不同應(yīng)力路徑下結(jié)構(gòu)性土的力學(xué)特性試驗(yàn)研究

不同應(yīng)力路徑下結(jié)構(gòu)性土的力學(xué)特性試驗(yàn)研究

1天然硬黏土特性的特性近年來，結(jié)構(gòu)土壤的力學(xué)、強(qiáng)度和破壞特征的研究取得了很大進(jìn)展。研究人員進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究。試驗(yàn)研究方面，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)性土的屈服強(qiáng)度特性的研究并與重塑土進(jìn)行了對比，對強(qiáng)結(jié)構(gòu)性天然沉積土的土工特性進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究。理論研究方面，建立了考慮結(jié)構(gòu)性土損傷特性的本構(gòu)模型和以適用于重塑土的Cam-Clay模型為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)性土模型。由于天然土在受荷過程中會(huì)經(jīng)歷不同的應(yīng)力路徑，比如深基坑的開挖，隧道的施工過程等，所以也開展了結(jié)構(gòu)性土在不同的應(yīng)力路徑下的力學(xué)特性的試驗(yàn)研究，采用真三軸應(yīng)力路徑控制研究了天然軟土的力學(xué)特性并與重塑土的進(jìn)行了對比，采用人工制備結(jié)構(gòu)性土樣進(jìn)行了剪切過程中不斷改變應(yīng)力路徑的常規(guī)三軸試驗(yàn)，對天然硬黏土進(jìn)行了不同應(yīng)力路徑下的真三軸試驗(yàn)來探討其力學(xué)特性。本文對結(jié)構(gòu)性土樣在不同應(yīng)力路徑下的力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)探討。所用的土樣是人工室內(nèi)制備的結(jié)構(gòu)性土試樣，進(jìn)行了不同的固結(jié)應(yīng)力狀態(tài)下常圍壓、減小圍壓和增大圍壓時(shí)施加豎向應(yīng)力直至土樣破壞的固結(jié)排水和固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)，對結(jié)構(gòu)性土樣在不同的應(yīng)力路徑下的強(qiáng)度特性、破壞特性和變形特性進(jìn)行了探討和分析，為建立結(jié)構(gòu)性土樣在復(fù)雜應(yīng)力路徑下的合理本構(gòu)模型提供試驗(yàn)依據(jù)。2樣品制備方法和應(yīng)力路徑2.1水泥顆粒的制備本試驗(yàn)所用的土料為北京市附近的粉質(zhì)黏土，土料的物性指標(biāo)為：Lw=38.28%，Pw=22.04%。將土料自然風(fēng)干后過0.5mm的篩子，加入質(zhì)量20%的國產(chǎn)高嶺土土料，然后加入一定含量的國產(chǎn)42.5R硅酸鹽水泥，配成混合料，添加的水泥含量為土料質(zhì)量的5%。鹽粒由國產(chǎn)的大粒徑的使用鹽碾碎并過0.5mm的篩子制成。制樣嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，采用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)器，將所需質(zhì)量的混合料分4層擊實(shí)。每層混合料都添加了5g鹽粒，然后拌和均勻，進(jìn)行擊實(shí)，擊實(shí)后的土樣的密度ρ=1.473g/cm3，含水量w=2.55%。然后將擊實(shí)完成的裝有土樣的飽和器放入飽和灌中進(jìn)行抽氣飽和，飽和完成后把飽和器放入流動(dòng)的水中，并保證土樣完全浸在水里，通過水的流動(dòng)循環(huán)可以把溶解的鹽粒沖走而形成具有膠結(jié)作用和大孔隙的結(jié)構(gòu)性土樣。操作方法嚴(yán)格按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行反壓飽和，以保證飽和度在98%以上。2.2豎向應(yīng)力至破壞應(yīng)力路徑所采用的應(yīng)力路徑共有3種，如圖1所示為總應(yīng)力路徑示意圖，其中OA段表示等向固結(jié)階段，AB段表示圍壓不變而增大豎向應(yīng)力直至破壞應(yīng)力路徑，AC段表示減小圍壓的同時(shí)增大豎向應(yīng)力至破壞應(yīng)力路徑，AD段表示增加圍壓的同時(shí)增大豎向應(yīng)力至破壞應(yīng)力路徑。試驗(yàn)過程中固結(jié)排水時(shí)的加(卸)荷速率為0.01mm/min，固結(jié)不排水時(shí)的加(卸)荷速率為0.08mm/min。