魯生斌，馬艷霞，聶思凡，李忠林

(青海大學土木工程學院，青海省建筑節(jié)能材料與工程安全重點實驗室，青海 西寧 810016)

鹽漬土作為一種特殊土，具有鹽脹、溶陷、腐蝕等工程特性[1]，嚴重影響工程建設的安全運營，增加了工程建設的難度。在鹽漬土路基工程中，通常要對鹽漬土進行地基處理。常用的路基地基處理方法有去除土體中的鹽分(洗鹽是其中的一種方法)、隔斷水分法、結構加固法3類[2]，由于鹽漬土路基的復雜性，通常采用多種方法共同處理的方式，其中浸水預溶+強夯地基處理方法在工程中應用廣泛[3-4]。黎盟等[5]針對飽和砂土開展定向剪切不排水應力路徑下不同主應力方向角對軸向和扭剪應變影響的研究，發(fā)現(xiàn)不同角度下飽和砂土具有明顯的各向異性特征。陳敦等[6]研究了主應力方向角對飽和凍結黏土的影響，發(fā)現(xiàn)剪切強度隨著大主應力方向角的增大而減小。陳偉等[7]研究定向剪切應力路徑下主應力方向角對重塑黃土強度及變形的影響，發(fā)現(xiàn)擊實黃土的強度隨主應力方向角的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。劉紅等[8]對重塑黃土開展定向剪切和主應力軸旋轉后的定向剪切研究時發(fā)現(xiàn)，經過旋轉后不同主應力方向角下重塑黃土的強度差異很大，各向異性特征明顯。目前針對重塑鹽漬土在復雜應力路徑下應力應變的關系研究較少。本研究采用洗鹽+分層擊實的方法模擬浸水預溶+強夯的路基處理方法，利用空心圓柱扭剪儀(HCA)，研究定向剪切應力路徑下重塑鹽漬土強度及變形特性，分析大主應力方向角條件下的八面體應力—應變關系和各應變分量的變化規(guī)律，以及偏應力—主應變的變化關系，以期為鹽漬土地區(qū)建設時路基處理提供理論依據(jù)。

1 試樣制備和試驗方法

1.1 試樣制備

圖1 鹽漬土顆粒級配曲線

制樣前先將土樣過5 mm篩后進行洗鹽，當土樣中Na2SO4含量小于1%時可消除鹽脹的影響[10-11]，即可認為洗鹽完成；然后將土樣烘干碾碎，過2 mm篩并根據(jù)最優(yōu)含水率(22%)分層配置土樣。根據(jù)最大干密度計算土樣的總土量，分十層裝進成模桶內擊實，將制成的圓柱試樣分45 mm和60 mm，并兩次掏空心，最終制成外徑D=100 mm、內徑d=60 mm、高度H=200 mm的空心圓柱試樣(圖2)。

圖2 空心扭剪試樣

1.2 試驗設備及原理

本試驗所用設備為英國GDS公司研發(fā)的空心圓柱扭剪儀(HCA)(圖3)，該儀器通過臺座中的軸向和扭轉馬達分別施加軸力W和扭矩MT，通過內外圍壓控制器向試樣內外室施加內壓Pi和外壓PO，以此來控制大主應力方向角(α)、中主應力系數(shù)(b)、平均主應力(p)和剪應力(q)。空心圓柱試樣的受力狀況和加載形式如圖4所示。

圖3 空心圓柱扭剪儀圖

圖4 空心圓柱試樣單元體受力及加載方式示意圖

試驗過程中參數(shù)的設定參照文獻[12]。公式(1)～公式(4)給出了定向剪切過程中各應力參數(shù)與主應力和應力分量之間的關系：

(1)

(2)

(3)

(4)

不同主應力方向角下的定向剪切應力路徑的實現(xiàn)需要保持p、b、q不變，只改變α。公式(5)～公式(8)給出了各應力分量與p、b、q、α等參數(shù)之間的關系：

(5)

σr=p+2(2bq-q)/3

(6)

σθ=p-2(2bq-q)/3-qcos 2α

(7)

τΖθ=qsin 2α

(8)

以上公式中，σ1為大主應力；σ2為中主應力；σ3為小主應力；σZ為軸向應力；σθ為環(huán)向應力；σr為徑向應力；τZθ為扭剪應力。

1.3 試驗方案

在固結不排水條件下設定(0°、30°、45°、60°、75°、90°)六個大主應力方向角進行定向剪切試驗，應力路徑如圖5所示。當試樣安裝完成后，首先通過ttadvancedLoading模塊對試樣進行固結，直到試樣的軸向位移變形量每小時不大于0.01 mm時認為固結完成[13]；其次選擇stress paths模塊對重塑鹽漬土進行定向剪切試驗，試驗中先通過施加2 kPa的剪應力將角度調試到預設值，調試完成后保持定向剪切(p=100 kPa、b=0.5)；最后增加剪應力使試樣破壞，整個過程保持剪應力的增加速率為2 kPa/min。定向剪切方案見表1。

