初始固结应力对平面应变黄土剪切破坏特性影响

李宝平，杨 倩，张 玉,2，平高权，王 智

(1.西安工业大学建筑工程学院，陕西 西安 710021；2.西安理工大学陕西省黄土力学与工程重点实验室，陕西 西安 710048；3.西安理工大学岩土工程研究所，陕西 西安 710048)

黄土在中国西北分布广泛，其独特的大孔隙、结构性、水敏性等特点[1]，所引发的湿陷性、震陷性等均对实际工程有一定影响。深大基坑、边坡、路堤以及土石坝等工程均可近似归为平面应变问题，解决这类工程问题对推进“一带一路”的工程建设和地下空间开发工程具有实践意义。目前，对原状黄土强度的研究主要以直剪试验或常规三轴试验为主[2-3]，与工程中土的实际受力状态不相符，且应力路径和初始应力状态的改变均会影响土的强度、变形特性。孙书勤等[4]研究表明土的破坏应变随着固结围压的增大而减小，土体强度增强；邓国华等[5]、于清高等[6]研究了真三轴条件下黄土的结构性变化规律；杨利国等[7]揭示了中主应力对土强度的增强作用；施维成等[8]研究指出，平面应变条件下土的抗剪强度高于常规三轴状态结果；赵敏等[9]对重塑黄土进行了均压固结条件下的平面应变竖向加载试验研究分析；张玉等[10-11]等对原状黄土进行了均压固结条件下的平面应变竖向加载试验，揭示了原状黄土的平面应变剪切强度及破坏特性。还有一些研究成果也是基于均压固结平面应变试验得到[12-14]。然而在实际工程中，土体单元所受上覆土体自重荷载随着土层深度的增大而增大，土单元处于偏压固结应力状态。不同初始应力状态、不同应力路径均会对土的强度产生一定程度影响[15-16]，但偏压固结条件下的平面应变试验研究开展的较少[17-18]，以至于对平面应变偏压固结条件下黄土强度、变形特性的认识还不够深刻。因此，有必要在不同初始应力状态条件下，开展偏压固结的平面应变试验，揭示平面应变特定应力路径条件下黄土的强度、变形特性。本文通过平面应变改造后的真三轴进行偏压固结条件下平面应变试验研究，揭示原状黄土的剪切强度特性、破坏时的中主应力和中主应力系数的变化规律，研究结果可进一步完善原状黄土的平面应变试验研究，为黄土地区的工程建设提供试验依据和理论基础。

1 试验方案

按照《土工试验规范标准》[20]要求的方法，取自西安市月登阁村的原状黄土，其基本物性指标如表1所示。

表1 黄土物理性质指标

为保证原状土的稳定性，利用原状土样制样器进行制样。通过滴定法和自然风干法[17]，分别制备含水率为13%、17%、21%、24%的原状黄土试样，并将试样放置保湿缸中24 h以上，保证试样中的水分扩散均匀。

试验仪器采用经过平面应变改造后的西安理工大学真三轴仪[19]。采用黏性土的静止土压力系数K0=0.5～0.7时，则初始固结应力比Kc=1.5～2.0[21]：

(1)

式中：σ1，σ3——最大和最小主应力。

取初始固结应力比Kc=1.0，1.5，2.0，并在原状黄土试样施加中小主应力均为50，100，200,300 kPa的围压条件下进行均压固结(Kc=1.0)和偏压固结[22](Kc=1.5，2.0)排水试验。固结完成后，维持最小主应力及其垂直的另一侧面形变不变，进行竖向加载试验。加载方式为应变控制，加载速率为0.05 mm/min，当竖向应变达到12%视为试验结束[19]。

2 平面应变偏压固结剪切变形特性分析

图1为不同初始固结应力条件下原状黄土的主应力差 (σ1-σ3)与竖向应变ε1关系曲线，图2为不同初始固结应力比平面应变试验的广义剪应力q与剪应变εs关系曲线，其中：

(2)

