黃土強度指標受應力路徑影響分析

張喆

（陜西工業職業技術學院 咸陽 712000）

0 引言

加快西安國家中心城市高質量發展，地鐵工程建設成為西安市新時期發展需要解決的首要任務。研究表明，地鐵深基坑、隧道開挖中土體實際應力變形狀態復雜，不同位置土體應力路徑不完全相同。三軸試驗一般是在軸對稱的應力條件下進行的，由此得到的強度指標在大量平面問題的計算分析中取得很好效果[1]。而應力路徑對土體的強度和變形具有顯著影響[2-3]，因此對比真三軸試驗與常規三軸試驗強度及強度指標的差異性很有必要。

1 試驗方法

1.1 試驗用土與試驗方案

本試驗用土取自航天大道十字隧道工位，取土深度為7～8m。取樣前現場進行勘察，觀察土的均勻程度和孔隙分布特征，并采集樣本進行室內試驗，判斷土的基本物理性質指標，選取符合要求采樣點?，F場采取成土塊，標注沉積方向及走向方向，并用黑色塑料薄膜包裹密封，避免水分喪失。密封包裝外注明所取土樣的地點和序號，描述土性，裝箱小心搬運至實驗室。

經試驗測定此原狀黃土主要物理指標：比重為2.69，天然含水量21.50%，干密度1.32g/cm3，液限39.99%，塑限25.98%，塑性指數13.60%，初始孔隙比1.05。

1.2 試驗方案

本次同時開展了固結排水常規三軸試驗（CD）與真三軸試驗。固結排水常規三軸試驗圍壓工況分別為100kPa、200kPa、300kPa。

真三軸試驗使用了西安理工大學自主研制的XGT-3 新型真三軸儀[4]。試驗試樣為正方體樣，尺寸為70mm×70mm×70mm。開展等圍壓等b的試驗，其中圍壓工況分別為100kPa、200kPa、300kPa，中主應力比b 工況分別為0、0.25、0.5、0.75、1。試驗中在大主應力方向加 載速 率為0.05mm/min 的等應變速率控制加載，試樣破壞標準為大主應變達到12%，可以測試得到土樣在不同圍壓、不同中主應力參數b 條件下剪切破壞時3 個主應力及3 個主應變。

2 試驗分析

2.1 三軸剪切試驗

固結排水常規三軸試驗結果按照摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）強度理論得到土樣固結排水總應力強度指標黏聚力為51kPa，摩擦角為20°。試驗結果發現小圍壓應力狀態下土體發生失穩破壞，圍壓增加，土體將發生較大變形而破壞。

2.2 真三軸剪切試驗結果

按照摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）強度理論給出不同中主應力比b 應力狀態下試樣強度線，強度指標如表1 所示。圖1 給出黏聚力比、摩擦角比隨中主應力比b 變化曲線，可以看出中主應力比b 值對強度指標黏聚力、摩擦角均影響較大，土體黏聚力主要來自膠結力及分子力，在較小應力下就發揮到最大，然后有些下降保持一個不變最小值，黏聚力變化區間為55～98kPa，黏聚力比變化區間為1～1.8 之間，呈現隨b 值先增大后減小。b 值較大時，中小主應力作用平面內剪切作用突出，平均球應力增長壓縮作用增強，土體摩擦力不斷增大趨于穩定，較小b 值時，中小主應力作用平面剪切作用弱，相同平均球應力時剪脹力由零增加到最大后隨咬合作用的喪失而消失。摩擦角變化區間為17.5°～32°，摩擦角比變化區間為0.82～1.5，呈現隨b 值先減小后增大。

表1 不同中主應力比b 值強度指標

圖1 黏聚力比、摩擦角比與中主應力比b 關系曲線

圖2 為一組高含水率（ω=21%）和一組低含水率（ω=5%）強度指標隨中主應力b 變化對比，可以看出含水率越低中主應力比對土體強度指標影響越顯著。圖3 給出不同含水率土體破壞形態，低含水率呈現脆性破壞，σ2作用面剪切帶呈現明顯，b 值較小時產生一條近似45°斜裂縫，隨b值增大呈現為X 型剪切帶。

圖2 黃土的強度參數隨不同中主應力比b 關系曲線

圖3 圍壓為100kPa 不同含水率試樣破壞

大量工程實踐表明[5-6]，地鐵區間隧道開挖過程中，在隧道的拱頂和拱底處土體屬于卸載拉伸破壞，拱腰處土體屬于壓剪破壞；地鐵基坑開挖過程中，在側壁處土體屬于側向卸載壓剪破壞，基坑底部處土體屬于軸向卸載拉伸破壞。以上情形常規三軸試驗均不能模擬真實復雜應力狀態，卸載拉伸破壞狀態可以按照中主應力比b 小于1 且b 大于0.5的應力路徑進行真三軸試驗，卸載壓剪破壞可以按照中主應力比b 大于0 且b 小于0.5 的應力路徑進行真三軸試驗，提供更加合理強度指標參數。

3 結論

（1）土體強度指標參數受應力路徑影響明顯，黏聚力隨b 值先增大后減小，摩擦角隨b 值呈先減小后增大的變化規律。

（2）中主應力比b 值對強度指標黏聚力、摩擦角均影響較大，土體黏聚力呈現隨b 值先增大后減小。摩擦角呈現隨b 值先減小后增大。

（3）卸載拉伸破壞狀態可以按照中主應力比b 小于1 且b 大于0.5的應力路徑進行真三軸試驗，卸載壓剪破壞可以按照中主應力比b 大于0 且b 小于0.5 的應力路徑進行真三軸試驗，得到與實際工況更吻合得強度參數，有利于更好地指導設計與施工。