圖5 定向剪切應力路徑

表1 定向剪切方案

2 結果與分析

2.1 八面體剪應力—剪應變關系

空心圓柱試樣在試驗應力路徑下會產生軸向εZ、徑向εr、環(huán)向εθ、剪應變γZθ等應變分量，同時在不同角度下剪切時試樣會受到軸力和扭矩的耦合作用，因此在重塑鹽漬土變形分析中引入八面體剪應力qoct和八面體剪應變γoct[14]進行描述。

(9)

(10)

圖6為不同大主應力方向角下八面體剪應力—剪應變變化關系曲線。從圖6可以看出，剪切過程中重塑鹽漬土的八面體剪應力—剪應變曲線呈現(xiàn)出應變硬化特性。α=60°的初始剪切模量大于α=45°的剪切模量，但隨著剪應力的增大，α=60°的強度逐漸降低，總體趨勢以α=60°為界限。當α<60°時，隨著大主應力方向角的增大，產生相同八面體剪應變需要的剪應力逐漸降低；當α>60°時，八面體剪應力隨著α的增大而增大，這與王烽[15]和陳偉等[7]研究的大主應力方向角對砂土和黃土產生各向異性的結果一致。

圖6 八面體剪應力—剪應變關系曲線

不同大主應力方向角剪切時對重塑鹽漬土的剪應力—剪應變關系可以分為兩個階段：(1)屈服前階段。在此階段，不同的大主應力方向角下八面體剪應力—剪應變曲線具有幾乎相同的初始割線模量，剪應力—剪應變關系呈直線發(fā)展，整個屈服前的階段八面體剪應變不到1%。這是因為在加載的初期，重塑鹽漬土試樣未洗完的部分難溶鹽和鹽結晶顆粒與土顆粒之間緊密接觸，黏聚力增大，土顆粒之間具有較大的膠結作用，土體剛度大，試樣未發(fā)生變形。(2)屈服階段。隨著八面體剪應力的繼續(xù)增大，土顆粒與鹽顆粒無法承受剪力作用而被迫產生剪切位移，顆?；瑒樱嚇娱_始屈服，在八面體剪應力增加很小的情況下產生較大的八面體剪應變，當八面體剪應變達到4%以后，重塑鹽漬土試樣的強度下降明顯，說明重塑鹽漬土的結構在扭剪作用下被破壞，隨后以塑性變形為主。

2.2 主應變—偏應力關系

重塑鹽漬土在不同大主應力方向角下剪切時，偏應力與大、中、小主應變之間的變化關系曲線見圖7。

圖7 不同大主應力方向角下偏應力與主應變關系曲線

從圖7可知，當沿α≤75°剪切時，剪切初期3個主應變隨偏應力的變化較小，整個過程中主應變基本不發(fā)生變化；當試樣開始破壞時，主應變隨偏應力的變化較大，且大主應變均向正向發(fā)展，小主應變均向負向發(fā)展，中主應變出現(xiàn)小的變化。當α=0°時，偏應力大于120 kPa，大主應變和小主應變開始增加，直至偏應力達到235 kPa時試樣的主應變迅速增大，試樣被破壞。當α從30°到60°的增大過程中，大、小主應變開始增加時需要的偏應力先減小后增大，但是隨著剪切的繼續(xù)進行，α=60°的試樣在主應變達到15%時被破壞，而α=45°的試樣隨著偏應力的增大具有了很好的延性，抗剪強度大于α=60°的試樣。當α從60°到75°的變化過程中，大、小主應變開始增加時需要的偏應力分別呈增加的趨勢(90、140 kPa)，且主應變從開始增加到試樣屈服過程需要的偏應力減小。當α=90°時，隨著偏應力的增大，大主應變先負向發(fā)展，隨后在偏應力達到105 kPa時朝著正向發(fā)展，由于大、小主應變對稱發(fā)展，小主應變呈現(xiàn)與大主應變相反的變化規(guī)律。由此可見，不同大主應力方向角下試樣出現(xiàn)破壞時所需的偏應力不同，呈現(xiàn)出的應力—應變關系也各有差異，體現(xiàn)出重塑鹽漬土在應力—應變上的各向異性。

2.3 剪應力和各應變分量關系

圖8為在不同大主應力方向角定向剪切時，重塑鹽漬土軸向應變εZ、環(huán)向應變εθ、徑向應變εV和剪應變γZθ與剪應力q的關系曲線。從圖8可以看出，剪切初期各應變分量幾乎不增大，隨著剪切的進行，各應變分量之間開始出現(xiàn)差異，且在大主應力方向上的應變呈現(xiàn)出各向異性。

