劉 紅,馮 永 珍,張 吾 渝,王 鵬,杜 風(fēng) 宇
(1.中國電建集團(tuán)青海省電力設(shè)計(jì)院有限公司,青海 西寧 810008; 2.青海大學(xué) 土木工程學(xué)院,青海 西寧 810016; 3.青海省建筑節(jié)能材料與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青海 西寧 810016)
對(duì)土體材料所受主應(yīng)力軸往返循環(huán)旋轉(zhuǎn)路徑的研究,已成為現(xiàn)在巖土工程領(lǐng)域的重要課題。國內(nèi)外研究者開展了大量針對(duì)不同主應(yīng)力方向角循環(huán)旋轉(zhuǎn)對(duì)土體基本變形特性影響的研究。Powrie等[1]采用有限元模擬,計(jì)算得到在一個(gè)移動(dòng)車輪荷載周期內(nèi)路基中土單元體豎向和水平方向的應(yīng)力增量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。Blanc等[2]開展了干砂的主應(yīng)力軸純旋轉(zhuǎn)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)純旋轉(zhuǎn)過程中土體產(chǎn)生的塑性變形較大,認(rèn)為從本構(gòu)模型角度來看,研究塑性應(yīng)變更有意義。Sivathayalan等[3]對(duì)重塑中砂進(jìn)行主應(yīng)力軸循環(huán)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn),研究發(fā)現(xiàn)主應(yīng)力軸循環(huán)旋轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致中砂的應(yīng)變軟化。Lade等[4]發(fā)現(xiàn)原狀黏土的總體強(qiáng)度與旋轉(zhuǎn)的主應(yīng)力方向角密切相關(guān),未經(jīng)歷主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)的土體強(qiáng)度最大。Towhata等[5]對(duì)飽和的日本東京砂進(jìn)行了排水條件下的主應(yīng)力軸循環(huán)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)復(fù)雜應(yīng)力路徑下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系形成了滯回圈,而體應(yīng)變隨循環(huán)周期增加一直遞增。沈揚(yáng)等[6]分析了在主應(yīng)力軸循環(huán)旋轉(zhuǎn)條件下不同固結(jié)方式對(duì)粉土應(yīng)力應(yīng)變的影響。童朝霞[7]、 劉超[8]、扈萍[9]等對(duì)砂土進(jìn)行了應(yīng)力主軸往復(fù)循環(huán)旋轉(zhuǎn)路徑試驗(yàn),分析了砂土4個(gè)應(yīng)變分量及體應(yīng)變隨主應(yīng)力方向角旋轉(zhuǎn)周數(shù)的基本變形規(guī)律和非共軸特性。張文龍[10]對(duì)砂土開展了4組主應(yīng)力軸循環(huán)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)主應(yīng)力軸循環(huán)旋轉(zhuǎn)路徑下砂土產(chǎn)生了明顯的變形特性。沈揚(yáng)等[11-12]發(fā)現(xiàn)試樣在主應(yīng)力軸循環(huán)旋轉(zhuǎn)過程中孔壓始終持續(xù)開展,試樣應(yīng)變開展分兩階段變化模式。嚴(yán)佳佳等[13]分析了黏土在主應(yīng)力軸循環(huán)旋轉(zhuǎn)條件下彈塑性變形特性。錢建固等[14]發(fā)現(xiàn)了主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)下飽和軟黏土的變形具有累積效應(yīng)。張樹光等[15]發(fā)現(xiàn)飽和粉質(zhì)黏土土樣的軸向、環(huán)向、剪切應(yīng)變隨循環(huán)周期增加進(jìn)行周期性變化。王鈺軻等[16]得出原狀軟黏土的軸向、環(huán)向和剪切應(yīng)變?cè)谥鲬?yīng)力軸耦合旋轉(zhuǎn)作用下呈現(xiàn)出顯著差異變化規(guī)律。劉紅等[17]分析出定向剪切應(yīng)力路徑下主應(yīng)力方向角對(duì)重塑黃土各向異性具有顯著影響。
