗剪強(qiáng)度曲線kf的表達(dá)式為

(2)

由于tanβ=sinφ，φ=arcsin(tanβ),

(3)

式中φ為摩擦角，β為坡角。本文按照理想情況下砂土沒(méi)有粘結(jié)力，即c值(粘聚力)和a值(kf曲線與縱坐標(biāo)軸的截距)均為0，只考慮摩擦力對(duì)其強(qiáng)度的影響。

從圖4中可以清晰看出，擬合曲線的相關(guān)系數(shù)均大于0.99，說(shuō)明擬合效果比較好，排列試樣曲線的摩擦角明顯大于混合試樣曲線的摩擦角。這是由于，從微觀上分析，土體內(nèi)摩擦角的大小，體現(xiàn)在顆粒的排列方式對(duì)其滑動(dòng)摩擦和咬合摩擦的影響方面。對(duì)于分層排列土樣，每層土粒徑大小相差較小，接觸面較大，所需要的咬合摩擦力較大；同時(shí)，由于每?jī)蓪油恋慕唤缑媸莾煞N粒徑相差較大的土顆粒，其發(fā)生滑動(dòng)摩擦所需的外力要大于同層土之間的力。

2.3　 k f曲線下的莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則

本研究在對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析基礎(chǔ)上，考慮排列結(jié)構(gòu)的影響，利用kf曲線對(duì)莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則[10]進(jìn)行補(bǔ)充。極限狀態(tài)時(shí)，莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則的表達(dá)式可寫為(1)式。理論上，由于砂土粘聚力c為零，由(1)式可得抗剪強(qiáng)度

(4)

由圖4及其推導(dǎo)可得

(5)

利用修改后的莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則計(jì)算土體抗剪強(qiáng)度就變得更加簡(jiǎn)便。

3結(jié)論

(1)影響土體強(qiáng)度的因素很多，但排列和混合形成了砂土的初始結(jié)構(gòu)性，試驗(yàn)所施加的圍壓則形成了不同的誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)性，它們兩者共同影響砂土的剪切強(qiáng)度。

(2)通過(guò)一系列試驗(yàn)，初步分析了排列和混合兩種結(jié)構(gòu)性對(duì)砂土力學(xué)性質(zhì)的影響。

(3)通過(guò)引入kf曲線，完善了莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，使得求解抗剪強(qiáng)度變得更加容易。

文章雖然對(duì)排列和混合情況下砂土的強(qiáng)度進(jìn)行了初步的試驗(yàn)研究，得到了初步結(jié)論，但對(duì)多種粒徑組成的試樣下的試驗(yàn)還沒(méi)有進(jìn)行大量研究，這方面的工作還有待繼續(xù)完善。

[參考文獻(xiàn)]

[1]王玉鎖,陳煒韜,王明年.砂土質(zhì)隧道圍巖粘聚力影響因素的試驗(yàn)研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2006(6):48-51.

[2]朱強(qiáng)偉.壓實(shí)黃土強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué),2014.

[3]齊吉琳,謝定義,石玉成.土結(jié)構(gòu)性的研究方法及現(xiàn)狀[J].西北地震學(xué)報(bào),2001,23(1):99-103.

[4]屈智炯.土的塑性力學(xué)[M].成都：成都科技大學(xué)出版社,1987.

[5]VERDURO R,ISHIHARA K.The steady state of sandy soils[J].Soil and Foundations,1996,36(2):81-91.

[6]李建紅,張其光,孫遜,等.膠結(jié)和孔隙比對(duì)結(jié)構(gòu)性土力學(xué)特性的影響[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,48(9):1431-1435.

[7]賴遠(yuǎn)明,張耀,張淑娟,等.超飽和含水率和溫度對(duì)凍結(jié)砂土強(qiáng)度的影響[J].巖土力學(xué),2009,30(12):3665-3670.

[8]程展林,丁紅順,吳良平.粗粒土試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2007,29(8):1151-1158.

[9]中華人民共和國(guó)水利部.GB/T50123-1999土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，1999.

[10]石寒.莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度理論的修正[J].巖土力學(xué),1994,15(3):46-50.

[責(zé)任編輯：李 莉]

Experimental study on the effect of soil strength properties

LI Jun1,ZHONG Yue2

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723000, China;2.Institute of Geotechnical Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

Abstract:Focusing on the arranged influence on the shear strength of sand under the same test conditions, we select natural and sequenced sands with different void ratio to do the conventional and triaxial tests under different consolidation pressures. Test results shows that deviatoric stress of the sample is increasing with the increase of confining pressure for the arranged sand and the mixed sand, under the same confining pressure, the deviatoric stress peak value of sequenced samples is obviously higher than mixed samples, and internal friction angle of the sequenced samples is higher than mixed sample. Meanwhile, we obtain the shear strength curve of sequenced and mixed sands with the kf curve, and revise the Mohr-coulomb criterion combined with the test results.

Key words:triaxial test;shear strength;arrangement;Mohr-coulomb criterion