由图1、图2可知，当含水率及围压一定时，土体强度随初始固结应力比Kc的增大而增大，表现出土的压硬性特征。当含水率为13%、围压为50 kPa时应力应变曲线为应变软化型，说明在低围压和低含水率的条件下黄土的原生结构较强, 当竖向荷载超过原生结构强度，则试样发生破坏且为脆性破坏。

当Kc值一定时，围压的增大导致原生结构破坏，次生结构形成，曲线形态由软化型转变为硬化型。土体颗粒的压密程度随着Kc值的增大而增大，土体强度增大，压硬性特性表现明显。

当围压一定时，含水率的增大对黄土原生结构的损伤作用显著。相同Kc值的曲线随含水率升高而降低，且曲线的拐点处可见含水率越大对应的剪应变εs值越小，表明含水率越大原状黄土的抗剪强度越低。

图1 不同初始固结应力条件下原状黄土的(σ1-σ3)-ε1关系Fig.1 (σ1-σ3)-ε1curves of intact loess under different initial consolidation stress ratios

图2 不同初始固结应力比条件下原状黄土q-εs关系Fig.2 q-εscurves of intact loess under different initial consolidation stress ratios

3 平面应变偏压固结剪切强度及破坏分析

当竖向应变达到12%时为破坏应变，取破坏时的平均主应力pf、广义剪应力qf以及中主应力σ2f、中主应力系数bf，分析原状黄土在等压及偏压固结条件下的强度及破坏特性。

3.1 原状黄土的强度特性分析

图3、图4分别为不同初始固结应力比与不同含水率条件下p-q平面的强度破坏线，其中：

(3)

分析图3、图4可知，原状黄土的抗剪强度及破坏时的p，q随初始固结应力比Kc的减小而减小、含水率的增大而减小，且不同固结条件下原状黄土试样在p-q平面的强度破坏线近似线性关系。

问卷调查结果显示出学生的跨文化能力比较欠缺,在态度和交往技巧方面问题较为严重,这些问题的存在将不同程度地影响学生与不同文化人群进行交际的质量。所调查的四大模块问题都与文化联系密切，其中非语言性因素占比最大。然而对于学习过《跨文化交际》课程的学生来说，跨文化能力明显强于其他学生，即便如此，这部分学生在实际的跨文化交际中仍然存在问题。由此可见，学生的外语素质亟待提高。

图3 不同初始固结应力比条件下p-q平面内强度破坏线Fig.3 Strength failure line on p-q plane under different initial consolidation stress ratios

图4 不同含水率条件下p-q平面内强度破坏线Fig.4 Strength failure line on p-q plane under different moisture content

3.2 黄土强度参数变化规律分析

根据试验数据绘制不同初始固结应力比条件下原状黄土黏聚力c和内摩擦角φ与含水率关系曲线、不同含水率的原状黄土黏聚力c和内摩擦角φ与初始固结应力比关系曲线，如图5、图6所示。

图5 不同初始固结应力比条件下原状黄土黏聚力、内摩擦角与含水率的关系Fig.5 c and φ changes with w under different initial consolidation stress ratios

图6 不同含水率的原状黄土黏聚力、内摩擦角与初始固结应力比关系Fig.6 c and φ changes with K under different moisture content

由图5可知，不同Kc值条件下的黏聚力c随含水率升高而降低，内摩擦角φ随含水率的增大而线性减小。当含水率从17%升高至21%的过程中，黏聚力迅速降低，呈现出较快的衰减趋势，表明原状黄土的含水率高于17%时强度衰减明显。当含水率大于21%时，黏聚力随Kc值增大而衰减速度减小，主要因为随着Kc值增大，黄土原生结构在固结时遭受明显破坏，致使黏聚力减小，土颗粒间的胶结物随含水率升高不断溶解，胶结黏聚作用逐渐消失。此外，当含水率超过塑限后，土颗粒间弱结合水膜逐步贯通，且贯通程度随含水率不断升高加大，黄土固结完成后黏聚力趋于稳定，因此含水率的再次增大对黏聚力的削弱效果不再明显。

