不同应力路径下结构性土的力学特性试验研究

不同应力路径下结构性土的力学特性试验研究

1天然硬黏土特性的特性近年来，结构土壤的力学、强度和破坏特征的研究取得了很大进展。研究人员进行了大量的实验和理论研究。试验研究方面，进行了结构性土的屈服强度特性的研究并与重塑土进行了对比，对强结构性天然沉积土的土工特性进行了室内试验研究。理论研究方面，建立了考虑结构性土损伤特性的本构模型和以适用于重塑土的Cam-Clay模型为基础的结构性土模型。由于天然土在受荷过程中会经历不同的应力路径，比如深基坑的开挖，隧道的施工过程等，所以也开展了结构性土在不同的应力路径下的力学特性的试验研究，采用真三轴应力路径控制研究了天然软土的力学特性并与重塑土的进行了对比，采用人工制备结构性土样进行了剪切过程中不断改变应力路径的常规三轴试验，对天然硬黏土进行了不同应力路径下的真三轴试验来探讨其力学特性。本文对结构性土样在不同应力路径下的力学特性进行了试验探讨。所用的土样是人工室内制备的结构性土试样，进行了不同的固结应力状态下常围压、减小围压和增大围压时施加竖向应力直至土样破坏的固结排水和固结不排水三轴试验，对结构性土样在不同的应力路径下的强度特性、破坏特性和变形特性进行了探讨和分析，为建立结构性土样在复杂应力路径下的合理本构模型提供试验依据。2样品制备方法和应力路径2.1水泥颗粒的制备本试验所用的土料为北京市附近的粉质黏土，土料的物性指标为：Lw=38.28%，Pw=22.04%。将土料自然风干后过0.5mm的筛子，加入质量20%的国产高岭土土料，然后加入一定含量的国产42.5R硅酸盐水泥，配成混合料，添加的水泥含量为土料质量的5%。盐粒由国产的大粒径的使用盐碾碎并过0.5mm的筛子制成。制样严格按照相关标准进行，采用标准击实器，将所需质量的混合料分4层击实。每层混合料都添加了5g盐粒，然后拌和均匀，进行击实，击实后的土样的密度ρ=1.473g/cm3，含水量w=2.55%。然后将击实完成的装有土样的饱和器放入饱和灌中进行抽气饱和，饱和完成后把饱和器放入流动的水中，并保证土样完全浸在水里，通过水的流动循环可以把溶解的盐粒冲走而形成具有胶结作用和大孔隙的结构性土样。操作方法严格按照相关国家标准进行。试验时进行反压饱和，以保证饱和度在98%以上。2.2竖向应力至破坏应力路径所采用的应力路径共有3种，如图1所示为总应力路径示意图，其中OA段表示等向固结阶段，AB段表示围压不变而增大竖向应力直至破坏应力路径，AC段表示减小围压的同时增大竖向应力至破坏应力路径，AD段表示增加围压的同时增大竖向应力至破坏应力路径。试验过程中固结排水时的加(卸)荷速率为0.01mm/min，固结不排水时的加(卸)荷速率为0.08mm/min。3试验结果3.1总围压为常数按照图1所示的3种应力路径，共进行了固结应力分别为25,50,100和200kPa下的三轴固结不排水试验(其中固结应力为50kPa时没有进行图1所示的AD应力路径)，得到偏应力q、孔压u与轴向应变ε1的关系如图2～5所示，其中q=σ1-σ3。由以上的偏应力–应变曲线可知，在不同的固结应力状态下，当总围压为常数或增大时(图1中的OAB,OAD应力路径)，表现为不同程度的应变硬化现象，当固结应力低时OAD应力路径下硬化现象明显，而当固结应力高时OAD应力路径下硬化现象不明显直至出现塑性流动现象；当总围压降低时(图1中的OAC应力路径)表现为不同程度的应变软化现象；当固结应力低时软化现象不明显却接近于塑性流动，而随着固结应力的增大，软化现象越来越明显。由孔压–应变曲线可以看出，在不同的固结应力状态下，当总围压为增大时(OAD应力路径)，随着应变的增大孔压一直增大，直到试样破坏还有增大的趋势；当总围压为常数时(OAB应力路径)，随着应变的增大孔压一直增大到某一值稳定下来，随着固结应力的增加孔压稳定所需的应变也增加，且固结应力很低时孔压会到某一值后随应变的增加反而稍有降低；当总围压减小时(OAC应力路径)，孔压增大到某一值后会降低很多，可以降低到负值(孔压以压为正)。3.2偏应力–应变本构模型共进行了固结应力分别为50,100和150kPa下的三轴固结排水试验，所采用的应力路径为图1所示的OAC和OAB两种。