圖8 不同主應力方向角下重塑鹽漬土應力—應變關系曲線

由圖8a和圖8b可知，在不同大主應力方向角定向剪切時，環(huán)向應變εθ和軸向應變εZ呈對稱發(fā)展趨勢。這是因為在剪切過程中，當α=0°時，只有軸向方向受到的軸力被壓縮，而環(huán)向方向沒有剪力，試樣只在軸力的作用下被破壞，所以軸向方向表現(xiàn)為負應變，而環(huán)向方向表現(xiàn)為正應變的膨脹狀態(tài)。當0°<α<45°時，試樣所受的軸向應力分量大于環(huán)向應力分量，所以試樣主要表現(xiàn)為軸向的壓縮狀態(tài)，而環(huán)向方向為正應變的膨脹狀態(tài)。當α=45°時，試樣所受的軸向和環(huán)向應力分量相等，處于純扭剪狀態(tài)，軸向方向被拉伸，表現(xiàn)為負應變，環(huán)向方向被壓縮，表現(xiàn)為正應變。當45°<α<90°時，試樣所受的環(huán)向應力分量大于軸向，環(huán)向方向被擠壓，表現(xiàn)為正應變，導致軸向方向被拉伸，表現(xiàn)為負應變。當α=90°時，剪力沿環(huán)向方向，軸向方向不受力，使得試樣被側向擠壓，軸向被拉伸，軸向應變?yōu)樨撝?，環(huán)向方向表現(xiàn)為壓縮的正應變。這與扈萍等[16]對粉細砂在不同角度下定向剪切的結果一致，說明了中砂類硫酸鹽漬土具有與粉細砂相似的性質。

由圖8c可知，隨著剪應力的增大，不同主應力方向角下的徑向應變先向負向發(fā)展，在試樣破壞時又向正向發(fā)展。當α=0°、α=30°、α=75°、α=90°時，徑向應變小于0.5%。當α=45°、α=60°時，試樣破壞時徑向應變大于1.5%。由圖8d可知，當α=0°、α=90°時，試樣產生的剪應變幾乎為0，這是因為試樣在0°和90°時均不受剪力的影響。當α=30°、α=45°、α=60°、α=75°時，隨著剪應力的增大，試樣的扭剪應變也隨之增大，且大主應力方向角從30°～75°變化過程中，試樣的強度隨著剪應力的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。

2.4 歸一化強度

圖9為重塑鹽漬土在不同的大主應力方向角下峰值八面體剪應變歸一化強度變化曲線。從圖9可知，當α=0°時，試樣的峰值八面體強度最大。當0°<α<60°時，隨著大主應力方向角的增大，試樣的剪切強度下降較大，且從30°到45°的范圍內強度下降速率最大，并在α=60°時達到最小值，在60°≤α<90°的范圍內，試樣剪切強度隨著大主應力方向角α的增加而增大。整個強度曲線呈現(xiàn)出近似“勺”型的變化，這與沈揚等[17]對原狀黏土的歸一化強度試驗的強度取決于所受大主應力作用方向的定向抗剪強度的結論相似。大主應力方向角對重塑鹽漬土的抗剪強度的影響同樣明顯，且α從0°～90°變化過程中，重塑鹽漬土的強度變化趨勢更加顯著，說明大主應力方向角對鹽漬土次生各向異性的影響較大。

圖9 不同大主應力方向角下峰值八面體剪應變歸一化強度

3 討論與結論

浸水預溶+強夯的方法對鹽漬土路基有著很好的效果[3～4]。目前針對復雜應力路徑下重塑鹽漬土應力—應變及變形的研究較少，所以本研究基于鹽漬土路基處理方法，模擬浸水預溶+強夯法處理后的路基進行了定向剪切作用下土體的變形特性和強度的研究，結果如下：

(1)大主應力方向角的變化對重塑鹽漬土八面體剪應力—八面體剪應變具有較大的影響，隨著大主應力方向角的增大，八面體剪應力—剪應變呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢，其中大主應力方向角α=60°時重塑鹽漬土的強度最低，這與王烽[15]和陳偉等[7]的研究結果相似。八面體峰值歸一化強度也隨著主應力方向角的增大表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢。

(2)當沿α=0°、α=30°、α=45°、α=60°、α=75°剪切時，剪切初期3個主應變變化較小，當試樣開始破壞時，大主應變均向正向發(fā)展，小主應變均向負向發(fā)展，中主應變出現(xiàn)小的變化。而α=90°時，大主應變先負向發(fā)展而后正向發(fā)展，小主應變正好相反。

(3)當沿α=0°和α=90°剪切時，扭矩為0，扭剪應變不發(fā)生變化，其余角度下，隨著剪力的增大，扭剪應變也隨之增大。這與沈揚等[18]的研究結果相符。