由图6可知，当含水率一定时，黏聚力随着Kc值的减小而线性增大。这是由于土体原生结构破坏程度随着初始固结应力比Kc值的增大而增大，黏聚力降低。而当含水率相同时，原状黄土的内摩擦角φ随着Kc值的增大而线性增大。由于原生结构随着竖向固结应力的增大而发生破坏，改变了土体颗粒间联结特征，颗粒间挤密，土体颗粒间摩擦力增大，则内摩擦角增大。

3.3 破坏时中主应力分析

图7、图8分别为不同Kc值条件下破坏时的中主应力σ2f与固结围压、含水率的关系曲线。

从图7可以看出，σ2f均随着围压升高而增大。当含水率一定，在围压较小(σ3 c≤100 kPa)时土体原生结构较强，且Kc值增大对原生结构影响较小，故在剪切试验过程中不同Kc值条件下试样表现出的强度较为接近；而在围压较大 (σ3 c≥200 kPa)时Kc值的增大使土体压密，土体的压缩程度增大，压硬特性显著，破坏时强度升高，则σ2f随着Kc值增大表现出明显的升高趋势。

图7 不同初始固结应力比条件下破坏时σ2f-σ3 c关系Fig.7 Change law between σ2f and σ3 c under different initial consolidation stress ratios

图8 不同初始固结应力比条件下破坏时σ2f-w关系Fig.8 Change law between σ2f and w under different initial consolidation stress ratios

由图8可看出，在相同围压、不同Kc值条件下σ2f-w曲线均随着含水率增加而降低，且当围压较低时，不同Kc值的σ2f-w曲线较为一致；而当围压较高时，随着Kc值增大σ2f-w曲线升高趋势明显。

3.4 破坏时中主应力系数分析

图9、图10为不同Kc值条件下破坏时中主应力系数bf与固结围压、含水率的关系曲线。

图9 不同初始固结应力比条件下破坏时中主应力系数与固结围压关系Fig.9 Change law between b and σ3 c under different initial consolidation stress ratios

图10 不同初始固结应力比条件下破坏时中主应力系数与含水率关系Fig.10 Change law between b and w under different initial consolidation stress ratios

由图10可知，相同围压条件下的bf-σ3 c曲线亦随Kc值增大而降低。此外，当围压一定时，不同含水率条件下的bf值也不尽相同。当围压较小(σ3 c≤100 kPa)时，以含水率w=17%为界限，bf值随含水率的增大先降低再增大；而当围压较大(σ3 c≥200 kPa)时，bf值随含水率增大而增大。

由图9、图10的变化规律可知，平面应变条件下原状黄土破坏时的中主应力系数b=0.15～0.45；平面应变条件下围压及含水率对原状黄土破坏时中主应力系数受的影响较为明显。

4 结论

(1)平面应变条件下，偏压固结原状黄土的强度随着初始固结应力比的增大而增大，且显著高于均压固结；土体强度随着含水率的降低或围压的增大而增大。应力应变曲线形态随含水率及围压的升高由应变软化向弱硬化再向强硬化型转变。含水率的增大对黄土原生结构损伤明显，削弱了原状黄土抵抗变形的能力；围压升高使土体呈现出压硬性特征，提高土体强度。

(2)平面应变条件下，原状黄土的抗剪强度以及破坏时p，q随着初始固结应力比的减小或含水率的增大而减小。

(3)不同含水率及初始固结应力比条件下黄土平面应变强度破坏线均近似呈线性关系。黏聚力随初始固结应力比增大而线性衰减，随含水率升高而降低，含水率超过17%时衰减明显，均压固结时衰减较平缓。内摩擦角随含水率增大表现出线性减小，随初始固结应力比升高线性增大。

(4)破坏时的中主应力随固结围压的增大而增大，随含水率的增大而减小，随着初始固结应力比升高而增大。破坏时的中主应力系数b的范围在0.15～0.45之间。

(5)平面应变条件下固结围压、含水率均对原状黄土破坏时中主应力系数影响明显。