基于三轴试验的全风化砂岩邓肯-张模型参数研究

尹洪强，洪文彬，张树仁

(1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130061； 2.中建六局水利水电建设集团有限公司，天津 300000)

1 概述

某机场道路建设项目横穿东、西侧两处冲沟，该处为填方区，最大回填深度约62 m，回填料多取自机场开挖料，总填筑量约600万m3。回填填筑料场下部存在全风化砂岩层，需对其作为高填方回填料的工程特性进行研究，查明全风化砂岩土体在不同围压下的应力-应变关系，获取其抗剪强度参数[1]。邓肯-张模型是一种在土体应力-应变关系分析中广泛使用的非线性弹性模型，模型参数意义明确，可以通过三轴固结排水试验获取，因此，采用该模型对全风化砂岩的工程特性进行研究，研究成果可为工程设计、工程所在地区土体参数的获取及数值分析计算提供参考依据[2-5]。

2 全风化砂岩物理性质及试验方法

全风化砂岩取样深度2.7 m～2.9 m，为扰动土样，对所取全风化砂岩进行室内物理性质试验，得到各指标参数如表1所示。

表1 全风化砂岩物理力学参数

按压实系数0.96的干密度配置三轴固结排水全风化砂岩试样，即干密度为1.89 g/cm3，采用反压法进行试样饱和，试验仪器采用全自动三轴试验仪，自动施加围压，同时测量体积变形及压力变化。对试样施加100 kPa,200 kPa和300 kPa的围压，取应力应变曲线峰值点作为试样破坏标准以及试样终止标准，如无峰值点，则以试样轴向应变达到15%时的应力为破坏应力，此时试验停止，记录不同围压下全风化砂岩试样的剪切破坏情况[6-11]。

3 邓肯-张模型参数的确定

3.1 c值和φ值

不同围压下的破坏应力值如表2所示。

表2 不同围压下的破坏应力 kPa

根据表2绘制摩尔应力圆，如图1所示，拟合后得到全风化砂岩三轴固结排水试验下的抗剪强度指标c值和φ值，即内聚力为4.28 kPa，内摩擦角为38.27°。

3.2 Rf值

邓肯-张模型中土体的应力应变关系可用式(1)表示：

(1)

(2)

由三轴固结排水试验结果得到σ1-σ3与εi关系曲线，如图2所示。

由式(2)可知，b为图3中各直线斜率，a为图3中各直线截距，由此可求得各级围压下的初始切线模量Ei以及(σ1-σ3)u，如表3所示。

表3 不同围压下的Ei和(σ1-σ3)u

根据式(3)求得破坏比Rf，如表4所示。

(3)

表4 破坏比Rf

3.3 K值和n值

简布发现三轴试验的Ei与围压σ3相关，如式(4)所示。

(4)

由图4可知，n为0.716，K为313.4。

3.4 Kb值和m值

1980年邓肯等人提出E-B模型，引入体变模量B，如式(5)所示，由三轴试验结果计算各级围压下的体变模量B，如表5所示。

(5)

表5 各级围压下体变模量

由试验可知，体变模量B与围压σ3有关，两者在双对数坐标中近似直线，如式(6)所示。

(6)

由图5可知，m为0.405，Kb为248.1。

3.5 小结

综上，邓肯-张E-B模型参数如表6所示。

表6 邓肯-张模型参数

4 结论

通过某机场道路全风化砂岩三轴固结排水试验结果可知：

1)由试验结果得到该地区全风化砂岩邓肯-张模型的7个参数，为工程设计、理论计算及数值分析提供依据，为该地区工程设计及计算提供参考。

2)全风化砂岩试样均为鼓胀变形破坏，切线模量和体变模量随着围压增大而增大。

3)邓肯-张模型较好地反映了全风化砂岩试样的本构关系，应力应变曲线存在峰值，呈现应变软化特性。