土体强度特性影响因素的试验研究

土体强度特性影响因素的试验研究

李军1，仲玥2

(1.陕西理工学院 土木工程与建筑学院， 陕西 汉中 7230002.西安理工大学 岩土工程研究所， 陕西 西安 710048)

[摘要]选取不同孔隙比的天然砂土试样进行排列后，对其在不同固结压力下进行常规三轴试验，重点探讨相同试验条件下，排列对砂土抗剪强度的影响。结果表明：排列情况下的砂和混合情况下的砂，试样的偏应力均随围压的增大而增大；相同围压下，排列试样的偏应力峰值明显高于混合试样的偏应力峰值；排列砂样的内摩擦角要大于混合砂样的内摩擦角。同时，利用kf曲线间接获得了排列和混合情况下砂土试样的抗剪强度曲线，并结合试验结果对莫尔-库伦准则进行了修正。

[关键词]三轴试验；抗剪强度；排列；莫尔-库伦准则

[文章编号]1673-2944(2015)05-0041-04

[中图分类号]TU433

收稿日期：2015-04-24

基金项目：国家自然科学基金资助项目(41372304)；陕西理工学院科研基金资助项目(SLGKY15-24)

作者简介：李军(1984—)，男，陕西省汉中市人，陕西理工学院讲师，博士生，主要研究方向为非饱和土力学。

土体的抗剪强度主要是由摩擦强度和粘结强度两部分组成，理论上认为砂土的黏聚力近似为零[1]，其抗剪强度仅仅取决于土体所受到的正应力和内摩擦角。摩擦强度包括滑动摩擦力(颗粒之间产生相对滑动时要克服由于颗粒表面粗糙不平而引起的滑动摩擦)和咬合摩擦力(颗粒之间相互镶嵌、咬合、连锁作用及脱离咬合状态而转移所产生的咬合摩擦)[2]。土的结构性是指土中颗粒或土颗粒的集合体以及它们的形状、排列组合方式、联结方式以及它们之间的孔隙大小等综合特征。因此，土的结构性就应该包括土中颗粒的排列特征(几何特征)和联结特征(力学特征)[3]。

屈智炯[4]的研究表明，在低围压下内摩擦角是随着孔隙比的减小而增大。R.Verdugo等[5]发现密砂在低围压情况下进行剪切会出现密砂的特征，反之，松砂在高围压情况下进行剪切会出现松砂的相关特性。也有一些研究人员以孔隙比、含水量、密度等物理指标对各种黏土及粗粒土的力学性质影响进行了探讨[6-8]。可见，大多数研究成果仅限于定性描述。为此，作者在相同试验条件下，仅就砂土的排列情况对其强度的影响进行了三轴试验，建立内摩擦角和排列之间的关系，进而对应用广泛的莫尔-库伦破坏准则进行了修正。

1试验方案与方法

1.1　试验土样及试验方案

试验用砂取自陕西理工学院附近的天然砂，对砂样进行洗砂、烘干、筛分等步骤，制成直径为3.91 cm，高为8 cm的试样。为了研究排列情况下砂土的强度特性，选择0.1~0.5 mm和0.5~1.0 mm两种粒径的砂进行排列组合，小粒径的砂在试样的下层，大粒径的砂在试样的上层，按照体积比3∶2进行配置。混合样按照相同体积进行制备，同时保证两种粒径的孔隙比是定值。为减小误差，每组试验均进行了3组平行试验，最后取其平均值进行分析。试验中利用漏斗法测量各个粒组最大孔隙比，利用振动锤击法测量最小孔隙比。为使砂样安全地从制样器安放到试验平台不至碎散，控制每组试样含水率均为13.0%，放置到冰箱冷冻4 h，控制净围压σ3分别为100、200、400 kPa。

1.2　试验仪器及试验方法

试验设备采用西安理工大学和西安力创计量设备有限公司联合研制的计算机控制的三轴试验仪，该仪器可在轴向方向实现应力控制和应变控制的加荷作用，轴向和径向应力可以完全独立的施加，也可在不同固结应力比下进行试验，可对实际工程下不同应力路径进行模拟，也可以同步改变轴向应力和径向应力来进行试验。

采用固结不排水试验，控制的常应变加载速率为0.055 mm/min，试验破坏标准按照峰值强度确定，本试验标准为轴向变形达到15%时，试验终止[9]。

2试验结果分析及讨论

2.1　应力-应变曲线

根据试验结果，得到排列砂样和混合砂样在不同压力下的应力-应变曲线，如图1—图3所示。

图1　混合砂样应力-应变曲线　　　　　　图2　排列砂样应力-应变曲线

(a) σ 3=100 kPa　　　　　　　　　　(b) σ 3=200 kPa　　　　　　　　　(c) σ 3=400 kPa　 图3　不同压力(σ 3)下排列和混合砂样应力-应变曲线

由图1—图3可知，两种砂样的应力-应变曲线呈现出如下变化规律：

(1)相同围压下，试样在开始阶段，应力、应变呈单调增加的趋势，随着剪切过程的延长，当应变增加到一定程度时，偏应力达到峰值，随着应变的继续增加，偏应力保持不变或逐渐减低到一定值后保持不变，成硬化型或弱软化型；

(2)相同条件下，随着围压的增加，偏应变的峰值强度相应增加；在高围压下，引起孔隙体积的压缩，土体微观结构改变，土颗粒的排列更加紧密，土体骨架更加坚硬，使其抵抗外部变形的能力大大提高，抗剪强度也随之增强；

