平面應變狀態下重塑黃土主應力特性的研究

周軍旗 馬延龍 李文文

（甘肅省地礦局第三地質礦產勘查院 甘肅蘭州 730050）

平面應變狀態下重塑黃土主應力特性的研究

周軍旗 馬延龍 李文文

（甘肅省地礦局第三地質礦產勘查院 甘肅蘭州 730050）

在邊坡、擋土墻、路基、土石壩等眾多實際工程中土體一般處于平面應變狀態。針對目前對黃土在平面應變下的主應力特性研究較少的情況，筆者根據在平面應變條件下，在同一制樣干密度不同試驗含水量條件下，對甘肅蘭州重塑黃土進行平面應變條件下的壓縮試驗、CD剪切試驗、等應力比試驗，探求零應變方向主應力的變化特性。結果表明，平面應變狀態下零應變方向的主應力在不同條件下應力狀態有所不同。

黃土；平面應變；主應力轉換

引言

在我國，由于不同地區的地理、地質和氣候條件不同等原因，所形成的黃土的形態和性質各異。蘭州地區具有典型的Q3黃土，以非飽和的形式存在具有明顯的柱狀節理和大孔隙結構，這種獨特的結構性直接影響著黃土的力學形狀和工程性質。在實際工程中如常見的土石壩、邊坡、擋土墻、地基、隧洞等工程中土體處于或者近似處于平面應變狀態的，即存在一對稱面，其上的應變為零。而且在這些近似平面應變狀態下的工程中，土體強度參數大多由常規三軸試驗得出，這種方法與實際土體的應力狀態不符，造成不必要的經濟浪費。

平面應變狀態下土體之所以復雜，究其原因是存在中主應力效應，即中主應力影響著材料的強度和變形特性。為此國內有些學者提出一些強度理論，分別從線性和非線性的角度來解釋中主應力對材料的強度的影響規律。也有些學者從理論、數值模擬的角度，提出有關砂土的主應力之間的關系。目前，關于平面應變狀態下土體強度研究已理論分析和數值模擬居多，而試驗研究也多集中在砂土，對于非飽和黃土研究已常規三軸和真三軸試驗為多，平面應變條件下非飽和黃土的主應力特性研究較少。鑒于此，本人進行了蘭州北郊非飽和粘黃土的平面應變實驗，旨在探究該地區非飽和黃土在平面應變條件下的主應力特性，為實際工程提供一定參考。

1 試驗方案

1.1 試驗材料及制備

（1）本次實驗所用土樣取自甘肅蘭州一處黃土邊坡，取土深度約為2.5～3.0m，土體為典型的Q3黃土。該土樣具體物理性質指標見表1。

（2）重塑土樣的制備：將土樣風干并碾碎，過1mm土工篩，配制各個制樣含水量的散土，用壓樣法分10層壓制尺寸為10cm×10cm×5cm的立方體試樣。嚴格控制試樣的干密度為1.25g/cm3（誤差不超過0.03g/cm3）和含水量（誤差不超過0.02%）。利用水膜轉移法對需要增濕的試樣進行含水量的控制。試樣制成后放置于密封塑料袋靜置48h以上備用。

表1 北郊黃土物理性質指標

（3）具體試驗試樣：配置同一的制樣含水量為12%，不同試驗含水量為14%、17%、21.75%。所有土樣都400kPa下進行逐級固結加載壓縮試驗與50kPa、100kPa、200kPa、400kPa圍壓下的平面應變剪切試驗。對w=14%、17%、21.75%試樣進行η=0.167、0.272的等應力試驗。

1.2 試驗設備和試驗方法

平面應變剪切試驗所采用的儀器為江蘇溧陽市永昌機械廠生產的PY10-1型平面應變儀，該儀器可以通過一個直徑為4cm的應力傳感器測定零應變面的應力大小。本文中所有試樣固結過程中排水排氣，固結比kc=1.0，以軸向變形不超過0.1mm/h作為固結穩定標準。固結完成后進行恒定σ3的固結排水剪切試驗，剪切速度為0.032mm/min。

2 試驗結果分析

在平面應變試驗中為了表述方便，對三個方向的主應力分別定義如下：以σz表示軸向應力，σy表示零應變方向應力，σx表示恒應力面。在σx保持常數的平面應變試驗中可以看出：在平面狀態條件下非飽和黃土的應力應變關系曲線皆為應變硬化型，硬化程度隨恒應力面σx的增大增大和含水量增大而減小（如圖1～3）。

早期的平面應變試驗主要集中在砂土，大量的試驗表明：當土體接近破會時σy為中主應力而非小主應力，加載應力比σ1/σ3近似為常數，中主應力參數b=0.25～0.35，其中b=（σ2-σ3）/（σ1-σ3）。通過σx為常數的平面應變剪切試驗可以看出：非飽和黃土接近破壞時的加載應力比并非為常數，中主應力參數b=0.12～0.30，明顯小于砂土。

圖1 14%制樣含水量黃土應力應變曲線

圖2 17%制樣含水量黃土應力應變曲線

圖3 21.75%制樣含水量黃土應力應變曲線

從圖4可以看出，在σx=常數的平面應變試驗加載剪切過程中，σy逐漸增大，從小主應力變換為中主應力，加載應力比ka=σ1/σ3逐漸增大而且隨圍壓的變大初始值變小，而中主應力參數先減小后增大，其零點即為主應力轉換點。在轉換點上，可以看出主應力分布在較窄的帶上且含水量對其影響較小（如圖5）。

圖4 σx=常數的平面應變試驗加載過程中主應力關系

北郊黃土的平面應變剪切破壞時候零應變面應力皆為中主應力σ2，三個主應力有圖6關系曲線。

土樣 σ1～（σ2-σ3）有較好的線性關系，即：

對于甘肅蘭州黃土參數a=0.144，b=-36.51。

3 結論

（1）蘭州非飽和黃土應力應變關系曲線成硬化型，隨圍壓增大而增大，含水量增大而減小。

（2）在平面應變條件下零應力方向的主應力通常被認為是中主應力，實際上這只有在土體接近破壞時才成立，而且黃土的中主應力參數b明顯小于砂土。

圖5 不同含水量下土樣σ3～ka關系曲線

圖6 不同含水量下土樣 σ1～（σ2-σ3）關系曲線

（3）在主應力轉換點，加載應力比隨圍壓增大而減小，受含水量變化較小。

（4）甘肅蘭州黃土中主應力關系可以表示為大小主應力的線性組合。

[1]李廣信，黃永男，張其光.土在平面應變條件下的主應力[J].巖石力學與工程學報，2001，23（3）：358～361.

[2]俞茂宏，何麗南，宋凌宇.雙剪應力強度理論及其推廣[J].中國科學（A輯），1985，28（12）：1113～1120.

[3]羅 汀，姚仰平，松崗元.基于SMP準則的土的平面應變強度公式[J].巖土力學，2000，21（4）：390～393.

[4]黨進謙，李 靖.非飽和黃土的強度特征.巖土工程學報，1997，19（2）.

[5]黃勇男.等應力比條件下砂土應力應變關系研究[D].北京：清華大學，1986.

[6]李剛，謝云，陳正漢.平面應變狀態下粘性土破壞時的中主應力公式[J].巖石力學與工程學報，2004，23（18）：3174～3177.

TU444

A

1004-7344（2016）17-0146-02

2016-5-17