關于邊坡區的偏移結構性試驗

李旭強

【摘 要】對偏移邊坡黃土進行真三軸試驗，在保持中主應力、小主應力不變的情況下，增大大主應力，研究圍壓、初始中主應力及初始含水率對非飽和黃土結構性的影響規律。試驗結果表明：結構強度隨著圍壓、初始中主應力的增大而增大，隨著初始含水率的增大而減小；結構性參數隨著圍壓、初始中主應力及初始含水率的增大而減小。

【關鍵詞】真三軸試驗；結構性；強度指標

一、試驗設備及試樣規格

試驗設備為日本谷藤機械工業株式會社生產的TS-526型多功能三軸儀。方柱形試樣的尺寸為88.9mm×88.9mm×35.56mm，如下圖所示。

試驗過程中，可在水平和垂直方向對試樣施加各自獨立的應力采用移動邊板可對試樣進行K0固結，其位移可用位移傳感器測出。水平應力σ3用液壓通過橡皮膜加到試樣上，而液壓作用在側板上；水平應力σ2用可移動側板來施加。這兩個水平應力的加載都由應力控制。軸向荷載通過量力環及傳壓板加到試樣上，并由軸向加載裝置控制，采用應變式加載。

二、試樣的制備及試驗方法

（一）試樣的制備

試驗所用黃土取自陜西三原縣塬邊偏移區，取土深度距原坡向的側向位移。

共進行了 3組試驗，每組均包含同等數量的原狀樣重塑樣（與原狀樣同容重、同含水率）和飽和原狀樣。第一組是等向固結，固結壓力分別為100、200、300 kPa， 研究等向固結時圍壓對非飽和黃土結構性的影響規律。第二組研究初始中主應力對非飽和黃土結構性[1]的影響規律，在天頂約 50 m，屬Q3 黃土，烘干法測得天然含水率為 22.28% ，天然干密度為 1.60 g/cm3天然孔隙比為0.71、天然飽和含水率為 26%。非飽和黃土土樣的物理性質指標見表 1。原狀樣采用削樣方法，嚴格控制試樣的形狀和尺寸。重塑樣制樣方法和常規三軸樣相似。配備不同含水率的試樣時，采用風干法和水膜轉移法，控制含水率的誤差在0.02%以內。配水完成后用保鮮膜包裹，放在干燥器內密封3d，待水分均勻后備用。

（二）試驗方法

采用真三軸固結不排水剪切試驗。首先對試樣進行排水固結，固結時間為 2 h， 待固結穩定后進行剪切，剪切時保持中主應力、小主應力不變，增大最大主應力。增大最大主應力時采用等應變速率加載，加載速率為 0.1 mm/min。剪切過程中記錄量力環的變形量、軸向位移、兩個水平方然含水率 w=22.28%的情況下，保持σ1= 300 kPa、σ3=100kPa不變，通過增大中主應力σ2來增大中主應力比率b，初始值b分別為0.3、0.6、0.9。第三組研究初始含水率對非飽和黃土結構性的影響規律。保持 b= 0.6、σ3 =100 kPa不變， 含水率依次取14.5%，17.49%，22.28%.

三、試驗結果分析

（一）圍壓對非飽和黃土結構性的影響規律

天然含水率下，等向固結時，通過針對圍壓對非飽和黃土結構性的影響分析可知：剪應力隨著應變和圍壓的增大而增大。應變較小時，土樣被壓密，結構強度得到充分發揮；應變較大時，結構遭到破壞，強度進而減小；應變一定時，結構強度隨著圍壓的增大而增大。整個過程中，結構性參數先減小，后又慢慢增大，最后趨于平穩。在應變一定時，結構性參數隨著圍壓的增大而減小圍壓越大，固結完成后土體密度越大，孔隙比減小，原始黏聚力增大，故破壞時的剪應力增大；聯結強度增大，m2減小，結構可穩性增強，圍壓增大，結構可變性減弱。但圍壓對可變性和可穩性的影響并不同步，在應變[2]較小時，圍壓的增大對可穩性的影響較大；當應變較大時，圍壓對可變性的影響較大。依據綜合結構性參數的定義，結構性參數mε減小。

（二）初始中主應力對非飽和黃土結構性的影響規律

真三軸試驗中考慮了中主應力σ2 對非飽和黃土力學特性的影響。固結時，σ1 和 σ3 保持不變， 增加σ2， 即增加 b。通過研究初始中主應力對非飽和黃土結構性的影響規律，結果顯示：應力隨應變的增大而增大，剪應力隨著初始中主應力 σ2的增大而增大。應變一定時，結構強度隨著初始中主應力σ2的增大而增大。常規三軸試驗認為，非飽和黃土的力學特性與 b值無關， 即與中主應力無關。真三軸試驗表明， 黃土的力學特性與中主應力關系不可忽視，隨著σ2 接近 σ1 ， 即隨著初始 b值的增大，剪切應力和結構強度都增大。中主應力的增加，平均主應力也隨著增加，從而使土體密實；另一方面， 破壞時σ2 方向的應力較大，增加了對土顆粒的約束和咬合作用。中主應力增大， 圍壓也增大，非飽和黃土的結構可穩性增大，結構可變性減弱。

（三）初始含水率對非飽和黃土結構性的影響規律

黃土結構的破壞，除了力的作用外，水的作用也不容忽視，發生偏移的很大一部分原因就是水的因素。通過研究含水率[3]對非飽和黃土結構性的影響規律，結果顯示：應力隨應變的增大而增大；在應變一定時，結構強度隨著含水率的增大而減小。水率增大， 黏聚力減小， 聯結強度降低，結構不穩定，結構強度減小。含水率增大，飽和黃土的剪應力不受影響，故 m1 減小，結構可變性增強。由于原狀黃土具有一定的結構性， 隨著含水率的增大， 結構弱化，剪應力減小，而重塑黃土沒有結構性，水對它的影響要小于對原狀黃土的影響，因此重塑黃土剪應力減小量要小于原狀黃土剪應力的減小量，故結構性參數mε減小。

四、結論

以三原縣塬邊偏移區黃土為研究對象，利用真三軸儀對其力學特性進行深入研究，結果表明：（1）結構強度隨著圍壓、初始中主應力的增大而增大，結構性參數隨著圍壓、初始中主應力的增大而減小。圍壓增大，初始中主應力增大，結構可變性減弱，可穩性增強。圍壓先影響可穩性、后影響可變性，這種不同步性使得結構性參數減小。（2）結構強度、結構性參數隨著含水率的增大而減小。含水率增大，結構可變性增強。由于原狀黃土具有一定的結構性，隨著含水率的增大，結構弱化，剪應力減小，而重塑黃土沒有結構性，水對它的影響要小于對原狀黃土的影響，結構可穩性減弱，因此結構性參數mε減小。

【參考文獻】

[1]李廣信.高等土力學[M].北京：清華大學出版社，2004.

[2]黨進謙.非飽和黃土的結構強度及其作用研究[J].西北農業大學學報，1998，26（5）：48 -51.

[3]駱亞生，謝定義，李鵬.非飽和黃土結構變化特性的主要影響因素[J].水土保持通報，2005，25（2）：36-39.