綜上可知,目前的研究對(duì)象以砂土和黏土為主,鮮少有對(duì)青海省西寧地區(qū)黃土在主應(yīng)力軸往返循環(huán)旋轉(zhuǎn)條件下變形特性研究成果。為了完善重塑黃土在主應(yīng)力軸往返循環(huán)旋轉(zhuǎn)條件下的變形特性,本文選取了15°,30°,45°,60°,75°,90°等6個(gè)主應(yīng)力幅值,進(jìn)行了有限主應(yīng)力方向角往返循環(huán)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)。
本文所用土樣為高寒高海拔地區(qū)青海省西寧市某施工場(chǎng)地的黃土,試樣的物理參數(shù)見表1。黃土的礦物成分十分復(fù)雜,XRD測(cè)試結(jié)果參照課題組解邦龍等[18]的研究成果,黃土中主要含有綠泥石、蒙脫石、鉀長(zhǎng)石、石英等。
表1 土樣物理參數(shù)
為了避免由端部效應(yīng)和尺寸效應(yīng)造成的試樣應(yīng)力分布不均勻的現(xiàn)象,本文空心圓柱試樣尺寸采用Tatsuoka等[19]通過試驗(yàn)研究得到的最佳尺寸:200 mm×100 mm×60 mm(高度×外直徑×內(nèi)直徑),空心圓柱試樣壁厚為20 mm。同時(shí),為了保證空心圓柱土樣均勻性好,將干土配成含水率為14.4%和濕密度為1.91 g/cm3的濕土,分10層在三瓣膜中進(jìn)行振搗壓實(shí),直至10層全部擊實(shí)完成,且無明顯分層現(xiàn)象,最后制成的空心圓柱土樣如圖1所示。
圖1 空心圓柱試樣Fig.1 Hollow cylindrical specimen
本文試驗(yàn)所采用儀器為英國GDS 空心圓柱扭剪儀??招膱A柱扭剪儀可以單獨(dú)或同時(shí)控制4個(gè)加載參數(shù):軸力W、扭矩MT、外圍壓Po與內(nèi)圍壓Pi。軸力在空心圓柱試樣上引起軸向應(yīng)力σz,扭矩在空心薄壁試樣上產(chǎn)生扭剪應(yīng)力τzθ,徑向應(yīng)力σr、環(huán)向應(yīng)力σθ由內(nèi)外圍壓耦合作用產(chǎn)生,應(yīng)力分量產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變?chǔ)舲、徑向應(yīng)變?chǔ)舝、切向應(yīng)變?chǔ)纽?、扭剪?yīng)變?chǔ)脄θ,空心薄壁土樣上單元體受力如圖2所示。根據(jù)土體的受力狀態(tài),空心圓柱扭剪儀將4個(gè)應(yīng)力參數(shù)轉(zhuǎn)化為平均主應(yīng)力p、中主應(yīng)力系數(shù)b、偏應(yīng)力q、大主應(yīng)力方向角α。在應(yīng)力模塊中設(shè)定這4個(gè)參數(shù),就可以實(shí)現(xiàn)主應(yīng)力軸往返循環(huán)旋轉(zhuǎn)的應(yīng)力路徑試驗(yàn)。參照Hight等[20]提出的應(yīng)力應(yīng)變公式進(jìn)行計(jì)算,p,b,q,α各參數(shù)與σz,σθ,σr,τzθ之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為
p=(σz+σr+σθ)/3
(1)
(2)
(3)
(4)
八面體剪應(yīng)變?chǔ)舘ct的計(jì)算公式為
(5)
圖2 空心圓柱試樣加載方式及單元體受力示意Fig.2 Schematic diagram of loading method of hollow cylindrical specimen and stress of unit body
