增减湿效应对延安Q3黄土抗压强度的影响规律.pdf
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1、DOI:10.13876/J.cnki.ydnse.220080第 42 卷 第 3 期2023 年 9 月延安大学学报(自然科学版)Journal of Yanan University(Natural Science Edition)Vol.42 No.3Sep.2023增减湿效应对延安Q3黄土抗压强度的影响规律邱明明,许丹,孙杰龙,李盛斌,张志远,李月文,兰旭峰(延安大学 建筑工程学院,陕西 延安 716000)摘要:黄土是一种具有显著水敏性的非饱和土,其力学性质变化与湿度状态密切相关。以延安新区Q3黄土为研究对象,开展原状与重塑黄土无侧限抗压强度试验,研究土体湿度变化与湿干循环次数对黄
2、土试样无侧限抗压强度的影响规律。试验结果表明,湿度变化对原状黄土压剪破坏后产生的压裂角影响显著,低含水率试样压剪破坏呈脆性特征,随含水率增大,塑性特征越明显;黄土应力与应变关系曲线分布随初始含水率增加由“陡峰型”向“平缓型”过渡,应力峰值逐渐减小;黄土无侧限抗压强度随含水率增加呈衰减趋势,且原状黄土无侧限抗压强度明显高于重塑黄土;采用Logistic函数可较好地描述黄土无侧限抗压强度与土体初始含水率的关系;黄土无侧限抗压强度衰减系数曲线具有明显的分段特征,初始含水率超过15%后w衰减趋势逐渐减缓;黄土无侧限抗压强度与湿干循环次数之间的关系符合线性衰减趋势,且原状黄土较重塑黄土试样衰减迅速。研究
3、结果可为旱区黄土工程设计提供参考。关键词:黄土;含水率;湿干循环;应力应变关系;无侧限抗压强度;压剪破裂;延安新区中图分类号:TU444 文献标识码:A 文章编号:1004-602X(2023)03-0115-06近年来,随着中国“一带一路”战略的推进以及适应城市经济等方面发展的需求,在西北地区涌现出大量的黄土工程。由于黄土是一种具有强结构性、水敏性的非饱和土1,在大气营力(降雨、蒸发、温度等)作用下黄土的力学性质会发生改变,诱发黄土边坡失稳、地基沉降、地表塌陷等工程灾害2-5,对黄土工程安全与稳定极为不利。因此,有必要对增减湿作用下黄土抗压强度变化规律进行深入研究。目前,已有诸多学者针对增减
4、湿作用下土体抗压强度进行了一系列研究,并取得了较多有价值的成果。高建伟等6对不同含水率和干密度条件下黄土的无侧限抗压强度进行了试验研究。胡长明7等开展了干湿循环作用下压实黄土强度三轴试验,获得了不同因素影响下的压实黄土强度劣化曲线。程佳明等8研究了干湿循环效应对固化黄土抗压、抗剪强度的影响,试验表明经过干湿循环后固化黄土强度明显下降,但增大固化剂增量,可降低循环后的强度损失。李祖勇等9对不同含水率和干湿循环条件下西安黄土无侧限抗压强度进行了测试分析。王丽琴等10对不同取土角度的原状与重塑土进行无侧限抗压强度试验,分析了取土角度、含水率对黄土无侧限抗压强度的影响,试验表明无侧限抗压强度随含水率的
5、增大而减小,各向异性也逐渐减弱。唐芸黎等11研究了脱湿红土在湿干循环之后无侧限抗压强度与不同初始含水率、湿干循环次数之间的关系,试验表明湿干循环作用使得红土无侧限抗压强度明显增大。慕现杰等12对不同含水率膨胀土的无侧限抗压强度进行了测试分析,试验表明土样强度随含水率增加而逐渐降低。周永祥等13通过无侧限抗压强度和扫描电镜试验,研究了干湿循环作用对固化盐渍土抗压和抗拉强度的影收稿日期:2022-08-13基金项目:陕西省重点研发计划资助项目(2020ZDLSF06-03);陕西省教育厅服务地方专项计划项目(21JC035);延安市重点研发计划项目(2019ZCSY-006);延安大学科研计划资助
