真三軸試驗條件下結(jié)構(gòu)性黃土的屈服破壞變化規(guī)律

張喆 邵生俊 羅愛忠

摘 要：為了更好地探究結(jié)構(gòu)性黃土屈服破壞動態(tài)過程規(guī)律，本文改進原真三軸儀壓力室，提出了一種復合加載真三軸儀水平柔性加載向變形直接量測的方法，進行了原狀黃土復雜應力條件下的真三軸試驗研究。結(jié)果表明該變形量測方法合理可靠。同時，分析了結(jié)構(gòu)性黃土在復雜應力條件下屈服破壞變化規(guī)律。

關鍵詞：結(jié)構(gòu)性黃土;屈服破壞;真三軸試驗;強度規(guī)律

中圖分類號：TU431 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）05-0137-04

Variation Law of Yield Failure of Structural Loess under True Triaxial Tests

Zhang Zhe1，2， Shao Shengjun2， Luo Aizhong2

（1. Shaanxi Polytechnic Institute， Xianyang 712000，China;

2. Institute of Geotechnical Engineering， Xi an University of Technology， Xi an 710048， China）

Abstract：In order to better explore the dynamic process law of yield failure of structural loess， this paper improves the original triaxial pressure chamber ， and proposes a method of direct measurement of the horizontal flexible loading to the deformation of the composite loading true triaxial apparatus. The results show that the method of deformation measurement is reasonably reliable. At the same time， the law of yield failuree of structural loess under complex stress conditions is analyzed.

Key words：structural loess; yield failure; true triaxial test; strength law

以往研究本構(gòu)模型時，往往假定不同應變條件下土的屈服面相似，故直接研究土體強度破壞面，但天然土在沉積過程中都會形成一定程度的結(jié)構(gòu)性[1]，且大量試驗證明，土的結(jié)構(gòu)性對土的力學行為特性具有較大影響沈珠江[3]認為，為了更好地模擬具有結(jié)構(gòu)性土的真實強度與變形特性，人們應當從傳統(tǒng)理論建立的彈塑性模型轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)性模型研究[5-6]。土的結(jié)構(gòu)性本構(gòu)模型研究是21世紀土力學的核心問題[4]。而天然黃土作為一種結(jié)構(gòu)性較強的土，應將其強度發(fā)揮視為一個動態(tài)變化過程[7]。

1 結(jié)構(gòu)性黃土真三軸試驗

1.1 試驗儀器簡介

西安理工大學巖土工程研究所獨立研制的 XGT-1 真三軸儀采用的是剛?cè)釓秃霞虞d的加載方式[8-10]。該儀器在軸向（σ1）采用剛性加載方式，在側(cè)向（σ2、σ3） 采用柔性加載方式。原試樣采用 70mm×70mm×70mm 的方樣。但研究表明，該尺寸試樣對于研究土的強度存在一定的試驗誤差，由于該真三軸儀器采用的是方樣，而軸向加載采用剛性加載方式，這就使得試樣剪切過程中在剛性加載方向的上下兩個試樣端面上存在較大的端部約束。在中主應力比 b=0 時，和常規(guī)三軸試驗相比，真三軸試驗結(jié)果偏大。試樣破環(huán)面也因為此約束而呈現(xiàn)較多的破壞模式根據(jù)圣維南原理（ Saint-Venants Principle ）， 將 試 樣 調(diào) 整 為70mm×70mm×140mm 長方體高樣，增加軸向加載方向的試樣高度，同時對壓力室進行了改造，如圖1所示。如此， 在試樣剪切過程中很好的消除了端部約束對試驗結(jié)果的影響[11]。

針對側(cè)向柔性加載方式真三軸儀不能準確量測側(cè)向變形的問題，在 XGT-1 真三軸儀壓力室基礎上，側(cè)向增加了直接的側(cè)向變形量測機構(gòu)，該機構(gòu)包括百分表、側(cè)向位移量測導桿的連接裝置、壓力腔內(nèi)液壓囊密封裝置如圖1所示[12]。其工作原理：所述側(cè)向位移量測導桿的連接裝置包括可沿水平向自由移動，穿越壓力室側(cè)壁，且與試樣側(cè)壁面接觸的側(cè)向位移量測導桿的一端位于壓力室外側(cè)，另一端連接與試樣側(cè)壁面直接接觸的內(nèi)端板，這樣百分表就會隨時采集到連接導桿內(nèi)端板隨著試樣側(cè)壁的變形，即直接量測得到側(cè)向變形。這種方法比之前通過伺服步進電機推動液壓缸體積換算試樣側(cè)向變形的方法直接，準確度和可靠度更有保證。

1.2 試驗方案

本次試驗試樣采取自陜西西安白鹿塬裸露剖面上的原狀結(jié)構(gòu)性黃土，經(jīng)室內(nèi)試驗測定， 此原狀黃土主要物理指標如表 1 所示。

由原狀黃土制備了長方體高試樣（70mm×70mm×140mm），進行了固結(jié)圍壓分別為 50 kPa、100kPa、200kPa、300kPa，中軸應力比 b 分別為 0、0.1、0.25、0.35、0.5、0.6、0.75、0.85、1.0 的排水剪切真三軸試驗，共計 36 個試樣。

