非饱和黏性土应力-应变曲线特性研究

张文春 佟瑞向 上官云龙

(吉林建筑大学 测绘与勘查工程学院,长春 130118)

0 引言

多数学者认为，非饱和土是由固体、水、空气和水气分界面或收缩膜组成的四相体系[1].尹俊等[2]人从工程实际角度出发提出了非饱和土本构模型的实用化路线并通过试验得出应力-应变双曲线模型.殷宗泽等[3]人认为用饱和度作非饱和土的变量更方便且更容易推广.陈茜等[4]人通过加工硬化曲线的试验参数和加工硬化曲线的割线模量分别与含水率的角度出发提出两种不同的考虑含水率的应力-应变曲线方法.通过理论和实验的验证,杨代泉[5]提出非饱和土弹性应力应变本构模型基本可以模拟非饱和土的主要变形.王斯海等[6]人通过分析含水率、颗粒级配及基质吸力对抗剪强度的影响，得出非饱和土抗剪很大程度上取决于基质吸力和吸应力之间的转化关系.凌华等[7]人通过引入含水率，研究非饱和土的强度和应力-含水率-应变关系.马田田等[8]人将SMP准则应用到非饱和土耦合本构模型中使其合理三维化，可有效将模型扩展至一般应力状态.通过已有实验数据的初步验证，提出非饱和土本构模型的合理性和适用性[9].

对非饱和土的研究，最重要是研究其应力-应变曲线特征即本构关系,但目前对非饱和土本构关系的研究大多是通过基质吸力开展的,忽略了土体围压对应力-应变曲线的影响,所获本构关系不足以指导实际工程.因此,本文拟基于基质吸力并改变围压值展开研究,以期获得更为符合实际的应力-应变曲线.

1 实验

1.1 实验仪器

本实验所用仪器GDS三轴仪由欧美大地研制,它由控制器(输出及控制轴压、围压、孔隙气压、孔隙水压及温度)、内外压力室及数据采集装置(数据采集板、传感器和电脑)等3大部分组成[10].

1.2 实验样本制作及实验步骤

1.2.1 实验样本制作

本样本取自长春某工程6m～6.8m深的原状土，取出原状土后用土样筒盛装并用白色布条封口，到实验室后首先将白色布条揭下，然后慢慢打开土样筒封口将手放在封口两侧慢慢晃动，最后将土样从土样筒中取出.取出土样筒后用钢丝锯将原装土的两端切掉，剩下的土样高出土样饱和器2cm～3cm即可，然后将土样放到分土器的正中心的位置后，用圆环从上往下快速切下将原状土均匀分成三部分，取出一部分放到削土器的上下圆盘之间并保证圆盘全部在土样中，然后用钢丝锯从上往下贴着削土器的侧板快速切下，一边切削一边转动，直到切削成满足土样饱和器的圆柱(高20cm，直径38.1mm)，随后将土样饱和器擦拭干净并涂上凡士林从削土器上取下削好的土样安装到土样饱和器上，将做好的样土用饱和器进行饱和.

1.2.2 实验操作步骤

GDSLAB软件调零→饱和陶土板→安装试样→安装内压力室并防水密封→外压力室安装并注水→检查压力室密封→GDSLAB软件参数及实验段设置→压力卸载→内外压力室拆除→取下试样数据处理.本次实验的实验阶段分为等吸力平衡、等吸力固结、等吸力剪切.

1.3 实验方案

本实验样本为长春典型的老黏性土，试验设计制备的圆柱土共6组,每组3个试样,总共18个土样.整个试验将基质吸力分为:0 kPa,50kPa,80 kPa,100kPa,150kPa,200kPa,并且每个基质吸力还要设置不同围压.本实验设置的围压分别为:100kPa,200kPa,300kPa.具体实验方案见表1.

2 结果和分析

相同基质吸力不同围压下应力-应变曲线见图1～图6.图1～图6的应力-应变曲线图的变化趋势基本一致,即前期曲线斜率比较大、后期曲线斜率较小,说明前期非饱和黏性土需较大的力，才能使土体产生应变，后期在相同压力下土体的应变增加,此现象与饱和黏性土应力-应变曲线反映的现象一致.由图1～图6不仅可以发现，在不同基质吸力但一定围压下，达到相同应变所需偏应力随基质吸力的增加而增加，还可以发现，在相同基质吸力条件下,达到相同应变围压100kPa～300kPa所需应力是不断增加的.此外，图1～图6中的应力-应变曲线没有明显峰值且峰值随应变增加不断增长.

图2 基质吸力(ua-uw)=50kPa下应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of matrix suction (ua-uw)=50kPa

图3 基质吸力(ua-uw)=80kPa下应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of matrix suction (ua-uw)=80kPa

图4 基质吸力(ua-uw)=100kPa下应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curves of matrix suction (ua-uw)=100kPa

图5 基质吸力(ua-uw)=150kPa下应力-应变曲线Fig.5 Stress-strain curves of matrix suction (ua-uw)=150kPa

图6 基质吸力(ua-uw)=200kPa下应力-应变曲线Fig.6 Stress-strain curves of matrix suction (ua-uw)=200kPa

3 结论

(1) 非饱和黏性土应力-应变曲线的增长趋势与饱和土应力-应变曲线一致,前期由于需要克服一些摩擦和内部结构的阻力需要较大的应力才可以使其产生应变.

(2) 不同基质吸力但一定围压下随着基质吸力的增加使土体的强度增加,这说明基质吸力对土体的强度有较大影响，特别是非饱和黏性土.

(3) 围压的增加可以增加非饱和黏性土抵抗破坏的能力，并能使应力-应变曲线趋势更平缓.

(4) 非饱和土应力-应变曲线没有峰值，这说明非饱和黏性土无明显破坏面，破坏时呈鼓状性且呈现硬化现象.