本文將試樣在壓力室安裝完成后,對(duì)試樣進(jìn)行100 kPa圍壓的等向固結(jié),固結(jié)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)參照國家規(guī)范GB/T 50123-2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》,即試樣的軸向位移增量不大于0.01 mm/h時(shí)認(rèn)為固結(jié)完成。將試樣等壓固結(jié)完成后,首先進(jìn)行參數(shù)調(diào)試,將4個(gè)參數(shù)調(diào)整到平均主應(yīng)力p=100 kPa、中主應(yīng)力系數(shù)b=0.5、偏應(yīng)力q=45 kPa及主應(yīng)力方向角α=0°,然后進(jìn)行有限主應(yīng)力方向角往返循環(huán)旋轉(zhuǎn)10周期,周期為30 min,儀器每10 s記錄一次數(shù)據(jù),具體試驗(yàn)方案見表2。該試驗(yàn)方案主要對(duì)比分析不同主應(yīng)力軸往返循環(huán)幅值對(duì)重塑黃土基本變形特性的影響。
表2 循環(huán)試驗(yàn)方案及參數(shù)設(shè)置
以試樣B104為例,主應(yīng)力軸往返循環(huán)旋轉(zhuǎn)過程中4個(gè)加載參數(shù)隨循環(huán)周期的變化如圖3所示,其他試樣所受荷載形式與試樣B104相似,僅所施加荷載數(shù)值不同。
圖3 主應(yīng)力軸循環(huán)旋轉(zhuǎn)過程中圍壓、扭矩、軸力變化規(guī)律Fig.3 The law of confining pressure,torque,axial force changes during the rotation of the principal stress axis
由圖3可以發(fā)現(xiàn):主應(yīng)力軸往返循環(huán)旋轉(zhuǎn)過程中內(nèi)外圍壓的波形對(duì)稱變化,波形近似余弦,外圍壓呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì),內(nèi)圍壓則呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。內(nèi)圍壓旋轉(zhuǎn)過程中外圍壓基本大于內(nèi)圍壓,在每完成半個(gè)循環(huán)時(shí)內(nèi)外圍壓相等。試樣在主應(yīng)力軸往返循環(huán)旋轉(zhuǎn)過程中所施加的軸力波形和外圍壓相似,呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì),施加的扭矩波形與內(nèi)圍壓相似,呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì),都是近似余弦波形,每完成半個(gè)循環(huán)時(shí),軸力達(dá)到最小值,扭矩達(dá)到最大值,經(jīng)歷一個(gè)完整的循環(huán)時(shí),軸力達(dá)到最大值,扭矩達(dá)到最小值。
圖4為主應(yīng)力軸往返循環(huán)旋轉(zhuǎn)條件下,軸向應(yīng)變?chǔ)舲隨循環(huán)周期N的變化規(guī)律。
圖4 不同有限角度循環(huán)下軸向應(yīng)變變化曲線Fig.4 Variation curves of axial strain under different finite angle cycles
通過對(duì)比圖4(a)、(b)可知,在主應(yīng)力軸往返循環(huán)旋轉(zhuǎn)條件下重塑黃土軸向變形受主應(yīng)力方向角旋轉(zhuǎn)幅值的顯著影響。從圖4可以看出:主應(yīng)力軸循環(huán)幅值在15°,30°,45°時(shí),軸向應(yīng)變隨著循環(huán)周期增加總體趨勢(shì)向正向不斷增加,說明在主應(yīng)力軸往復(fù)循環(huán)旋轉(zhuǎn)的幅值不大于45°時(shí),試樣以壓應(yīng)變?yōu)橹鳎厮茳S土試樣表現(xiàn)為豎向壓縮變形。但試樣α=45°的結(jié)果與扈萍等[9]研究砂土在α=45°循環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)軸向應(yīng)變往負(fù)向發(fā)展的結(jié)果不同,說明黃土與砂土具有不同的變形特性,這主要是由于黃土為粉粒狀,具有結(jié)構(gòu)多孔特性。