1.3 試驗結(jié)果分析

圖2給出了該結(jié)構(gòu)性黃土在真三軸試驗條件下相同圍壓σ3c不同中主應力比b值的廣義剪應力q與廣義剪應變εs關系曲線（q～εs曲線）。

圖3給出了該結(jié)構(gòu)性黃土在真三軸試驗條件下相同圍壓σ3c不同中主應力比 b 值的廣義剪應力比q/p與廣義剪應變 εs 關系曲線（q/p～εs 曲線）。

通過對比給出以下分析結(jié)論：除在小圍壓、小變形狀態(tài)下出現(xiàn)交叉，曲線整體形態(tài)光滑，規(guī)律性較好。驗證了該壓力室改進后真三軸儀的可靠性。

2 結(jié)構(gòu)性黃土的屈服破壞特性

圖 4 給出了破壞廣義剪應力與中主應力比的單對數(shù)關系曲線，可以看出破壞廣義剪應力隨著 b 值的增大呈近似斜率較小的直線遞增趨勢。隨固結(jié)圍壓增大，該曲線整體上升，土體抵抗剪切破壞能力增強。

圖 5 給出了破壞應力比與中主應力比關系曲線， 可以看出破壞應力比隨著中主應力比的增大呈下降趨勢，甚至于小于 1。由以上可看出中主應力的變化對廣義剪應力的貢獻要小于對球應力的，中主應力提高，會增強土體中土顆粒間的咬合摩擦作用，土壓硬性能更好發(fā)揮，同時間接地抵抗剪切變形能力提高抗，卻破壞了土顆粒間僅對抗剪切水平有利的膠結(jié)聯(lián)接作用。

圖6、圖7、圖8、圖9分別給出了本次試驗p-q平面強度破壞線、π平面的強度破壞線和不同應變相同球應力p=400kPa的屈服破壞線，且規(guī)律性較好。

圖 7 可以看出在球應力較小時，即加荷初期，土體內(nèi)部原生結(jié)構(gòu)遭到破壞，次生結(jié)構(gòu)開始形成，處于動態(tài)的內(nèi)部調(diào)整階段，土的力學性狀較為不穩(wěn)定，隨著變形發(fā)展土體的壓硬性占主導地位，壓損性逐漸消失，內(nèi)部調(diào)整基本完成，破壞強度整體上升趨于穩(wěn)定， 宏觀表現(xiàn)為試樣整體變形。

圖 8 可以看出隨著球應力的增大，破壞面不斷向外擴張，土體壓硬性增強，同時可以很明顯的發(fā)現(xiàn)試驗破壞線隨球應力增大由靠近 Mises 圓向靠近Mohr-columb 不等角六邊形發(fā)展，且形狀亦從類圓向不等角六邊形過渡。直接反映了原生結(jié)構(gòu)破壞，次生結(jié)構(gòu)形成趨于穩(wěn)定的動態(tài)變化過程?？山评斫鉃閺姆?Mises 準則向 Mohr-columb 準則動態(tài)過渡，從符合較強結(jié)構(gòu)性的原狀黃土向擾動后的重塑黃土過渡。

圖9可以看出即使相同球應力下應變發(fā)展不同，屈服面明顯不同，且π平面上的屈服面隨應變發(fā)展不斷向外擴張，曲率逐漸變小，且應變較大時相似性越明顯，土體結(jié)構(gòu)的影響逐漸削弱。

3 結(jié)語

（1）通過改進原真三軸儀壓力室，提出了一種復 合加載真三軸儀水平柔性加載向變形直接量測的方法， 在此基礎上進行了原狀黃土不同圍壓、不同應力路徑 下的真三軸試驗研究分析，得出以下結(jié)論：

通過對原真三軸壓力室的改進，研制了直 接變形量測機構(gòu)。與原間接方法比較，直接量測機構(gòu)可避免柔性加載向壓力傳輸尼龍管等受力變形及加壓蒸餾水中進入空氣等對中、小主應力方向變形測試結(jié)果的影響，使試驗結(jié)果更加合理可靠。

（2）對于粘粒含量較高的黃土，在含水率較高時，結(jié)構(gòu)性較弱，較小圍壓狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)性遭到破壞， 在真三軸剪切過程中應力應變曲線基本呈硬化型。

（3）中主應力變化對球應力貢獻較廣義剪應力要高，中主應力提高，會增強土體中土顆粒間的咬合摩擦作用，土壓硬性能更好發(fā)揮，同時間接地抵抗剪切變形能力提高抗，卻破壞了土顆粒間僅對抗剪切水平有利的膠結(jié)聯(lián)接作用。

（4）隨著球應力的增大，破壞面不斷向外擴張，土體壓硬性增強，同時可以很明顯的發(fā)現(xiàn)試驗破壞線隨球應力增大由靠近Mises圓向靠近Mohr-columb不等角六邊形發(fā)展，且形狀亦從類圓向不等角六邊形過渡。實際為原生結(jié)構(gòu)遭到破壞，次生結(jié)構(gòu)開始形成，處于動態(tài)的內(nèi)部調(diào)整階段，土的力學性狀較為不穩(wěn)定。同時伴隨土壓硬性增強，壓損性削弱?？山评斫鉃閺姆螹ises準則向Mohr-columb準則動態(tài)過渡，從符合較強結(jié)構(gòu)性的原狀黃土向擾動后的重塑黃土過渡。

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