(3)相同围压下，排列试样的偏应变峰值大于混合试样的偏应变峰值；

(4)同一应变下，偏应变随着围压的增大而显著增加。

2.2　 k f曲线(应力圆圆心-半径曲线)

如果莫尔应力圆顶点的坐标已知，那么土体中某点的应力状态也就被确定了。因此，采用应力莫尔圆的圆心为横坐标，应力莫尔圆的半径为纵坐标，绘制出排列砂样与混合砂样的kf曲线，如图4所示。

图4　k f曲线

这与采用传统的σ-τ应力坐标相比较，在(σ1+σ3)/2-(σ1-σ3)/2坐标图中，应力路径的表达形式有更多的优点。第一，应力路径上各点明确地表示土的应力状态，而不专指破坏面上的应力；第二，不必预知或假定破坏面方向；第三，特别对不考虑中主应力σ3影响的轴对称课题和平面应变课题，应用较为方便。在(σ1+σ3)/2-(σ1-σ3)/2坐标上的抗剪强度曲线用kf曲线表示，它的坡度和它与纵坐标轴的截距，可由抗剪强度指标通过几何关系推算得到，或者由土的极限平衡条件式推导出来。当土处于极限平衡状态时，有

(1)

土的抗剪强度曲线kf的表达式为

(2)

由于tanβ=sinφ，φ=arcsin(tanβ),

(3)

式中φ为摩擦角，β为坡角。本文按照理想情况下砂土没有粘结力，即c值(粘聚力)和a值(kf曲线与纵坐标轴的截距)均为0，只考虑摩擦力对其强度的影响。

从图4中可以清晰看出，拟合曲线的相关系数均大于0.99，说明拟合效果比较好，排列试样曲线的摩擦角明显大于混合试样曲线的摩擦角。这是由于，从微观上分析，土体内摩擦角的大小，体现在颗粒的排列方式对其滑动摩擦和咬合摩擦的影响方面。对于分层排列土样，每层土粒径大小相差较小，接触面较大，所需要的咬合摩擦力较大；同时，由于每两层土的交界面是两种粒径相差较大的土颗粒，其发生滑动摩擦所需的外力要大于同层土之间的力。

2.3　 k f曲线下的莫尔-库伦准则

本研究在对试验结果分析基础上，考虑排列结构的影响，利用kf曲线对莫尔-库伦准则[10]进行补充。极限状态时，莫尔-库伦强度准则的表达式可写为(1)式。理论上，由于砂土粘聚力c为零，由(1)式可得抗剪强度

(4)

由图4及其推导可得

(5)

利用修改后的莫尔-库伦准则计算土体抗剪强度就变得更加简便。

3结论

(1)影响土体强度的因素很多，但排列和混合形成了砂土的初始结构性，试验所施加的围压则形成了不同的诱导结构性，它们两者共同影响砂土的剪切强度。

(2)通过一系列试验，初步分析了排列和混合两种结构性对砂土力学性质的影响。

(3)通过引入kf曲线，完善了莫尔-库伦准则，使得求解抗剪强度变得更加容易。

文章虽然对排列和混合情况下砂土的强度进行了初步的试验研究，得到了初步结论，但对多种粒径组成的试样下的试验还没有进行大量研究，这方面的工作还有待继续完善。

[参考文献]

[1]王玉锁,陈炜韬,王明年.砂土质隧道围岩粘聚力影响因素的试验研究[J].水文地质工程地质,2006(6):48-51.

[2]朱强伟.压实黄土强度特性试验研究[D].西安：长安大学,2014.

[3]齐吉琳,谢定义,石玉成.土结构性的研究方法及现状[J].西北地震学报,2001,23(1):99-103.

[4]屈智炯.土的塑性力学[M].成都：成都科技大学出版社,1987.

[5]VERDURO R,ISHIHARA K.The steady state of sandy soils[J].Soil and Foundations,1996,36(2):81-91.

[6]李建红,张其光,孙逊,等.胶结和孔隙比对结构性土力学特性的影响[J].清华大学学报:自然科学版,2008,48(9):1431-1435.

[7]赖远明,张耀,张淑娟,等.超饱和含水率和温度对冻结砂土强度的影响[J].岩土力学,2009,30(12):3665-3670.

[8]程展林,丁红顺,吴良平.粗粒土试验研究[J].岩土工程学报,2007,29(8):1151-1158.

[9]中华人民共和国水利部.GB/T50123-1999土工试验方法标准[S].北京:中国计划出版社，1999.

[10]石寒.莫尔-库伦强度理论的修正[J].岩土力学,1994,15(3):46-50.

[责任编辑：李 莉]

Experimental study on the effect of soil strength properties

LI Jun1,ZHONG Yue2

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723000, China;2.Institute of Geotechnical Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

Abstract:Focusing on the arranged influence on the shear strength of sand under the same test conditions, we select natural and sequenced sands with different void ratio to do the conventional and triaxial tests under different consolidation pressures. Test results shows that deviatoric stress of the sample is increasing with the increase of confining pressure for the arranged sand and the mixed sand, under the same confining pressure, the deviatoric stress peak value of sequenced samples is obviously higher than mixed samples, and internal friction angle of the sequenced samples is higher than mixed sample. Meanwhile, we obtain the shear strength curve of sequenced and mixed sands with the kf curve, and revise the Mohr-coulomb criterion combined with the test results.

Key words:triaxial test;shear strength;arrangement;Mohr-coulomb criterion