6、项目(CXY202006,YDY2020-36);国家级大学生创新创业训练计划项目(202110719025)作者简介:邱明明(1985),男,陕西商洛人,延安大学副教授,博士。延安大学学报(自然科学版)第 42 卷 响规律。蔡正银等14研究了不同含水率和含盐量对冻结低液限黏土的无侧限抗压强度的影响规律。综上所述,现有的文献对不同性质土体在增减湿作用下的抗压强度进行了较为深入的试验研究,然而由于黄土自身特殊的性质和区域性差异等特点,使得不同地域黄土的力学性质存在显著差异。鉴于此,本文以延安新区Q3黄土作为研究对象开展原状与重塑黄土的室内无侧限抗压强度试验,研究土体湿度变化与湿干循环次数对黄土试
7、样无侧限抗压强度的影响规律,以期为西北地区黄土力学性质研究与工程实践提供参考。1试验方案设计1.1试样制备试验用土选取延安某边坡工点原状土,为Q3黄土,土体呈褐黄黄褐色,土质较均匀。取样深度为0.51.0 m,土体天然密度为1.50 g cm-3,天然含水率为13.30%。借助削土刀、钢丝锯、土样固定器等工具将取回的块状原状黄土制作成直径高度为39.1 mm80 mm的圆柱形试样15(图 1),即可得到天然含水率原状黄土试样,再将天然含水率原状试样进行增减湿处理,可获取不同含水率原状黄土试样。利用制样器、削土刀、凡士林、保鲜膜等土工试验用工具或材料,将天然含水率散土分层夯实制成试验所用的重塑土
8、试样,即可得到天然含水率重塑黄土试样,再将天然含水率重塑试样进行增减湿处理,可获取不同含水率重塑黄土试样。1.2试验方案试验采用改装的 SY30-2 型三轴仪(图 2),可施 加 轴 向 荷 载 030 kN,位 移 0100 mm,速 率0.08 mm min-1。本试验重点探究土体初始含水率与干湿循环次数对原状与重塑黄土无侧限抗压强度的影响规律,故以天然含水率原状黄土为基准,设置A、B、C、D 4个试验组,开展增减湿作用下原状与重塑黄土无侧限抗压强度试验研究,具体试验方案见表1。2试验结果与分析2.1压剪破裂特性分析如图3所示为湿度变化条件下原状黄土压剪破裂特征。由图可得,当试样初始含水率
9、为5%10%时,试样破坏时形成从下至上的贯穿裂缝,压裂面呈7090的压裂角,破坏形式为脆性破坏,具有瞬时性;当试样初始含水率为13.3%25%时,试样破坏时的主压裂面呈现4570的压裂角,斜裂缝未完全贯通,且在主裂缝周围产生多条不规则裂纹;试样湿度越大,试样压剪破坏历时越长,轴向应变越大,塑性特征越明显。如图4所示为湿干循环条件下原状黄土压剪破裂特征。由图可得,以原状黄土试样为例,不同湿干循环次数条件下试样破坏时在其表面形成近似垂直的裂缝,试样两端压剪破坏特征显著,并产生A.原位取样B.试样封存图1原状黄土试样制备图2改装的SY30-2型三轴试验仪表1原状与重塑Q3黄土无侧限抗压强度试验方案试
10、验组组A(原状土)组B(原状土)组C(重塑土)组D(重塑土)N/个53535353w/%5、10、13.3、20、2513.35、10、13.3、15、20、2513.3/(g cm-3)1.51.51.51.5n/次01、2、3、4、501、2、3、4、5制样方式深度方向原位取样;增减湿至目标含水率。深度方向原位取样;湿干循环,先增湿含水率至30%,再40 烘干24 h以上(w3%)为1次。取天然散土制备圆柱试样;增减湿至目标含水率。取天然散土制备圆柱试样;湿干循环,先增湿含水率至30%,再40 烘干24 h以上(w3%)为1次。116第 3 期邱明明 等:增减湿效应对延安Q3黄土抗压强度的