當(dāng)完成一次主應(yīng)力軸循環(huán)旋轉(zhuǎn)后軸向應(yīng)變并不能回到起點(diǎn),試樣會(huì)產(chǎn)生一定塑性應(yīng)變,塑性應(yīng)變的累積速率隨著循環(huán)周期增加而不斷降低。主應(yīng)力軸循環(huán)幅值為30°和45°時(shí),每次往返循環(huán)完成時(shí)累積的軸向應(yīng)變幾乎相等,但幅值變化不同。主應(yīng)力軸循環(huán)幅值在60°,75°,90°時(shí)的軸向應(yīng)變變化比較復(fù)雜,在主應(yīng)力軸往[0°~60°]、[0°~75°]、[0°~90°]正向旋轉(zhuǎn)時(shí),主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)初期軸向應(yīng)變向正向有小幅度的增加。這是因?yàn)樵谝粋€(gè)循環(huán)周期內(nèi),主應(yīng)力軸從0°旋轉(zhuǎn)到45°時(shí)σz>σθ;隨著主應(yīng)力方向角從45°進(jìn)一步增大,σz<σθ,軸向應(yīng)變開始向負(fù)向增加,試樣所受應(yīng)變由壓應(yīng)變變?yōu)槔瓚?yīng)變。當(dāng)主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)角度超過45°時(shí),試樣上作用的σz由大主應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾≈鲬?yīng)力,而σθ由小主應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇笾鲬?yīng)力,即軸向應(yīng)力減少,環(huán)向應(yīng)力增大,使得重塑黃土沿軸向方向產(chǎn)生明顯拉應(yīng)變。在主應(yīng)力軸往[60°~0°]、[75°~0°]、[90°~0°]逆向旋轉(zhuǎn)時(shí),土樣軸向應(yīng)變由負(fù)向轉(zhuǎn)向正向不斷增加,這是由于主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)角向0°靠近時(shí),作用在重塑黃土上的軸向應(yīng)力增大,這個(gè)過程使得土樣產(chǎn)生顯著的壓應(yīng)變。經(jīng)歷一個(gè)完整往復(fù)循環(huán)旋轉(zhuǎn)的試樣,軸向應(yīng)變最終變?yōu)閴簯?yīng)變。軸向應(yīng)變的幅值與主應(yīng)力方向角旋轉(zhuǎn)幅值密切相關(guān),主應(yīng)力方向角的幅值越大,軸向應(yīng)變的幅值越大。
圖5(a)~(b)為不同主應(yīng)力方向角往復(fù)循環(huán)條件下,重塑黃土徑向應(yīng)變?chǔ)舝與循環(huán)周期N的變化關(guān)系曲線。
圖5 不同有限角度循環(huán)下徑向應(yīng)變變化曲線Fig.5 Variation curves of radial strain under different finite angle cycles
由圖5可見,在主應(yīng)力軸往返循環(huán)旋轉(zhuǎn)條件下,試樣在徑向方向發(fā)生較大膨脹變形,均產(chǎn)生拉應(yīng)變,與試樣軸向應(yīng)變變化規(guī)律明顯不同。主應(yīng)力軸在不同角度進(jìn)行往返循環(huán)時(shí),試驗(yàn)所設(shè)應(yīng)力條件p,q,b均為定值,土體所受σ1,σ2,σ3也為定值,且σr=σ2,主應(yīng)力軸在不同角度進(jìn)行循環(huán)時(shí),所受主應(yīng)力大小保持不變,而徑向應(yīng)變(即中主應(yīng)變)每?jī)蓚€(gè)周期的增長(zhǎng)曲線近似“W”形,試樣在前兩個(gè)循環(huán)周期內(nèi)徑向應(yīng)變?cè)黾铀俾首羁?,隨著循環(huán)周期增加,徑向應(yīng)變?cè)黾铀俾手饾u變緩,徑向應(yīng)變總體趨勢(shì)仍是往負(fù)向不斷增加。說明在主應(yīng)力大小不變的情況下,由于主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn),依然會(huì)產(chǎn)生彈性與塑性徑向應(yīng)變。