3試驗(yàn)結(jié)果3.1總圍壓為常數(shù)按照圖1所示的3種應(yīng)力路徑，共進(jìn)行了固結(jié)應(yīng)力分別為25,50,100和200kPa下的三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)(其中固結(jié)應(yīng)力為50kPa時(shí)沒有進(jìn)行圖1所示的AD應(yīng)力路徑)，得到偏應(yīng)力q、孔壓u與軸向應(yīng)變ε1的關(guān)系如圖2～5所示，其中q=σ1-σ3。由以上的偏應(yīng)力–應(yīng)變曲線可知，在不同的固結(jié)應(yīng)力狀態(tài)下，當(dāng)總圍壓為常數(shù)或增大時(shí)(圖1中的OAB,OAD應(yīng)力路徑)，表現(xiàn)為不同程度的應(yīng)變硬化現(xiàn)象，當(dāng)固結(jié)應(yīng)力低時(shí)OAD應(yīng)力路徑下硬化現(xiàn)象明顯，而當(dāng)固結(jié)應(yīng)力高時(shí)OAD應(yīng)力路徑下硬化現(xiàn)象不明顯直至出現(xiàn)塑性流動(dòng)現(xiàn)象；當(dāng)總圍壓降低時(shí)(圖1中的OAC應(yīng)力路徑)表現(xiàn)為不同程度的應(yīng)變軟化現(xiàn)象；當(dāng)固結(jié)應(yīng)力低時(shí)軟化現(xiàn)象不明顯卻接近于塑性流動(dòng)，而隨著固結(jié)應(yīng)力的增大，軟化現(xiàn)象越來越明顯。由孔壓–應(yīng)變曲線可以看出，在不同的固結(jié)應(yīng)力狀態(tài)下，當(dāng)總圍壓為增大時(shí)(OAD應(yīng)力路徑)，隨著應(yīng)變的增大孔壓一直增大，直到試樣破壞還有增大的趨勢；當(dāng)總圍壓為常數(shù)時(shí)(OAB應(yīng)力路徑)，隨著應(yīng)變的增大孔壓一直增大到某一值穩(wěn)定下來，隨著固結(jié)應(yīng)力的增加孔壓穩(wěn)定所需的應(yīng)變也增加，且固結(jié)應(yīng)力很低時(shí)孔壓會(huì)到某一值后隨應(yīng)變的增加反而稍有降低；當(dāng)總圍壓減小時(shí)(OAC應(yīng)力路徑)，孔壓增大到某一值后會(huì)降低很多，可以降低到負(fù)值(孔壓以壓為正)。3.2偏應(yīng)力–應(yīng)變本構(gòu)模型共進(jìn)行了固結(jié)應(yīng)力分別為50,100和150kPa下的三軸固結(jié)排水試驗(yàn)，所采用的應(yīng)力路徑為圖1所示的OAC和OAB兩種。得到偏應(yīng)力q、體應(yīng)變εv與軸向應(yīng)變ε1的關(guān)系如圖6～8所示。從圖6～8中的偏應(yīng)力–應(yīng)變曲線可以看出，在不同的固結(jié)應(yīng)力下常圍壓時(shí)(OAB應(yīng)力路徑)均表現(xiàn)出了應(yīng)變硬化現(xiàn)象，并且隨著固結(jié)應(yīng)力的增加(也即圍壓的增加)應(yīng)變硬化現(xiàn)象越來明顯；在不同的固結(jié)應(yīng)力下減小圍壓時(shí)(OAC應(yīng)力路徑)均表現(xiàn)出了應(yīng)變軟化現(xiàn)象，并且很明顯。從圖6～8中的體應(yīng)變–應(yīng)變曲線可以看出，在不同的固結(jié)應(yīng)力下常圍壓時(shí)(OAB應(yīng)力路徑)均表現(xiàn)出了體積收縮現(xiàn)象，并且隨著固結(jié)應(yīng)力的增加(也即圍壓的增加)體積收縮的越大；在不同的固結(jié)應(yīng)力下減小圍壓時(shí)(OAC應(yīng)力路徑)均表現(xiàn)出了體積先收縮達(dá)到某一值后體積開始增大，即發(fā)生剪脹現(xiàn)象，但是土樣單元的總體體積表現(xiàn)為剪縮，并且隨著固結(jié)應(yīng)力的減小剪脹的越明顯。3.3不排水條件下的總圍壓3種不同的應(yīng)力路徑在不同的固結(jié)應(yīng)力狀態(tài)下和不同的排水條件下得到的試驗(yàn)現(xiàn)象有很大的不同，這是由結(jié)構(gòu)性土的顆粒之間的膠結(jié)作用和孔壓的消散程度引起的有效應(yīng)力的不同所引起的。顆粒之間的膠結(jié)強(qiáng)度在固結(jié)應(yīng)力較低時(shí)基本不破損，而在固結(jié)應(yīng)力較高時(shí)會(huì)受很大的破損。排水條件下孔隙水壓力可以完全消散，而不排水條件下的孔隙水壓力不能消散使得有效應(yīng)力大為減小。在不排水條件下，當(dāng)固結(jié)應(yīng)力低時(shí)，有效圍壓很低，在破損過程中膠結(jié)強(qiáng)度發(fā)揮了重要作用，故在總圍壓為常數(shù)或增加時(shí)，軟化現(xiàn)象不太明顯；當(dāng)固結(jié)應(yīng)力高時(shí)，膠結(jié)強(qiáng)度受到了破損，土樣所表現(xiàn)出的性質(zhì)類似于重塑土的，破損過程中表現(xiàn)為塑性流動(dòng)或稍有軟化。而在不排水條件下，總圍壓降低時(shí)，低固結(jié)應(yīng)力下膠結(jié)強(qiáng)度發(fā)揮作用，表現(xiàn)為塑性流動(dòng)，而高圍壓時(shí)表現(xiàn)為很強(qiáng)的應(yīng)變軟化。