11、影响规律多条不规则裂纹。2.2应力-应变关系曲线如图 5 所示为不同湿度条件下黄土试样应力()与应变()关系曲线。由图可得,试样应力-应变曲线呈先增大,后减小,再逐渐趋于稳定变化趋势,其发展过程可分为4个阶段:1)压密变形阶段,轴向应力随轴向应变增大而逐渐增大,曲线斜率较小,应变增长速度高于应力增长速度,且试样表面无明显破坏特征;2)弹性变形阶段,应力增长速度明显大于应变增长速度,应力应变曲线近似呈线性变化,曲线斜率远大于压密变形阶段;3)塑性屈服阶段,此阶段曲线斜率明显减小,应力逐渐达到峰值,且在试样表面开始出现裂纹;4)压剪破坏阶段,依靠残余应力,应力应变曲线迅速下降,直至达到一稳定值,试
12、样发生明显压裂破坏,并形成贯通斜裂缝。随着土体初始含水率增大,试样应力应变关系曲线分布由“陡峰型”向“平缓型”过渡,轴向应力峰值呈减小趋势;在相同初始含水率条件下,原状黄土试样轴向应力峰值高于重塑黄土。2.3湿度变化对黄土强度的影响如图6所示为湿度变化对黄土试样无侧限抗压强度的影响规律。由图可得,随着土体初始含水率的增加,黄土试样的无侧限抗压强度呈衰减趋势,且原状黄土无侧限抗压强度明显高于重塑黄土;分别采用线性函数(图 6A)和 Logistic 函数(图 6B)对无侧限抗压强度与土体初始含水率的关系进行拟合(见表2),拟合结果表明,采用线性函数和Logistic函数均可较好地描述黄土无侧限抗
13、压强度与土体初始含水率的关系,拟合优度均达0.900以上,但采用 Logistic 函数的计算结果与试验数据更为吻合;相同初始含水率条件下,以原状黄土无侧限抗压强度值为标准,重塑与原状黄土无侧限抗压强度比值w范围为 0.721,0.916;当试样初始含水率超过A.w=5%D.w=15%B.w=10%E.w=20%C.w=13.3%F.w=25%图3湿度变化条件下原状黄土压剪破裂特征A.n=1D.n=4B.n=2E.n=5C.n=3图4湿干循环条件下原状黄土压剪破裂特征01234050100150200w=5%w=10%w=13.3%w=15%w=20%w=25%/kPa/%A.原状黄土0123
14、4050100150200w=5%w=10%w=13.3%w=15%w=20%w=25%/kPa/%B.重塑黄土图5不同湿度条件下黄土试样应力与应变关系曲线117延安大学学报(自然科学版)第 42 卷 15%以后,其比值减小显著(图6C);以原状黄土试样为例,定义试样无侧限抗压强度衰减系数w,u等于某初始含水率试样对应的无侧限抗压强度与最大无侧限抗压强度的比值,即w,u=u,wi/u,max。根据其计算结果(图 6C)表明,原状与重塑黄土无侧限抗压强度衰减系数曲线变化趋势基本一致,均具有明显的分段特征;当初始含水率小于15%时,试样无侧限抗压强度近似呈线性衰减;当初始含水率大于15%时,试样无
15、侧限抗压强度衰减趋势减缓,并逐渐趋于平稳发展;当初始含水率增大至25%时,试样无侧限抗压强度值相较于最大值衰减了75%以上。2.4湿干循环对黄土强度的影响如图 7 所示为湿干循环条件下黄土试样应力()与应变()关系曲线。由图可得,湿干循环下黄土试样的应力与应变关系曲线呈典型的应变软化型,其峰值特征显著;随着湿干循环次数增加,原状与重塑黄土试样应变关系曲线峰值均减小明显。根据图7数据可获得湿干循环对黄土试样无侧限抗压强度的影响规律(见图8),采用线性函数对黄土无侧限抗压强度与湿干循环次数进行拟合(图8A),拟合结果表明,黄土无侧限抗压强度与湿干循环次数之间的关系符合线性衰减趋势,且原状黄土较重塑
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