很多經(jīng)典本構(gòu)模型考慮的是主應(yīng)力變化導(dǎo)致應(yīng)變發(fā)生改變,卻無法考慮主應(yīng)力軸變化產(chǎn)生的應(yīng)變。主應(yīng)力方向角幅值為15°時(shí),徑向應(yīng)變波動(dòng)幅度不明顯,產(chǎn)生的徑向應(yīng)變較小。主應(yīng)力軸循環(huán)幅值為30°,45°,60°,75°時(shí),每一個(gè)循環(huán)周期內(nèi),徑向應(yīng)變都經(jīng)歷了負(fù)向和正向增長(zhǎng),產(chǎn)生拉應(yīng)變的變化幅值大于壓應(yīng)變的變化幅值,徑向應(yīng)變的總體上變化規(guī)律基本相同。主應(yīng)力軸進(jìn)行[0°~90°]循環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí),徑向應(yīng)變的幅值變化比較明顯,經(jīng)歷過10次循環(huán)旋轉(zhuǎn),試樣累積的塑性變形量較大。[0°~90°]循環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)累積產(chǎn)生的塑性應(yīng)變約為主應(yīng)力軸循環(huán)區(qū)間為[0°~30°]、[0°~45°]、[0°~60°]、[0°~75°]的兩倍。在相同旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)最大徑向應(yīng)變隨著主應(yīng)力方向角的增加而增大,負(fù)向最大徑向應(yīng)變隨著循環(huán)旋轉(zhuǎn)周期的增加越來越大。
圖6對(duì)比了大主應(yīng)力軸有限角度往返旋轉(zhuǎn)條件下主應(yīng)力方向角幅值對(duì)試樣切向應(yīng)變的影響。對(duì)比圖6中(a)、(b)可以發(fā)現(xiàn):不同有限角度的往返循環(huán)條件下試樣切向應(yīng)變呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì),在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)先產(chǎn)生正的切向應(yīng)變?cè)佼a(chǎn)生負(fù)的切向應(yīng)變,每個(gè)循環(huán)周期內(nèi)切向應(yīng)變曲線的增加形式近似倒“V”形增長(zhǎng)。這是由于隨著主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)角度的增大σz逐漸減小σθ逐漸增大,旋轉(zhuǎn)角度越大,σθ越接近大主應(yīng)力,因此變形也越大。在半個(gè)周期內(nèi)σθ逐漸增大到最大值,后半個(gè)周期內(nèi)σθ逐漸減小,變形同時(shí)也在減小。在主應(yīng)力軸循環(huán)區(qū)間為[0°~15°]、[0°~30°]、[0°~45°]時(shí),產(chǎn)生正的切向應(yīng)變要小于負(fù)的切向應(yīng)變,經(jīng)歷一個(gè)周期主應(yīng)力軸往返循環(huán)旋轉(zhuǎn)后,試樣最終的切向應(yīng)變?yōu)樨?fù),切應(yīng)變向負(fù)向積累。在主應(yīng)力軸循環(huán)區(qū)間為[0°~15°]、[0°~30°]、[0°~45°]時(shí),切向應(yīng)變向正向增加的和負(fù)向減少的量幾乎相等,在整個(gè)主應(yīng)力軸往返循環(huán)旋轉(zhuǎn)過程中切向應(yīng)變幾乎沒有塑性應(yīng)變積累,切向應(yīng)變上下波動(dòng),產(chǎn)生的都是彈性切向應(yīng)變,經(jīng)歷10個(gè)循環(huán)周期切向應(yīng)變又回到0,這與翁效林等[21]研究西安市重塑黃土得出的結(jié)論不同,說明黃土具有很強(qiáng)的地域性,青海省黃土處于高海拔、氣候干燥地區(qū),孕育了黃土獨(dú)特的物理、力學(xué)特性。
