三轴应力状态下原状黄土的结构性研究

吴志刚 王西宁 吴俊峰

0 引言

土的结构性是指土中颗粒或土颗粒集合体以及它们之间的孔隙的大小、形状、排列组合及连接等综合特征,所以土的结构性不仅包括土的骨架和孔隙的几何特征,还应包括颗粒之间的连接特征。结构性土具有一定的结构强度,它是土保持原始基本单元结构形式不被破坏的能力,由土的原始结构强度和土粒间固化连接键强度组成。关于土结构性研究的重要性,早由土力学的奠基人太沙基所指出。沈珠江将它作为“21世纪土力学的核心”,一语道出了土结构性在土力学学科发展中的独特地位。土的结构性是一种复杂的客观存在,那么研究土结构性最好的方法应该是使土的结构性破坏,让它的结构势表现出来。从而,既可以测得使结构性破坏的难易程度,反映土结构的可稳性,又可测得破坏后的变形程度,反映结构的可变性,从中寻求结构性演变的规律。

1 基于应力条件的结构性参数

土结构性的强弱可用土的连接和排列特征两个方面来反映,用扰动、加荷和浸水的方式可以使土的结构势充分释放出来。在三轴应力状态下,可通过同一应变下原状土试样、重塑土试样(湿密状态不变)和饱和土试样的剪切强度来表示土的应变综合结构性参数。因此,通过原状黄土、重塑黄土和饱和黄土的三轴剪切试验,我们就可以建立反映结构性的指标,依据它们的应力应变曲线,可以得到给定应变条件下不同结构状态黄土各自的主应力差(σ1-σ3)y,(σ1-σ3)r和(σ1-σ3)s来反映扰动、浸水和加荷作用下土的结构性变化。其中,(σ1-σ3)y为原状黄土剪切过程中的主应力差值;(σ1-σ3)r和(σ1-σ3)s分别为扰动重塑土样和浸水饱和土样的主应力差值。由原状土与重塑土的主应力差比值及原状土与饱和土的主应力差比值可以综合反映土粒空间排列和粒间连接特征所反映的结构性。因此,可定义如下的结构性参数:

从式(1)可以得知:土的原始连接越强,扰动重塑后的强度损失越大,土的结构性参数越大;浸水作用下结构性破坏越大,饱和原状样的强度损失越大,土的结构性参数也越大。

2 试验方法及土样物性指标

试验土样为陕西杨凌Q3黄土,试验设备为常规三轴剪切仪,采用不固结不排水试验(UU)。剪切围压分别取100 k Pa,200 k Pa,400 kPa,以反映围压对结构性的影响。原状土含水率分别为9.89%,13.05%,15.61%,18.77%,21.49%和24.66%,从而反映含水率对结构性和结构性参数的影响。采取原状土的天然含水率为19.1%,干密度约为 1.54 g/cm3。含水率低于原状土的采用天然原状土风干的方法制备。含水率高于原状土的采用天然原状土滴定注水的方法制备,先对试样加水,然后在保湿缸中放置24 h以上,让水分自由均匀扩散。重塑样在控制干密度和含水率的条件下,通过压样法制备。饱和样采用抽气饱和法制备。其基本物理性质指标见表1。

表1 土样基本物理性质指标

3 试验结果及分析

试验按照SL 237-1999土工试验规程进行,通过对6个含水率原状土样及相应(同含水率、同干密度)重塑土样、饱和原状土样的三轴剪切试验,得到不同含水率、不同围压下原状土、重塑土和饱和土的应力应变曲线。图1为含水量w=21.49%,围压σ3=200 k Pa时土样的应力应变曲线。

由试验结果,按照式(1)的计算公式,得到不同应变时原状黄土的结构性参数 mσ,绘制出结构性参数 mσ与轴向应变ε1的关系曲线,图2为围压200 kPa,不同含水量下的 mσ变化曲线。可见,结构性参数 mσ与ε1曲线均呈规律性变化。在应变 ε1＜2.0%之前,规律不太明显,有点紊乱;在 ε1＞2.0%之后,对应相同轴向应变ε1时,结构性参数 mσ随含水率的增大而减小,结构性参数 mσ与轴向应变ε1关系曲线随含水率的增大而向下移动。但含水率对黄土结构性的影响程度与剪切过程中应变发展对黄土结构性的破坏程度密切相关。低应变时,应变发展对结构性的破坏较大,则含水率对结构性的影响很明显;随着应变的逐渐增大,结构性的破坏程度逐渐减弱,则含水率对结构性的影响逐渐减弱。这些说明低含水率下原状黄土具有较强的结构性是导致其具有较高强度的内因。可见,这个结构性参数也可以反映含水率变化对土的结构性的影响,同样显示出良好的合理性和相当的灵敏性、稳定性。

4 结语

1)原状黄土的特殊结构,宏观地表现为具备结构性和结构强度。黄土的结构性是其一个重要的力学特性。2)建立反映土结构性的定量化指标的有效途径是通过浸水、加荷、扰动等作用使土的结构势充分释放出来。3)结果表明,本文所定义的结构性参数能够反映围压、含水量对剪切过程中原状黄土结构性的影响,具有很好的合理性、灵敏性、稳定性。

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