得到偏应力q、体应变εv与轴向应变ε1的关系如图6～8所示。从图6～8中的偏应力–应变曲线可以看出，在不同的固结应力下常围压时(OAB应力路径)均表现出了应变硬化现象，并且随着固结应力的增加(也即围压的增加)应变硬化现象越来明显；在不同的固结应力下减小围压时(OAC应力路径)均表现出了应变软化现象，并且很明显。从图6～8中的体应变–应变曲线可以看出，在不同的固结应力下常围压时(OAB应力路径)均表现出了体积收缩现象，并且随着固结应力的增加(也即围压的增加)体积收缩的越大；在不同的固结应力下减小围压时(OAC应力路径)均表现出了体积先收缩达到某一值后体积开始增大，即发生剪胀现象，但是土样单元的总体体积表现为剪缩，并且随着固结应力的减小剪胀的越明显。3.3不排水条件下的总围压3种不同的应力路径在不同的固结应力状态下和不同的排水条件下得到的试验现象有很大的不同，这是由结构性土的颗粒之间的胶结作用和孔压的消散程度引起的有效应力的不同所引起的。颗粒之间的胶结强度在固结应力较低时基本不破损，而在固结应力较高时会受很大的破损。排水条件下孔隙水压力可以完全消散，而不排水条件下的孔隙水压力不能消散使得有效应力大为减小。在不排水条件下，当固结应力低时，有效围压很低，在破损过程中胶结强度发挥了重要作用，故在总围压为常数或增加时，软化现象不太明显；当固结应力高时，胶结强度受到了破损，土样所表现出的性质类似于重塑土的，破损过程中表现为塑性流动或稍有软化。而在不排水条件下，总围压降低时，低固结应力下胶结强度发挥作用，表现为塑性流动，而高围压时表现为很强的应变软化。排水条件下，不同的固结应力状态时胶结强度的影响同以上的解释，只不过这时的有效应力等于施加的总应力，使得有效围压比不排水条件下增大许多，由于此处的试验最小围压是50kPa(不是很低)，不便做更深刻的解释。4永延路径和强度特性4.1固结应力状态图9(a)～(d)分别为固结应力为25,50,100和200kPa时的不排水试验条件下的有效应力路径变化图。可以看出，较低的固结应力状态(图9(a))下的结构性土样应变软化的最为明显。有效应力路径和高的固结应力状态下的有效应力路径有很大的不同，这是由土样的结构性引起的，较高的固结应力会部分或全部破坏土颗粒之间的胶结强度，而较低的固结应力状态下土颗粒之间的胶结强度是在加荷过程中逐渐破损的。4.2排水有效应力路径变化图图10(a)～(c)分别为固结应力为50,100和150kPa时的排水试验条件下的排水有效应力路径变化图。由图10可知，对于不同的固结应力条件下减小围压时(OAC应力路径)都表现出了应变软化现象，而围压为常数时(OAB应力路径)表现为硬化现象。4.3结构屈服强度线图11(a)，(b)分别为结构性土样在固结不排水和固结排水时的不同应力路径下的强度特性。排水与不排水条件的强度包络线类似，且强度包络线在应力状态较低时为非线性的，而应力状态较高时近似为线性的，以结构屈服强度为界。结构性土的强度特性与颗粒之间的胶结作用有很大的关系，在固结应力较低时，胶结强度受损很少，而固结应力较高时，胶结强度受损的很多，所以得到了在低应力状态时强度呈非线性的变化，而应力状态较高时强度变化为线性的，可以用Mohr-Coulomb强度准则描述。5排水对结构性土样力学特性的影响通过人工制备结构性土样在不同应力路径下的排水与不排水三轴试验，对结构性土的力学特性、强度特性和变形特性进行了分析和探讨，得到以下几点结论。(1)在不同的应力路径和排水条件下，结构性土样表现出了不同的应力应变特性和孔压特性。在不排水条件下，当在不同的固结应力状态下进行试验时，当总围压为增大时，土样表现为不同程度的应变硬化现象，而孔压一直增大，直到试样破坏还有增大的趋势；当总围压降低时，土样表现为不同程度的应变软化现象，而孔压增大到某一值后会降低很多。在排水条件下，当在不同的固结应力下常围压时均土样表现出了应变硬化现象和体积收缩；而减小围压时土样均表现出了应变软化现象和剪胀现象。(2)颗粒之间的胶结作用对结构性土样在不同的应力状态下的力学特性影响很大。颗粒之间的胶结强度在固结应力较低时基本不破损，而在固结应力较高时会受很大的破损。当应力水平较低