排水條件下，不同的固結(jié)應(yīng)力狀態(tài)時(shí)膠結(jié)強(qiáng)度的影響同以上的解釋，只不過這時(shí)的有效應(yīng)力等于施加的總應(yīng)力，使得有效圍壓比不排水條件下增大許多，由于此處的試驗(yàn)最小圍壓是50kPa(不是很低)，不便做更深刻的解釋。4永延路徑和強(qiáng)度特性4.1固結(jié)應(yīng)力狀態(tài)圖9(a)～(d)分別為固結(jié)應(yīng)力為25,50,100和200kPa時(shí)的不排水試驗(yàn)條件下的有效應(yīng)力路徑變化圖?？梢钥闯觯^低的固結(jié)應(yīng)力狀態(tài)(圖9(a))下的結(jié)構(gòu)性土樣應(yīng)變軟化的最為明顯。有效應(yīng)力路徑和高的固結(jié)應(yīng)力狀態(tài)下的有效應(yīng)力路徑有很大的不同，這是由土樣的結(jié)構(gòu)性引起的，較高的固結(jié)應(yīng)力會(huì)部分或全部破壞土顆粒之間的膠結(jié)強(qiáng)度，而較低的固結(jié)應(yīng)力狀態(tài)下土顆粒之間的膠結(jié)強(qiáng)度是在加荷過程中逐漸破損的。4.2排水有效應(yīng)力路徑變化圖圖10(a)～(c)分別為固結(jié)應(yīng)力為50,100和150kPa時(shí)的排水試驗(yàn)條件下的排水有效應(yīng)力路徑變化圖。由圖10可知，對于不同的固結(jié)應(yīng)力條件下減小圍壓時(shí)(OAC應(yīng)力路徑)都表現(xiàn)出了應(yīng)變軟化現(xiàn)象，而圍壓為常數(shù)時(shí)(OAB應(yīng)力路徑)表現(xiàn)為硬化現(xiàn)象。4.3結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度線圖11(a)，(b)分別為結(jié)構(gòu)性土樣在固結(jié)不排水和固結(jié)排水時(shí)的不同應(yīng)力路徑下的強(qiáng)度特性。排水與不排水條件的強(qiáng)度包絡(luò)線類似，且強(qiáng)度包絡(luò)線在應(yīng)力狀態(tài)較低時(shí)為非線性的，而應(yīng)力狀態(tài)較高時(shí)近似為線性的，以結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度為界。結(jié)構(gòu)性土的強(qiáng)度特性與顆粒之間的膠結(jié)作用有很大的關(guān)系，在固結(jié)應(yīng)力較低時(shí)，膠結(jié)強(qiáng)度受損很少，而固結(jié)應(yīng)力較高時(shí)，膠結(jié)強(qiáng)度受損的很多，所以得到了在低應(yīng)力狀態(tài)時(shí)強(qiáng)度呈非線性的變化，而應(yīng)力狀態(tài)較高時(shí)強(qiáng)度變化為線性的，可以用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則描述。5排水對結(jié)構(gòu)性土樣力學(xué)特性的影響通過人工制備結(jié)構(gòu)性土樣在不同應(yīng)力路徑下的排水與不排水三軸試驗(yàn)，對結(jié)構(gòu)性土的力學(xué)特性、強(qiáng)度特性和變形特性進(jìn)行了分析和探討，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。(1)在不同的應(yīng)力路徑和排水條件下，結(jié)構(gòu)性土樣表現(xiàn)出了不同的應(yīng)力應(yīng)變特性和孔壓特性。在不排水條件下，當(dāng)在不同的固結(jié)應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)總圍壓為增大時(shí)，土樣表現(xiàn)為不同程度的應(yīng)變硬化現(xiàn)象，而孔壓一直增大，直到試樣破壞還有增大的趨勢；當(dāng)總圍壓降低時(shí)，土樣表現(xiàn)為不同程度的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，而孔壓增大到某一值后會(huì)降低很多。在排水條件下，當(dāng)在不同的固結(jié)應(yīng)力下常圍壓時(shí)均土樣表現(xiàn)出了應(yīng)變硬化現(xiàn)象和體積收縮；而減小圍壓時(shí)土樣均表現(xiàn)出了應(yīng)變軟化現(xiàn)象和剪脹現(xiàn)象。(2)顆粒之間的膠結(jié)作用對結(jié)構(gòu)性土樣在不同的應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)特性影響很大。顆粒之間的膠結(jié)強(qiáng)度在固結(jié)應(yīng)力較低時(shí)基本不破損，而在固結(jié)應(yīng)力較高時(shí)會(huì)受很大的破損。當(dāng)應(yīng)力水平較低