基于三軸試驗的全風化砂巖鄧肯-張模型參數研究

尹洪強，洪文彬，張樹仁

(1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130061； 2.中建六局水利水電建設集團有限公司，天津 300000)

1 概述

某機場道路建設項目橫穿東、西側兩處沖溝，該處為填方區，最大回填深度約62 m，回填料多取自機場開挖料，總填筑量約600萬m3。回填填筑料場下部存在全風化砂巖層，需對其作為高填方回填料的工程特性進行研究，查明全風化砂巖土體在不同圍壓下的應力-應變關系，獲取其抗剪強度參數[1]。鄧肯-張模型是一種在土體應力-應變關系分析中廣泛使用的非線性彈性模型，模型參數意義明確，可以通過三軸固結排水試驗獲取，因此，采用該模型對全風化砂巖的工程特性進行研究，研究成果可為工程設計、工程所在地區土體參數的獲取及數值分析計算提供參考依據[2-5]。

2 全風化砂巖物理性質及試驗方法

全風化砂巖取樣深度2.7 m～2.9 m，為擾動土樣，對所取全風化砂巖進行室內物理性質試驗，得到各指標參數如表1所示。

表1 全風化砂巖物理力學參數

按壓實系數0.96的干密度配置三軸固結排水全風化砂巖試樣，即干密度為1.89 g/cm3，采用反壓法進行試樣飽和，試驗儀器采用全自動三軸試驗儀，自動施加圍壓，同時測量體積變形及壓力變化。對試樣施加100 kPa,200 kPa和300 kPa的圍壓，取應力應變曲線峰值點作為試樣破壞標準以及試樣終止標準，如無峰值點，則以試樣軸向應變達到15%時的應力為破壞應力，此時試驗停止，記錄不同圍壓下全風化砂巖試樣的剪切破壞情況[6-11]。

3 鄧肯-張模型參數的確定

3.1 c值和φ值

不同圍壓下的破壞應力值如表2所示。

表2 不同圍壓下的破壞應力 kPa

根據表2繪制摩爾應力圓，如圖1所示，擬合后得到全風化砂巖三軸固結排水試驗下的抗剪強度指標c值和φ值，即內聚力為4.28 kPa，內摩擦角為38.27°。

3.2 Rf值

鄧肯-張模型中土體的應力應變關系可用式(1)表示：

(1)

(2)

由三軸固結排水試驗結果得到σ1-σ3與εi關系曲線，如圖2所示。

由式(2)可知，b為圖3中各直線斜率，a為圖3中各直線截距，由此可求得各級圍壓下的初始切線模量Ei以及(σ1-σ3)u，如表3所示。

表3 不同圍壓下的Ei和(σ1-σ3)u

根據式(3)求得破壞比Rf，如表4所示。

(3)

表4 破壞比Rf

3.3 K值和n值

簡布發現三軸試驗的Ei與圍壓σ3相關，如式(4)所示。

(4)

由圖4可知，n為0.716，K為313.4。

3.4 Kb值和m值

1980年鄧肯等人提出E-B模型，引入體變模量B，如式(5)所示，由三軸試驗結果計算各級圍壓下的體變模量B，如表5所示。

(5)

表5 各級圍壓下體變模量

由試驗可知，體變模量B與圍壓σ3有關，兩者在雙對數坐標中近似直線，如式(6)所示。

(6)

由圖5可知，m為0.405，Kb為248.1。

3.5 小結

綜上，鄧肯-張E-B模型參數如表6所示。

表6 鄧肯-張模型參數

4 結論

通過某機場道路全風化砂巖三軸固結排水試驗結果可知：

1)由試驗結果得到該地區全風化砂巖鄧肯-張模型的7個參數，為工程設計、理論計算及數值分析提供依據，為該地區工程設計及計算提供參考。

2)全風化砂巖試樣均為鼓脹變形破壞，切線模量和體變模量隨著圍壓增大而增大。

3)鄧肯-張模型較好地反映了全風化砂巖試樣的本構關系，應力應變曲線存在峰值，呈現應變軟化特性。