圖6 不同有限角度循環(huán)下切向應(yīng)變變化曲線Fig.6 Variation curves of tangential strain under different finite angle cycles
為了更好地描述土體的受力狀態(tài),采用Zdravkovic等[22]的八面體剪應(yīng)變方法,來闡述大主應(yīng)力方向角往復(fù)循環(huán)旋轉(zhuǎn)過程中土體的變形規(guī)律,八面體剪應(yīng)變隨循環(huán)周期變化的規(guī)律如圖7所示。從圖7中可以看出,主應(yīng)力方向角的往返循環(huán)幅值對(duì)試樣八面體剪應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)形式具有較大影響,每?jī)蓚€(gè)循環(huán)周期曲線的波動(dòng)形式近似“W”形。在主應(yīng)力方向角α≤45°時(shí),八面體剪應(yīng)變?cè)谡?fù)方向波動(dòng)增長(zhǎng),在主應(yīng)力方向角大于45°時(shí),八面體剪應(yīng)變只往負(fù)向波動(dòng)增長(zhǎng)。在主應(yīng)力方向角α≤30°時(shí),八面體剪應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)幅度很小,說明試樣受主應(yīng)力軸循環(huán)旋轉(zhuǎn)路徑影響較小。在主應(yīng)力方向角為45°時(shí),八面體剪應(yīng)變往正向增長(zhǎng)幅度較快,累積塑性應(yīng)變的速率隨循環(huán)周期增加越來越慢,最終累積為正的八面體剪應(yīng)變,說明土體產(chǎn)生了剪脹。在主應(yīng)力方向角超過45°進(jìn)行循環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí),隨著循環(huán)周期的增加,重塑黃土產(chǎn)生負(fù)的八面體剪應(yīng)變,循環(huán)主應(yīng)力方向角越大,八面體剪應(yīng)變變化的幅值越大。主應(yīng)力方向角為90°時(shí)累積的八面體剪應(yīng)變?yōu)橹鲬?yīng)力方向角60°的3倍左右。說明主應(yīng)力方向角越大,試樣受主應(yīng)力軸循環(huán)旋轉(zhuǎn)應(yīng)力路徑影響越大,且試樣產(chǎn)生剪縮現(xiàn)象。
圖7 不同有限角度循環(huán)下八面體剪應(yīng)變變化曲線Fig.7 Variation curves of octahedral shear strain under different finite angle cycles
本文對(duì)青海省西寧地區(qū)的重塑黃土進(jìn)行了有限主應(yīng)力方向角往返循環(huán)旋轉(zhuǎn)的應(yīng)力路徑試驗(yàn),得到以下結(jié)論:
(1) 重塑黃土軸向應(yīng)變與主應(yīng)力方向角幅值密切相關(guān),試樣在前兩個(gè)周期軸向應(yīng)變的累積速率最快,經(jīng)歷10個(gè)循環(huán)周期,試樣最終累積為壓應(yīng)變,α>45°比α≤45°旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的拉應(yīng)變更明顯。
(2) 試樣徑向應(yīng)變不斷向負(fù)向波動(dòng)發(fā)展,循環(huán)的主應(yīng)力方向角越大,產(chǎn)生的徑向應(yīng)變?cè)矫黠@。循環(huán)完成后試樣在徑向上變現(xiàn)為膨脹變形。
(3) 主應(yīng)力軸循環(huán)幅值對(duì)試樣的切向應(yīng)變影響在α>45°時(shí),旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的切向應(yīng)變都是彈性的,幾乎沒有塑性應(yīng)變累積,循環(huán)完成后切向應(yīng)變回到原點(diǎn)。
(4) 重塑黃土八面體剪應(yīng)變隨著循環(huán)周期的增加而增加,α≤45°時(shí)八面體剪應(yīng)變有總體向正向增加的趨勢(shì),α>45°時(shí)八面體剪應(yīng)變總體趨勢(shì)向負(fù)向增加。